Гальванический способ нанесения цинкового покрытия

Гальваническое цинкование один из наиболее удобных и экономичных способов. При этом используется электролиз с растворимым анодом. Цинкова-ние проводится в специальных емкостях – ваннах, имеющих объем от 10 до 500 и более литров. На бортах ванн имеются контактные устройства для присоеди-нения цинкуемых деталей (катодов) и цинковых пластин (анодов), как показа-но на рис. 1. В ванну заливается электролит, представляющий собой водный раствор сернокислого цинка в присутствии небольшого количества серной ки-слоты.

Ионы цинка в водном растворе образуются за счет диссоциации цинковой

соли

ZnSO4 ® Zn2+ + SO42- (6)

7

02+

Источник постоянного тока (выпрямитель или батарея аккумуляторов), присоединенный к ванне цинкования, выполняет роль «насоса» электронов. Он перемещает электроны из цинковых анодов в катоды, т.е. цинкуемые детали. Этим создается анодная поляризация (недостаток электронов) на анодах и ка-тодная поляризация (избыток электронов) на цинкуемых деталях. Условия анодной поляризации таковы, что атомы металлического цинка на границе ме-талл – раствор сравнительно легко переходят в виде катионов в раствор, лиша-ясь своих валентных электронов, т. е. на аноде происходит окисление цинка по реакции

А(+) Zn(атом) –2e ® Zn2+(ион). (7)

Цинк электрохимически растворяется, масса анода убывает. В то же вре-мя на поверхности катода за счет сдвига его потенциала в отрицательную сто-рону (поляризация) достигаются условия, достаточные для восстановления ио-нов цинка по реакции

К(-) Zn2+ + 2e ® Zn0(атом). (8)

В водном растворе всегда присутствуют ионы водорода за счет диссо-

циации молекул кислоты

H2SO4 '2H+ + SO42-. (9)

Ионы водорода тоже восстанавливаются на поверхности цинкуемых де-талей по реакции

2H+ + 2e ® H2­. (10)

Электрический ток, бесполезно затраченный на реакцию восстановления (10), не может быть использован для осаждения цинкового покрытия. Для эко-номической оценки процесса электролиза введены такие понятия, как выход по току цинка (ВТZn) и удельный расход электроэнергии на получение цинкового покрытия. Эти показатели применимы к любому металлу, осаждаемому гальва-ническим способом.

Выход по току цинка есть отношение массы практически полученного металла к теоретически возможному

ВТZn = mпракт × 100%. (11)

теор

Величина выхода по току металла показывает долю полезно затраченного тока на катоде. Его принято выражать в процентах. Вес полученного металла

(mпракт) определяется путем взвешивания деталей до цинкования и после осаж-дения цинка (в граммах).

Теоретически возможное количество цинка определяется по закону Фа-радея: количество вещества, окисленного на аноде, восстановленного на катоде,

8

m

прямо пропорционально количеству прошедшего электричества (I×t) через

Zn

=

m

,

=

Э

,

I × t × A

m m

г

границу электрод-электролит.

I × t × Э теор F

где I – сила тока, А;

(12)

t – время электролиза, ч;

F – число Фарадея равное 26,8 А·ч/моль;

ЭZn – молярная масса эквивалента цинка

AZn

Zn n где: АZn – атомная масса цинка, г / моль;

n – число электронов, участвующих в реакции (8) на катоде.

(13)

Формула для расчета выхода цинка по току (11) примет вид

ВТZn = mпракт × 26,8 × n × 100%. (14)

Zn

Расчет расхода электроэнергии на получение единицы веса (г) металличе-ского покрытия позволяет выбрать такие условия электролиза, которые обеспе-чили бы наименьшее напряжение на ванне. Для расчета количества электро-энергии W используют формулу

W = Q × V = I × t × V, вт × ч, (15) практ практ

где V – напряжение на ванне, В.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Работа выполняется на лабораторной установке, схема которой указана на рис. 2.

Последовательность операций и их содержание

1. Провести механическую обработку образцов, для чего ошлифовать об-разцы наждачной бумагой.

2. Провести травление образцов в растворе № 1 следующего состава: HCl – соляная кислота – 20%

H2SO4– серная кислота – 20%

Необходимо укрепить образцы в приспособлении (см. рис. 1) и завесить в ванну № 1. Образцы в ванне держать 5..7 минут. Затем вынуть их вместе с при-способлением и тщательно промыть в проточной водопроводной воде. При промывке деталей необходимо обеспечить полное стекание промывной воды.

3. Провести электрохимическое обезжиривание образцов в ванне № 3 (щелочной раствор № 2, при комнатной температуре). Для этого промытые об-разцы, укрепленные в приспособлении, завесить в ванну и включить электриче-ский ток. Силу тока на ванне регулировать с помощью реостата (рис.2, дет.7). Сила тока Ia,подаваемого на обезжиривание, рассчитывается по формуле

Ia= ik ´ S, (16)

где i – заданная плотность тока (10..15 А / дм2);

S – площадь образца, находящегося в электролите (дм2).

Продолжительность обезжиривания 0,5мин (анодное обезжиривание) и 1..2 мин – обезжиривание катодное. Такую быструю смену полюсов сделать 2 раза. Обезжиривание закончить катодной операцией. После электрохимическо-го обезжиривания образцы тщательно промыть проточной водой и просушить сначала фильтровальной бумагой, а затем – на воздухе.

4. Взвесить образец на аналитических весах, записать массу образца до

цинкования m.

5. Рассчитать необходимую силу тока для цинкования (iк = 1 А/дм2), поль-зуясь формулой (16).

6. Провести гальваническое цинкование, установив по амперметру рас-считанную силу тока в цепи. Через каждые 10..15 минут замерять и записывать напряжение на ванне цинкования.

После 20..30 минут электролиза вынуть оцинкованный образец, выклю-чить выпрямитель.

7. Оцинкованную деталь промыть водопроводной водой, высушить и вновь взвесить на тех же весах, записав массу образца после цинкования m2. По разнице масс рассчитать привес осажденного цинка (mпракт.).

8. Рассчитать выход по току цинка по формуле (14).

9. Рассчитать удельный расход электроэнергии на основании средней ве-личины напряжения на ванне цинкования по формуле (15).

10. Определить среднюю толщину цинкового покрытия

	k
			,

mпракт.

S × d где h – толщина покрытия;

mпракт. – привес металла;

S – площадь покрытия, см;

d – удельный вес (dZn = 7,1 г / см3).

Толщину покрытия цинка выразить в микрометрах (мкм).

(17)

11. В качестве отчета по лабораторной работе представить результаты расчетов выхода по току, расхода электроэнергии на 1 грамм покрытия, толщи-ны покрытия и ответить на контрольные вопросы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. В чем состоит сущность защиты стальных изделий с помощью цинко-вого покрытия?

2. Перечислите способы нанесения защитных цинковых покрытий.

3. В чем состоит сущность гальванического цинкования. Поясните реак-ции на электродах, условия проведения процесса.

4. Назовите основные показатели эффективности процесса гальваниче-ского цинкования и сущность расчетов при их определении.

5. Приведите последовательность и назначение операций цинкования.

Рис. 1. Общий вид электролизера для цинкования

1. Корпус электролизера;

2. Цинковые аноды, соеди-ненные перемычкой;

3. Катодная каретка; 4. Цинкуемые детали

Рис. 2. Размещение приборов лабораторной установки для цинкования.

1. Ванна травления; 2. Промывная ванна

3. Ванна электрохимического обезжиривания;

4. Ванна цинкования; 5. Ванна осветления;

6. Ванна хроматирования 7. Реостат;

8. Амперметр; 9. Выпрямитель;

10. Понижающий трансформа-тор

Рис. 3. Каретка для завешивания деталей

1. Контактные плечики; 2. Отверстие для деталей; 3. Контактные пружины

12

Анатолий Григорьевич Мохов

Дата добавления: 2015-11-16