Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Качество цинковых покрытий в значительной степени определяется внутренними напряжениями, характер и величина которых зависят от условий получения покрытия. Различают внутренние напряжения I и II рода. Наибольшее влияние на свойства осадков цинка оказывают внутренние напряжения I рода (макронапряжения). Почти всегда в цинковых покрытиях возникают внутренние напряжения сжатия, величина которых может изменяться от 5,0 до 40—50 МПа. Легированные цинковые покрытия, особенно содержащие значительные количества металлов группы железа, имеют значительно более высокие напряжения — до 80—100 МПа. Причем в этом случае в зависимости от условий электролиза могут возникать как внутренние напряжения сжатии, так и растяжения. Последние особенно опасны для цинковых покрытий, содержащих большие количества легирующего компонента. Такие покрытия являются катодными, они при больших растягивающих внутренних напряжениях растрескиваются (рис. 213) и теряют защитные свойства. При меньших значениях внутренних напряжений, не превышающих уровень, необходимый для самопроизвольного растрескивания, наблюдается снижение предела усталости подложки. Величина и знак внутренних напряжений в значительной степени зависят от режимов электролиза, состава электролита и особенно концентрации органических добавок в электролите и легирующих элементов в покрытии. Например, внутренние напряжения осадков цинка, полученных из электролитов без добавок, невелики (10 МПа и меньше). Полиэтиленгликоль, альдегиды, декстрин вызывают увеличение внутренних напряжений цинковых осадков и сплавов до 15—40 МПа (в зависимости от концентрации добавки и применяемой плотности тока). Для снижения внутренних напряжений в электролиты цинкования обычно вводят сахарин, положительное влияние оказывает подогрев электролита до 30—40 °С, а также применение реверсируемого тока. В последнем случае при оптимальных режимах реверсирования внутренние напряжения могут быть уменьшены в 2—3 раза.
Практика промышленной гальваностегии показала, что покрытиями удовлетворительного качества можно считать только те цинковые осадки, внутренние напряжения которых ее превышают уровня 15—20 МПа. Покрытия деталей ответственного назначения не должны иметь внутренних напряжений растяжения, которые являются особенно опасными для электролитических цинковых покрытий. Однако большинство блестящих цинковых покрытий, особенно зеркально блестящие, имеют именно растягиваю1цие внутренние напряжения, а их величина часто превышает уровень 20 МПа. Поэтому при нанесении блестящих цинковых покрытий необходимо выбирать условия электролиза (режим наложения тока, состав электролита и добавок, температуру). обеспечивающие получение покрытий с минимальными внутренними напряжениями. То же самое относится к случаю нанесения покрытий из сплавов на основе цинка. В табл. 86 приведены данные о составе, микротвердости я внутренних напряжениях цинкникелевых покрытий в зависимости от состава электролита и режимов электроосаждения. Полученные данные позволяют подобрать условия электролиза, обеспечивающие получение цинкникелевых покрытий с хорошими физико-механическими свойствами.
Как видно из приведенных в таблице данных, наиболее употребляемые для получения блестящих цинкникелевых покрытий добавки — полиэтиленгликоль и ароматический альдегид — с одной стороны резко уменьшают содержание легирующего компонента в сплаве, а с другой — увеличивают внутренние напряжения.
Наиболее благоприятное влияние на состав, структуру и физико-механические свойства цинкникелевых покрытий оказывают уксусная, салициловая, сульфосалициловая кислоты и их соли. Благодаря уменьшению подщелачивания электролита в приэлектродном слое они снижают скорость образования труднорастворимых соединений цинка, являющихся ингибиторами разряда ионов никеля при их совместном осаждении. Это приводит к увеличению содержания никеля в сплаве (в среднем на 1,5—3 %). В свою очередь, уменьшение образования в приэлектродном слое труднорастворимых соединений цинка и включение их в осадок приводит к улучшению физико-механических свойств покрытий особенно при высоких плотностях тока (рис. 214): значительно снижаются внутренние напряжения (до 29,6 МПа) и микротвердость покрытия (до 2600 МПа), в то время как содержание никеля в осадке даже выше, чем в отсутствие добавок (11,5%).
Большое влияние па внутренние напряжения электролитических цинковых покрытий оказывает водород, выход по току которого в некоторых электролитах цинкования (цианистом, цинкатном) достигает 30—40 %. Внедряясь в кристаллическую решетку цинка, водород деформирует се, увеличивая внутренние напряжения в покрытии и даже в подложке (известное явление наподороживания). На величину внутренних панряжений оказывает также влияние толщина слоя покрытия. Внутренние напряжения обычно уменьшаются с ростом толщины слоя цинка, однако усилие, воздействующее на покрытие, возрастает, особенно в случае напряженных блестящих и зеркально блестящих цинконых покрытий. В большинстве случаев величина внутренних напряжений прямо пропорциональна количеству включений органической добавки в цинковом осадке.
Таким образом, внутренние напряжения являются одном из важнейших показателен качества цинковых покрытий. В настоящее время применяют несколько методов измерения внутренних напряжений. Физическая сущность этих методов сводится к измерению величины деформации Kатода в процессе электроосаждения. В качестве катода используют образцы из плоской пластины, спиральной ленты или провода (рис. 215), предварительно отожженных для снятия собственных внутренних напряжений.
Метод плоского гибкого катода
Катод перед измерением покрывают с одной стороны изоляционным лаком, а на его вторую сторону наносят цинковое покрытие. В процессе электролиза с помощью микроскопа замеряют смещение свободного конца пластины. Величину внутренних напряжений определяют по формуле:
где σ — внутренние напряжения, МПа; Е1 — модуль упругости металла катода, МПа; Е2 — модуль упругости цинка, МПа; δ1 — толщина осадка, см; δ2 — толщина катода, см; l — длина рабочей части катода, см; z — смещение концa катода, см; δ — толщина образца, см.
Метод спиральной ленты (Бреннера—Зендероффа)
По принципу измерения этот метод аналогичен предыдущему. Только в качестве рабочего катода здесь используют завитую в спираль прямоугольную ленту, внутреннюю сторону которой изолируют химически стойким лаком. В процессе электролитического цинкования в зависимости от знака внутренних напряжений спираль закручивается или раскручивается, а о их величине судят по отклонению регистрирующей стрелки.
Прочие методы
Метод Гоара—Appoусмита. К плоской лейте, закрепленной с одного конца, сверху прикрепляют мягкую стальную проволоку. О величине внутренних напряжений судят по значению тока, подаваемого на электромагнитные соленоиды, для преодоления изгиба образца от возникающих в процессе цинкования внутренних напряжений.
Метод Дворака—Вробеля. Плоский образец цинкуют с обеих сторон. О величине внутренних напряжений судят по изменению длины ленты.