Цинковый анод что это такое
Применение цинковых анодов и их свойства
В металлургической отрасли понятие «анод» применяется для обозначения состава, предназначенного для того, чтобы нанести металл на поверхность практически любого материала. Цинковые аноды используются в самых разных процессах гальваники, микроэлектроники и для оцинковки элементов, выполненных из стали. В последнем случае используется электролитный метод. Использование цинковых анодов считается наиболее эффективным и простым способом в борьбе с коррозией металла.
Кстати, аноды цинковые можно приобрести по невысокой цене в компании «Цветной Металлопрокат», которая специализируется на продаже цветного металлопроката в городе Санкт-Петербург, как оптом, так и в розницу.
Стоит отметить, что аноды, изготовленные из цинка, производятся в двух основных формах: в качестве пластин (основное сырье – листовой цинк), использующихся в малых промышленных организациях, и в виде шариков (сфер).
Как мы уже выше отмечали, цинковые аноды необходимы для многих отраслей экономики. Их стоимость напрямую зависит от того, насколько чистым был металл, используемый во время изготовления анодов. Ведь чем чище материал, тем качественнее окажется покрытие, а наладка производства будет осуществляться точнее. В результате предприятие сможет значительно сэкономить на выпуске продукции.
Цинковые аноды производятся в трех видах: горячекатаные, литые и холоднокатаные. Лучше всего использовать изделия, созданные из следующих марок металлов – ЦВ и Ц0, так как они содержат в себе минимальное число посторонних примесей и элементов.
Цинковые аноды, достоинства и недостатки, области применения
Свойства и области применения цинковых покрытий.
Цинковые покрытия, будучи довольно дешевыми, занимают одно из ведущих мест в практике нанесения гальванопокрытий. Наибольший процент (около 3/4) из всех цинковых покрытии приходится на стальные листы, полосы, трубы и проволоку и лишь около 1/4 на различные изделия и детали. Цинк является относительно легкоплавким диамагнитным металлом. Из механических свойств можно отметить сравнительно высокую хрупкость цинка технической чистоты и низкую ударную вязкость. Цинк образует практически ценные сплавы с медью, никелем, магнием и алюминием, в то время как сплавы с оловом и свинцом технического значения не имеют. В химическом отношении цинк довольно активен, растворяется в кислотах и щелочах, в соединениях двухвалентен.
Достоинства
1. Стойкость в сухой атмосфере, содержащей СО, СО2, С12, NH3, в среде сухого сероводорода и других сернистых соединений (в том числе содержащихся в нефти и жидком топливе), во мно-гих органических жидкостях (спиртах, эфирах, бензоле, хлорпроизводных и т.д.). В этих условиях на поверхности металла возникают тонкие пленки из оксида, сульфида и других мало- растворимых соединении, которые замедляют процесс коррозии. Скорость коррозии цинка при этом составляет всего от 1 (и ниже) до б мкм в год, причем основное влияние на эту ско-рость оказывает влажность атмосферы.
Пригодность для работы при температурах до 300 °С.
2. Обеспечение электрохимической защиты стали, так как по отношению к железу и его сплавам в обычных условиях цинковые покрытия являются анодными.
4. Высокий выход по току электролитов цинкования (более 95%, за исключением цианидных, которые, однако, имеют наиболее высокую РС).
5. Низкие внутренние напряжения в покрытиях.
6. Невысокая стоимость.
7. Достаточное сцепление с основой из алюминия и его сплавов.
Недостатки
1. Нестоек при высокой влажности атмосферы (покрывается налетом из смеси оксида, гидроксида и карбоната) и особенно при прямом контакте с водой, причем скорость коррозии резко возрастает при температуре 55-75 °С.
2. Имеет невысокие декоративные свойства.
3. Процессы цинкования требуют специальных добавок.
4. Сталь при ее цинковании подвергается наводороживанию.
5. Требует дополнительной обработки после нанесения покрытия (снятие наводороживания, хроматная обработка и др.).
6. Плохо выдерживает запрессовку
7. Непригоден для покрытий, контактирующих с пищевыми продуктами.
Цинковые аноды для гальванических изделий
Благодаря своей дешевизне покрытия из цинка сегодня пользуются большой популярностью в области гальванических изделий.
Им покрывают в основном стальные листы, полоски, трубы и проволоку.
С точки зрения химии, данный двухвалентный материал считается активным и растворимым в щелочи или кислоте. Также на базе цинка могут формироваться некоторые сплавы: медь, никель, магний и алюминий.
Исходя из этого, покупая цинковые аноды, можно достичь качественной внешней обработки вышеназванных материалов. Приобрести покрытия можно в компании «Industrial» https://industrial.kz/ Данный холдинг проводит поставки расходников металлургической, химической и полимерной продукции в Казахстане.
О преимуществах покрывающего материала
Представленные покрытия обладают таким набором характеристик, как:
С учетом этих характеристик, цинк применяется для нанесения анодных защитных пленок. Их толщина может колебаться в зависимости от обстоятельств: легкие условия 6-8 мкм, а тяжелые 30-40 мкм.
Для чего применяются цинковые аноды
В металлургии, под анодами понимается такая металлическая смесь, которой покрывается любой материал. Аноды на основе цинка могут применяться в гальванических процессах, микроэлектронике и цинковании стальных объектов.
Если проводится оцинковка изделия из стали, применяется электролитный способ обработки. Применяя такие аноды, можно обезопасить любое металлическое изделие от коррозии.
Цинковые аноды изготавливаются в виде пластин или сфер и считаются необходимыми для большинства экономических отраслей.
Цена на аноды колеблется в зависимости от того, насколько чистым был сплав металла, из которого они готовились. Так, если применяется чистый цинк без примесей, производство будет гораздо быстрее и не потеряет высоких показателей качества.
Цинковые аноды для гальваники
Цинкование является самым распространенным защитным покрытием в промышленности.
Поэтому и цинковые аноды являются одними из самых ходовых в гальванотехнике. Они выпускаются как в виде пластин, так и насыпью: сферами, полусферами и цилиндрами. Ввиду того, что при цинковании аноды весьма склонны к пассивации при высоких анодных плотностях тока, применение насыпных анодов в титановых корзинах более выгодно (их удельная площадь выше). Кроме этого, при работе насыпных анодов не образуется анодных остатков («обсосков»).
По маркам выделяют следующие основные виды цинковых анодов:
Максимальное содержание примесей, %
Существуют как более загрязненные марки, не применяемые в гальванике, так и более чистые, которые также не дают значительного выигрыша, но повышают себестоимость цинкового покрытия.
Растворение цинковых анодов происходит в несколько стадий и носит сложный кинетический характер. Среди осложняющих факторов, затрудняющих описание данного процесса, можно выделить:
— Одновременное протекание химического и электрохимического растворения цинка;
— Замедленная диффузия продуктов растворения из прианодного пространства в объем электролита;
— Образование новых фаз;
— Массоперенос в твердой фазе.
ОДЭ объясняется несколькими теориями:
1. Непосредственное взаимодействие воды с цинком;
2. Непосредственное взаимодействие воды с частицами цинка, выкрошившимися из анода;
Скорость растворения цинковых анодов зависит от потенциала и от концентрации щелочи (рисунок 1), в то же время концентрация ионов цинка никак не влияет на нее.
Рассмотрим механизм растворения цинковых анодов более подробно по стадиям:
1. Отрыв электрона от металлического цинка, присоединение гидроксид-аниона:
2. Разряд адсорбированной частицы, дальнейшее взаимодействие с гидроксид-ионами:
По мнению некоторых авторов возможна реакция диспропорционирования (по аналогии с растворением медных анодов):
3. Переход комплекса [Zn(OH)4] 2- адс в раствор (замедленная диффузия). Параллельно может идти разложение комплекса за счет пересыщения приэлектродного пространства:
одновременно может идти реакция разряда:
или реакция отрыва воды:
Реакции а, б, в приводят к пассивации цинковых анодов.
Кроме этого, возможна четвертая реакция, вносящая вклад в пассивацию цинка:
При благоприятных условиях пассивная пленка растворяется по реакциям:
В полностью же пассивном состоянии на цинковом аноде идет выделение кислорода.
Возможно также частично пассивное состояние, в котором одновременно протекают процессы и растворения цинка и выделения кислорода.
В целом можно сказать, что наилучшими цинковыми анодами являются те, которые растворяются равномерно, имеют малое количество примесей, хуже пассивируются при высоких анодных плотностях тока, а также не выкрашиваются при растворении (т.е. имеющие однородную мелкокристаллическую структуру)
Поведение анодов в различных электролитах цинкования
Дополнение к статье Харламова В.И. «Особенности проведения анодного процесса в различных электролитах цинкования»
В статье профессора Харламова В.И. достаточно подробно освещен вопрос о характере поведения цинковых анодов в кислых и щелочных электролитах цинкования, химизм растворения цинка и возникающих при этом проблемах, что нечасто встречается в литературе. Цеховые технологи обычно уделяют анодному процессу не самое первостепенное внимание.
В дополнение к изложенным в ответе соображениям считаю целесообразным изложить некоторые практические советы по организации анодного процесса при цинковании, основанные на многолетнем личном опыте.
Типы анодов.
Пластинчатые аноды.
Листовые аноды пригодны для кислых и щелочных электролитов и обычно применяют при небольших масштабах производства. Существенным недостатком пластинчатых анодов является необходимость прикручивать к каждому аноду металлический контактный крюк для подвешивания анода в ванну. Поэтому необходимо правильно выбрать металл для крючка и болта.
Для щелочных электролитов анодный крюк и болт следует делать из обычной малоуглеродистой стали. Стальные болт и крюк не будут корродировать в щелочном электролите и могут использоваться многократно.
Для кислых электролитов лучше всего использовать крюк и болт из титана. В этом случае не будет проблем с коррозией этого узла. Однако титан не всегда есть под рукой. Можно применять латунные/медные крюки и болты, но при этом необходимо поднять болтовое соединение крюка с анодом выше уровня электролита на 50-70 мм во избежание его растворения. Иногда применяют защитные короба из полипропилена для анодных штанг. Их задача предотвращать попадание коррозионно-активного электролита на медную (латунную) оснастку.
Вообще желательно, чтобы любое болтовое соединение крюка с анодом не соприкасалось с электролитом.
Характер растворения пластинчатых анодов показан на рис. 1.
Из рис. 1 очевидно, что по мере срабатывания (растворения) анода, его размеры и площадь уменьшаются, что отрицательно сказывается на анодном процессе (см. ответ Харламова В.И.) и равномерности цинкового покрытия, особенно в слабокислых электролитах, рассеивающая способность которых и так невелика. Анод в состоянии «С» (рис.1) должен быть заменен на новый. Оставшийся, так называемый, «обсосок» анода во избежание потерь цинка может быть использован в анодной корзине, которая должна быть предусмотрена в оснащении ванны цинкования.
Насыпные (контейнерные) аноды.
Лучшим решением анодных проблем при цинковании является применение насыпных (контейнерных) анодов. Анодным материалом в этом случае служат литые сферические или полусферические цинковые шары диаметром 50мм. На рис.2 показаны основные типы контейнеров для сферических анодов.
В анодных корзинах цинковые шары по мере их растворения проваливаются в нижнюю часть корзины, освобождая место для добавления сверху новых шаров. Таким образом, в отличие от пластинчатых анодов, в нижней части корзины всегда есть достаточно анодного металла для обеспечения равномерности осаждения покрытия на катоде. В корзинах цинк срабатывается практически без отходов.
Следует также отметить, что активная поверхность насыпных анодов может быть существенно больше по сравнению с пластинчатыми анодами. Это позволяет соответственно увеличивать токовую нагрузку, не опасаясь пассивирования анодов и тем самым форсировать катодный процесс.
Для щелочных электролитов цинкования анодные корзины изготавливаются из обычной малоуглеродистой стали, которая абсолютно устойчива в щелочных электролитах. Ни в коем случае нельзя делать анодные корзины из нержавеющей стали или других металлов. Стальные анодные корзины, кроме удержания растворимых цинковых шаров, выполняют функцию нерастворимого анода, что несколько сдерживает избыточное растворение цинка при электролизе. Стальные корзины при этом могут служить без замены много лет.
Полотняные мешки для улавливания анодного шлама в щелочных электролитах цинкования не применяются. Неизбежно образующийся при цинковании анодный шлам и прочие механические загрязнения удаляют из электролита посредством непрерывной фильтрации последнего со скоростью не менее 1 объема в час. Для фильтрации следует применять полипропиленовую ткань в виде сменных мешков из расчета 0,5-1м2 фильтрующей поверхности на 1м3 электролита. Фильтровальные мешки можно использовать многократно, подвергая периодической очистке (стирке). Конструкция фильтра может бытьлюбая. В настоящее время на российском рынке работают несколько фирм, продающих фильтровальные системы для самых различных процессов и растворов [1].
При нормальной загрузке ванны цинкования в 2 смены (16 часов в сутки), извлекать цинковые аноды из ванны цинкования на ночь не обязательно. За счет химического растворения цинка его концентрация в ванне в неработающей щелочной ванне поднимется на 1-2 г/л за 8-10 часов, что допустимо и не нарушает последующую работу ванны. Если цинка будет накапливаться больше, аноды надо время от времени вынимать.
Более, чем 35-ти летний опыт эксплуатации щелочных электролитов с насыпными анодами на Волжском автозаводе показал простоту и надежность в поддержании концентрации цинка в ванне на заданном уровне таким способом. Никогда не возникала необходимость корректировать ванну цинкования окисью цинка.
Для справки: на Волжском автозаводе работают более 10 установок цинкования с щелочным электролитом с суммарным объемом электролита свыше 250 000 литров и одна установка слабокислого цинкования с объемом электролита 12 000 литров. Все ванны цинкования работают с насыпными анодами.
Для кислых (слабокислых) электролитов цинкования анодные корзины изготавливают из титана, который устойчив в этой среде. Титановые корзины могут служить без замены и ремонта много лет.
В кислых электролитах на анодные корзины необходимо надевать полипропиленовые чехлы для улавливания анодного шлама, так как полипропиленовая ткань не препятствует нормальному растворению цинка и поступлению его в электролит. Наличие тканевых чехлов на анодах не исключает необходимость в непрерывной фильтрации электролита. Поскольку анодный цинк в слабокислых электролитах растворяется почти эквивалентно его катодному осаждению, концентрация цинка в ванне изменяется мало. Титан в кислых электролитах имеет пассивную пленку, поэтому его роль в анодном процессе невелика.
Таким образом, использование насыпных анодов для щелочных и слабокислых электролитов цинкования является весьма удачным техническим решением, позволяющем существенно упростить весь производственный процесс, снизить затраты и повысить качество покрытий.
Additional Answers to Readers Questions (published in journal «Electroplating & Surface Treatment» No4, p. 55-59, vol. 8, 2005).
Behaviour of anоdes in different zinc plating baths.
A number of practical advices on the operation of anodes based on a personal long experience are given. Bjth plato and bulk anodes are considered in alkaline and acid solutions. Rolled or cast anodes are suitable for small-scale production. The hook should be made of titanium for acid solutions, and ordinary steel for alkaline ones. True anode surface area is gradually decreasing in case of plate anodes (Fig.1) and this produces negative effect on the distribution of the coating especially in acid baths. Best solution of all problems related with anodes in the use of bulk anodes. Fig.2 shows major types of baskets for ball anodes. In the course of gradual dissolution additional balls are added to the basket and constant anode area favours uniform metal distribution. Anode baskets are made of steel for alkaline solutions and they work to some extent as insoluble anodes, thus reducing zinc built-up in the bath. Zinc concentration in the plating solution is normally determined once per day and in case of increasing concentration up to 30% of anode baskets should be replaced by steel plate anodes. This prevents further increase in the concentration and allows to stabilize it. More than 30 years operation of ball anodes in Lada car factory has demonstrated reliability of this technology. Zinc oxide was never used for the replenishment. In acid baths titanium baskets are used. They are placed into polypropylene bags in order to catch anode slurry.