Spis treści

Pierwsze systemy cynku alkalicznego niezawierającego cyjanków - które były zastąpione przez odczynniki kompleksujące i chelatujące, takie jak glukonian sodu, trietanoloamina lub aminy polimerowe - charakteryzowały się problematycznością związaną z unieszkodliwianiem ścieków jak i współosadzaniem Fe. Druga generacja dodatków organicznych wyeliminowała konieczność stosowania odczynników kompleksujących, ale miała inne wady jak np. kruchość, łuszczenie i pęcherzenie. Obecnie, jeżeli nie popełniliśmy błędów w przygotowaniu powierzchni, wady te w przypadku prawidłowo sporządzonej i eksploatowanej kąpieli nie występują. Nowe technologie pozwalają na uzyskiwanie powłok plastycznych i dobrze przyczepnych, a same kąpiele nie ulegają przy tym nadmiernemu starzeniu. Dawniej ponadto cynk alkaliczny nie pozwalał na otrzymywanie powłok błyszczących, obecnie jednak uzyskuje się powierzchnie błyszczące niemalże tak samo, jak te charakterystyczne dla powłoki cynku słabo kwaśnego i to bez powstawania nadmiernych naprężeń w powłoce. Należy pamiętać przy tym, że nie zawsze połysk jest celem nakładania powłoki, a sam cynk alkaliczny pozwala przy tym prowadzić proces w różny sposób, dostosowany do bieżących wymagań.

Często mówi się, że cynkowanie alkaliczne jest procesem stosunkowo prostym. Kąpiel jest roztworem wodorotlenku, który transportuje jony cynku. Twierdzenie o prostocie procesu jest motywowane w dużym stopniu podejściem marketingowym. Nie stosuje się tutaj co prawda zabiegów typowych dla cynku słabokwaśnego, jak uzupełnianie czy też wymiana anod w linii. Anody należy jednak uzupełniać w generatorze cynku. Ponadto jednym z warunków poprawnej pracy jest regularna kontrola stężenia metalu w kąpieli (możliwa do zautomatyzowania) i odpowiednie dozowanie roztworu cynku z generatora. Stosuje się też zazwyczaj bardziej skomplikowany system dodatków do kąpieli. Są to niektóre z czynników warunkujących poprawną pracę elektrolitu, więcej podano w dalszej części niniejszego rozdziału. Niemniej poprawna eksploatacja kąpieli jest w chwili obecnej znacznie łatwiejsza niż w przeszłości i przynosi wiele korzyści, które w odpowiednich warunkach (m.in. duża i powtarzalna produkcja, wysokie wymagania odporności korozyjnej i wymagania dotyczące ochrony środowiska) decydują o przewadze technologii cynkowania alkalicznego nad cynkiem chlorkowym.

W porównaniu do powszechnie stosowanego cynku słabo kwaśnego cynk alkaliczny ma lepszą odporność korozyjną, charakteryzuje się większą podatnością na pasywację (to być może wynika już z samego środowiska alkalicznego, w którym nakładana jest kąpiel, mniejsze ilość organiki wbudowywanej w powłokę). Podczas osadzania powłoki tworzą się tzw. słupki, które lepiej wypełniają nierówności i nie okludują kąpieli w zagłębieniach podłoża. Przy osadzaniu powłoki Zn z kąpieli kwaśnej tworzą się płatki, które czasami przykrywają nierówności podłoża zamykając mechanicznie niewielkie ilości kąpieli kwaśnej w zagłębieniach.

Również bilans ekonomiczny cynkowania alkalicznego często jest również znacznie lepszy niż przy zastosowaniu cynkowania słabo kwaśnego. Bardzo duża równomierność rozkładu metalu pozwala kontrolować grubość powłoki na całym detalu w wąskich granicach i dzięki temu nie następują straty cyku poprze nakładanie zbyt grubych warstw w miejscach innych niż istotne. Cecha ta pozwala obniżyć zużycie cynku do nawet 30 % przy dużej produkcji.

Poniżej podano podstawowe wymagania eksploatacyjne dla technologii bezcyjankowego cynkowania alkalicznego:

1. Przeprowadzanie analizy składu kąpieli, badania w komórce Hulla i innych badań każdego dnia roboczego.

2. Regularne analizy, konserwacja i wymiany kąpieli do odtłuszczania i aktywacji.

3. Zapobiegawcza konserwacja kąpieli w celu zminimalizowania problemów podczas produkcji i ograniczenia związanych z tym kosztów.

4. Instalacja automatycznych dozowników dla ciekłych składników kąpieli w celu wyeliminowania błędów ludzkich.

Jak powszechnie wiadomo, cynkowanie alkaliczne jest procesem bardziej wymagającym niż cynk słabo kwaśny. Szczególnie trudne przy tym jest wyzbycie się złych nawyków uzyskanych podczas eksploatacji cynku słabo kwaśnego. Trudności wynikające ze zmiany technologii są następujące:

1. Przejście z cynku słabo kwaśnego na cynk alkaliczny może powodować trudności z dopasowaniem obecnej linii do nowego procesu i tak np. kąpiel do cynkowania alkalicznego może źle znosić wanny po cynku słabo kwaśnym, nawet dobrze umyte.

2. Cynk alkaliczny wymaga ponadto wody lepszej jakości niż w przypadku technologii słabo kwaśnej.

3. Wskazana jest również regularna analiza kąpieli i kontrola procesu, co można było zaniedbać bez większych konsekwencji w przypadku cynku słabo kwaśnego. Szczególnie ważne jest utrzymywanie stałego stężenia cynku w kąpieli. Dla kąpieli alkalicznych najlepszą metodą jest zastosowanie odpowiedniego generatora cynku.

4. Należy zwrócić również na sposób zaprojektowania procesu technologicznego - błędy w tym przypadku mogą bowiem spowolnić proces i znacząc rzutować na jakość nakładanej powłoki oraz problematyczność procesu.

5. Wymagane jest lepsze, a więc bardziej czasochłonne, przygotowanie powierzchni detali.

Należy pamiętać również, że w przypadku cynku alkalicznego galwanizerzy mogą wybierać pomiędzy kąpielami o dużej i niskiej zawartości metalu. Dodatkowo opracowano kąpiele oparte na wodorotlenku potasu, które charakteryzują się wyższymi wydajnościami prądowymi i wyższymi szybkościami nakładania powłoki.

Cynk alkaliczny stosunkowo łatwo stosuje się w przypadku stali węglowej. Nakładanie cynku alkalicznego jest praktycznie wykluczone dla pewnych specyficznych podłoży, a mianowicie żeliwa (ograniczona możliwość pokrywania żeliw drobnoziarnistych), niektórych stali stopowych i wysokowęglowych, stali klasowych utwardzanych. Jest to spowodowane wysokim nadnapięciem wydzielania. Podłoża takie można pokrywać z kąpieli słabokwaśnej chlorkowej lub powłoką cynk nikiel i następnie powłoką cynkową z kąpieli alkalicznej. Ponadto w przypadku niektórych wyrobów hartowanych i sprężystych może nastąpić nawodorowanie podczas obróbki w kąpieli alkalicznej, dlatego w takich przypadkach również zaleca się stosowanie cynku słabokwaśnego.

Cynk alkaliczny nie jest przy tym zalecany w przypadku galwanizerni typowo usługowych, w procesach bębnowych lub zawieszkowych, gdzie dominują krótkie serie wyrobów o niskich wymaganiach jakościowych.

W przypadku kąpieli alkalicznych do cynkowania oraz do nakładania powłok cynk-nikiel metal podstawowy jakim jest cynk uzupełniany jest w zdecydowanej większości przypadków przez zastosowanie generatora cynku. Wykorzystanie tak pozornie skomplikowanego układu - w porównaniu do typowego rozwiązania jakim są rozpuszczalne anody cykowe zanurzone w zasadniczej kąpieli do cynkowania - jest w pełni uzasadnione z praktycznego punktu widzenia. Pozwala na znacznie stabilniejszą i przez to łatwiejszą eksploatację kąpieli.

Trudności związane ze stosowaniem ropuszczalnych anod cynkowych umieszczonych bezpośrednio w kąpieli polegają przede wszystkim na utrzymaniu odpowiedniego stężenia Zn w elektrolicie. Anodowy proces rozpuszczania cynku, do pewnej granicznej gęstości prądu, zachodzi z wydajnością 100 %. Wydajność procesu katodowego jest natomiast znacznie mniejsza i może się wahać w granicach od 50 % do 80 % w zależności od zastosowanej technologii. W związku z tym wyorzystanie rozpuszczalnych anod cynkowych bezpośrednio w wannie procesowej może prowadzić do nadmiernego przyrostu stężenia Zn i związanych z tym licznych problemów, m.in. do pogorszonej wgłębności, przypaleń, matowej powłoki, złej przyczepności powłoki. Dodatkowo stężenie Zn może przyrastać w jeszcze większym stopniu, kiedy anody zostaną pozostawione w kąpieli w okresach przestoju - cynk będzie ulegał chemicznemu ropuszczeniu.

Problem można starać się ograniczyć stosując anody cynkowe o mniejszej powierzchni. Rozwiązanie to ma jednak również swoje ogranicznenia - po przekroczneniu pewnej granicznej wartości anodowej gęstość prądu (około 3 A/dm2) anody ulegają pasywacji - pokrywają się warstewką tlenku cynku o ograniczonej przewodności. Napięcie wówczas wyraźnie wzrasta, powierzchnia anod cynkowych staje się czarna, wydajność anodowego procesu rozpuszczania cynku spada do kilku procent, na anodach intensywnie wydziela się tlen. W konsekwencji stężenie cynku w kąpieli może znacząco spaść, jeżeli nie zidentyfikujemy problemu we wczesnym etapie.

Jak widać więc wydajność prądowa anodowego procesu rozpuszczania cynku jest, w zależności od stosowanej gęstości prądu, zbyt wysoka lub zbyt niska. Aby uniknąć powyższych problemów, należałoby dokładnie kontrolować powierzchnię pokrywanych przedmiotów, katodową gęstość prądu, powierzchnię anod (zmieniającą się w trakcie prowadzenia procesu) i wynikającącą z tego stosowaną anodową gęstość prądu, nie zapominając również o innych czynnikach wpływających na stężenie cynku w kąpieli, takich jak zawartość wodorotlenku, temperatura, wynoszenie itp.

Ze względów opisanych powyżej konieczna byłaby bardzo rygorystyczna kontrola stężenia cynku przez kontrolowanie powierzchni anod zanurzonej w roztworze. To z kolei wymagałoby bardzo dużej częstotliwości analiz oraz częstego wynurzania i zanurzania anod cynkowych w roztworze. W praktyce stabilne prowadzenie procesu w ten sposób jest bardzo trudne i często powoduje uzyskiwanie powłok o gorszej jakości: gorszy rozkład prądu przekładający się na gorszą wgłębność, osadzanie powłok o różnej - trudnej do dokładnego przewidzenia - grubości ze względu na znaczące i stosunkowo szybkie zmiany stężenia Zn - dotyczy to w szczególności linii pracujących w trybie ciągłym z dużym obciążeniem.

Zastosowanie do uzupełnieniania kąpieli w cynk względnie niewielkiego generatora w postaci oddzielnego stalowego zbiornika wypełnionego roztworem wodorotlenku, do którego wprowadzane są kule cynkowe umieszczone w stalowych koszach, pozwala na znacznie stabilniejszą i prostszą eksploatację kąpieli. Cynk w takim układzie ulega chemicznemu ropuszczeniu, po czym roztwór wzbogacony w omawiany metal jest transportowany - za pomocą układu pompy z filtrem - do właściwej wanny procesowej, w której zamiast ropuszczalnych anod cynkowych stosuje się nierozpuszczalne anody stalowe. Zastosowanie generatora cynku niesie ze sobą kolejne dodatkowe korzyści, a mianowicie:

- znacząco zmniejsza częstotliwość i zarazem ilość analiz koniecznych do wykonania w celu utrzymania odpowiedniego stężenia Zn w roztworze;
- uzyskujemy swojego rodzaju rezerwuar cynku, który może być wykorzystywany w okresach o większym obciążeniu (swego rodzaju bufor), zapewniając stabilniejszą prace kąpieli i większą jej odporność na zmiany obciążenia;
- lepsze dopasowanie parametrów pracy kąpieli do rodzaju detali poddawanych obróbce poprzez szybką i stosukowo łatwą do kontrolowania możliwość zwiększania i obniżania stężenia Zn;
- wyeliminowanie problemów związanych z polaryzacją anod cynkowych.

Stosowanie generatora cynku jest szczególnie zalecane w przypadku:

- linii wysoce obciążonych eksploatowanych w trybie ciągłym;
- obróbki detali charakteryzujących się wysokim wynoszeniem;
- prowadzenia procesu z zastosowaniem wysokich gęstości prądu.

Przede wszystkim w takich warunkach generator pozwala na utrzymywanie stabilnego poziomu stężenia cynku bez konieczności przerywania pracy w celu przywrócenia zawawrtości Zn do prawidłowego poziomu. Znacznie mniejsze wahania stężenia tego metalu przekładają się na lepszą, stałą jakość powłok uzyskiwanych w dłuższym okresie czasu.

Podsumowując - praca z anodami cynkowymi umieszczonymi bezpośrednio w wannie procesowej w wielu przypadkach jest możliwa, jednak trudna ze względu na konieczność ścisłej i bardzo częstej kontroli parametrów pracy elektrolitu wpływających na poziom Zn w kąpieli. Urzymanie powtarzalnej, wysokiej jakości powłok jest stosunkowo trudne. Zastosowanie generatora cynku znacznie upraszcza kontrolę procesu, zmniejszając poświęcany temu czas i nakład pracy, a ponadto pozwala na utrzymywanie wysokiej, stabilnej w czasie jakości nakładanych powłok dzięku utrzymaniu stałości parametrów pracy kąpieli, w tym najważniejszego, jakim jest stężenie cynku. Czynniki te pozwalają zazwyczaj na obniżenie kosztów prowadzenia procesu ze względu na:

- dokładniejszą kontrolę zużycia cynku;
- mniejszy nakład pracy na prowadzenie procesu;
- mniejsza brakowość produkcji;
- mniej przestojów związanych z konserwacją i regeneracją kąpieli;
- lepszą i powtarzalną jakość nakładanych powłok, a więc i większe zadowolenie Klienta.

Powyższe znajduje odzwierciedlenie w dużej popularności rozwiązania, jakim jest wanna do cynowania alkalicznego wyposażona w generator cynku.