Введение
Электролитические процессы нанесения металлопокрытий(гальванотехника) применяются для защиты изделии от коррозии,защитно-декоративной отделки, повышения сопротивления механическому износу иповерхностной твердости, сообщения антифрикционных свойств отражательнойспособности и других целей (гальваностегия), а также для изготовленияметаллических копий (гальванопластика).
Основоположником: гальванотехники является Б. С. Якоби —член Российской академий наук, который впервые в 1837 г. получил медную копию сметаллического оригинала гальванопластическим способом. Широкого промышленногоприменения гальванотехника в то время еще не имела. Известий были лишь немногиеиз электролитических процессов металлопокрытий, которые использовались, главнымобразом для декоративной отделки поверхности изделий из меди и её сплавов,например, серебрение, золочение, покрытие оловом, а также электроосаждение медидля получения металлических копий.
Однако эти процессы в то время не имели промышленного значения,масштабы производства покрытий были очень небольшими, особенно в России.Рецептура и режим электролиза подбирались, как правило, эмпирически без учета неизвестныхв то время особенностей процесса, что приводило к плохим результатам. Удовлетворительныепо качеству осадки получали только при очень малых скоростях процесса (при плотностяхтока на катоде 5—30 А/м2) и толщине слоя, не превышающего 5 мкм.
С начала 20-х годов нашего столетия по мере развития работв области теоретической и прикладкой электрохимии стали появляться болеесовершенные, теоретически обоснованные процессы электролитического покрытияметаллами. Эти работы способствовали широкому использованию гальванотехники вразличных отраслях промышленности.
В настоящее время перед гальванотехниками стоят новыезадачи. Наряду с покрытиями, имеющими улучшенные антикоррозионные и механическиесвойства, требуются покрытия с высокими оптическими (блеск) и особымимагнитными свойствами, сверхпроводимостью, жаростойкостью, способностьюсохранять паяемость после длительного хранения на воздухе и др. Необходимытакже интенсификация и автоматическое регулирование процесса, автоматизацияуправления и контроля электролитических процессов и т. д.
В настоящее время часто используют электрохимическийметод обработки изделий вместо других более трудоемких и дорогостоящих методов.
Решение этих задач требует глубокого изучения процессовэлектролиза с использованием современных методов исследования. Большие успехидостигнуты в области изучения механизма электродных процессов, особенно вработах российских ученых. Исследования в этом направлении дали возможность нетолько установить основные закономерности электроосаждения металлов, но и болееправильно и обоснованно подойти к разработке технологических процессов покрытияизделий, что особенно актуально в настоящее время.
Целью курсовой работы является изучение и раскрытиесущности гальванических покрытий.
Для раскрытия поставленной цели перед работой стоятследующие задачи:
— дать классификацию и рассмотреть назначениегальванических покрытий;
— охарактеризовать процесс подготовки поверхности переднанесением гальванических покрытий;
— рассмотреть оборудование для гальванических операций.
1. Классификация и назначение гальванических покрытий
1.1 Классификация гальванических покрытий
Классификация покрытий. В зависимости от требований,предъявляемых к эксплуатационным характеристикам деталей, различают три типапокрытий:
— защитные, применяемые для защиты от коррозии деталей вразличных агрессивных средах;
— защитно-декоративные, применяемые для декоративнойотделки деталей с одновременной защитой их от коррозии;
— специальные, применяемые для придания поверхностидеталей специальных свойств (износостойкости, паяемости, твердости,электроизоляционных, магнитных свойств и др.), восстановления изношенныхдеталей или обеспечивающие защиту основного металла от особых сред (местнаязащита от цементации, азотирования и пр.).
По способу защитного действия гальванические покрытияделят на катодные и анодные. Катодные покрытия имеют более положительный, аанодные более электроотрицательный электродные потенциалы по сравнению спотенциалом металла, на который они нанесены. Так, например, Си, Ni, Ag, Аи,осажденные на сталь, являются катодными покрытиями, a Zn и Cd по отношению кстали — анодными.
Защитные действия покрытий зависят не только от природыметалла, но и от состава коррозионной среды. Олово по отношению к Fe врастворах неорганических кислот и солей является катодным покрытием, а в рядеорганических кислот (пищевых консервах) — анодным. Катодные покрытия защищаютметалл детали механически, изолируя его от окружающей среды. Основноетребование к катодным покрытиям — беспористость. Анодные покрытия защищаютметалл детали главным образом электрохимически. Поэтому степень пористостианодных покрытий в отличие от катодных не играет существенной роли.
Для краткого наименования различных видов покрытий вконструкторской и нормативно-технологической документации приняты специальныеусловные обозначения (шифры) покрытий.
Шифр покрытий включает сведения о способе нанесения (заисключением гальванических покрытий) (табл. 1, Прилож.1), материале покрытия(начальные буквы металла покрытия) (табл. 2, Прилож.1), признаке,характеризующем физико-механические свойства покрытия (табл. 3, Прилож.1),толщине покрытия (табл. 4, Прилож.1), декоративные свойства покрытий—по ГОСТ21484—76 и о виде дополнительной обработки (табл. 5, Прилож.1).
Примеры условных обозначений покрытий приведены в табл. 6(Прилож.1).
При выборе покрытий следует учитывать назначение иматериал детали, условия эксплуатации деталей, назначение и свойства покрытия,способ нанесения покрытия, допустимость контактов сопрягаемых металлов иэкономическую целесообразность применения этого покрытия [3, С.34].
Коррозионное воздействие среды, определяемое условиямиэксплуатации изделий, является одним из важнейших факторов, обусловливающихвыбор покрытий.
Условия эксплуатации в зависимости от коррозионнойагрессивности среды (степени загрязнения воздуха коррозионно-активнымиагентами, температуры окружающей среды и других климатических факторов)классифицируют по группам: легкая — Л, средняя — С, жесткая — Ж, очень жёсткая— ОЖ.
1.2 Требования к поверхностям и покрытиям
Качество поверхности основного металла, на которыенаносится гальванические покрытия, должно соответствовать ГОСТ 9.301—78.Параметры шероховатости поверхности основного металла должны быть не более: Rz= 40 мкм под защитные покрытия; Ra = 2,5 мкм под защитно-декоративные; Rz ≤40 мкм под специальные покрытия в зависимости от функционального назначения; Ra= 1,25 мкм под твердые и электроизоляционные анодно-окисные покрытия.
Указанные требования к шероховатости поверхности нераспространяются на нерабочие труднодоступные для обработки и нерабочиевнутренние поверхности деталей, резьбовые поверхности, поверхности срезаштампованных деталей толщиной до 4 мм, а также на детали, шероховатостьповерхности основного металла которых установлена соответствующими стандартами.Необходимость доведения шероховатости указанных поверхностей до установленныхзначений и необходимость дополнительной защиты этих участков после нанесенияпокрытий для обеспечения заданной коррозионной стойкости должны быть оговореныв технической документации. На поверхности деталей не допускаются: неоднородностьпроката, закатанная окалина, заусенцы, расслоения и трещины, выявившиеся послетравления, полирования и шлифования, поры и раковины, приводящие к тому, чторазмеры детали после контрольной зачистки выходят за предельные отклонения.
Поверхность деталей, изготовленных из горячекатаногометалла, должна быть очищена от травильного шлама, продуктов коррозии основногометалла и других загрязнений.
На поверхности литых и кованых деталей не должно бытьпор, газовых и усадочных раковин, шлаковых включений, спаев, недоливов, трещин.Детали после галтовки, гидро- и металло-пескоструйной обработки не должны иметьна поверхности травильного шлама, шлака, продуктов коррозии и заусенцев. Нашлифование и полирование детали должны поступать без забоин, вмятин, прижогов,рисок, заусенцев и дефектов от рихтовочного инструмента.
Острые углы и кромки деталей должны быть скругленырадиусом не менее 0,3 мм или иметь фаски (за исключением техническиобоснованных случаев).
Швы на сварных и паяных деталях должны быть зачищены,непрерывны по всему периметру и исключать затекание электролита в зазор.Прерывистые швы должны быть предварительно загерметизированы [6, С.36].
Качество покрытий должно соответствовать ГОСТ 9.301—78.
Для всех видов покрытий установлены требования к внешнемувиду и, при необходимости, к специальным свойствам. Кроме того, дляметаллических покрытий устанавливают требования к толщине, пористости ипрочности сцепления и, в случае покрытий сплавами — к химическому составу; адля неметаллических неорганических покрытий — требования к защитным свойствами, при необходимости, к толщине.
Специальные свойства покрытий должны соответствоватьтребованиям конструкторской документации.
По толщине, химическому составу, защитным свойствам ипористости покрытия должны соответствовать требованиям, указанным вГОСТ9.301—78.
Вид и толщину покрытия деталей (согласно ГОСТ 9.301—78,ГОСТ 9.073—77, ГОСТ 21 484—76) выбирают в соответствии с требованиями,приведенными в нормативно-технической документации. Исключение составляютдетали, для которых толщину покрытия устанавливают независимо от условийэксплуатации: детали, выполненные по 7, 8 и 9-му квалитетам или имеющие посадкис натягом; резьбовые детали; пружины [3, С.42].
Вид дополнительной защиты деталей всегда оговаривается вконструкторской документации.
1.3 Назначение гальванических покрытий
В соответствии с их назначением гальванические покрытияможно разделить на следующие основные группы:
1) коррозиеустойчивые, или защитные;
2) защитно-декоративные;
3) износостойкие;
4) специальные.
Защитные свойства коррозиеустойчивого металлического покрытияопределяются:
а) величиной электродного потенциала металла покрытия,сравнительно с электродным потенциалом защищаемого металла, т. е. будет лиметалл покрытия при образовании гальванической пары катодом или анодом.Исключение представляют металлы, склонные покрываться пассивной пленкой(алюминий, хром). Разность между потенциалом металла покрытия и потенциалом защищаемогометалла и контактирующимися с ним не защищаемыми металлами должна быть возможнонаименьшей;
б) химической стойкостью металла покрытия против воздействиясреды, в которой находится изделие. В связи с этим защитные свойства покрытиязависят от того, как по своей химической природе металл покрытия будетотноситься к таким химическим реагентам, как влажный воздух, морская вода,кислоты, щелочи и др.;
в) достаточной толщиной, сплошностью и сцепляемостьюпокрытия, а также его твердостью и сопротивляемостью механическим воздействиям.Исключительно большое значение для противокоррозионной защиты имеет качествосцепления покрытия с основным металлом, выражающееся в сращивании покрытия сосновой по всей поверхности изделия. Сцепление покрытия с покрываемым металломзависит от ряда условий, куда относятся химические свойства основного металла иметалла покрытия, режим и условия процесса осаждения и главное — качество подготовкиповерхности изделия в механических и гальванических цехах.
Основным требованием к коррозиеустойчивым изащитно-декоративным покрытиям является наличие достаточной для данных условийэксплуатации изделия толщины слоя покрытия.
Выбор покрытий и их толщина зависят от назначения изделийи условий их эксплуатации. Минимальные значения толщин покрытий после ихотделки предусматриваются Государственными стандартами.
В зависимости от условий работы изделия устанавливаютсятри группы покрытии:
группа Л — для легких условий работы. Эта группапредназначена для эксплуатации изделий в закрытых, сухих, отапливаемых ивентилируемых помещениях (аналогичных жилым);
группа С — для средних условий работы. Эта группапредназначена для эксплуатации изделий в условиях закрытых помещений, инаружной атмосферы, загрязненных промышленными газами, пылью, а такжесодержащих аэрозоли или испарения морской воды. При этом изделия не должныподвергаться непосредственному воздействию дождя или снега;
группа Ж — для жестких условий работы. Эта группа предназначенадля эксплуатации изделий в условиях закрытых помещений и наружной атмосферы,загрязненных значительным количеством промышленных газов и пыли, а также принепосредственном периодическом воздействии дождя, снега или брызг морской воды[1, С.46].
Толщина покрытия в ряде случаев (например, с целью защитыот коррозии в жидких средах или агрессивных газах, при повышенииизносостойкости поверхности металла и.др.) не может быть стандартизована. Вкаждом отдельном случае здесь необходимо учитывать интенсивность воздействиякоррозионной среды, конструктивные особенности изделия, срок службы итребования к покрытию, обусловленные технологией изготовления деталей.
2. Подготовка поверхности перед нанесением гальваническихпокрытий
2.1 Механическая обработка
Шлифование применяют для устранения царапин, забоин,рисок и других дефектов на поверхности деталей, а также для получения гладкой ировной поверхности перед нанесением на нее защитно-декоративных покрытий.
Шлифование — механический процесс снятия тонкой стружкиметалла острыми режущими гранями мелких верен абразивных материалов.
Полирование — механический процесс получения блестящей(зеркальной) поверхности сглаживанием мельчайших неровностей предварительношлифованной поверхности.
Шлифование и полирование крупных и средних деталейпроизводят абразивными кругами и лентами; можно использовать ивибрационно-абразивное шлифование и полирование. Для мелких деталей эффективнееприменять методы вибрационно-абразивной обработки и галтовки в барабанах сабразивными материалами. Шлифование и полирование кругами ведут наодношпиндельных или двухшпиндельных станках. Шлифовальные и полировальные кругиизготовляют из войлока, сизаля, бязи, брезента, сукна, байки и другихматериалов, на рабочую поверхность которых наносят абразив, удерживаемыйспециальной связкой. При шлифовании деталей накатными войлочными илиматерчатыми кругами, а также при полировании необходимо для более мягкихметаллов подбирать и более мягкие, т. е. эластичные, круги.
Для получения чисто отшлифованной поверхностирекомендуется при каждом последующем переходе применять круг более твердый, чемпри предыдущем переходе. В зависимости от назначения круги различаются видом исортом абразивного материала, твердостью, связкой. При выборе абразивного круганеобходимо учитывать твердость обрабатываемого материала, площадьсоприкосновения круга с деталью. Чем тверже обрабатываемый материал и большеплощадь соприкосновения круга с деталью, тем мягче должен быть круг. Из-завысокой плотности войлочных кругов их целесообразно применять для шлифованиядеталей с острыми и прямыми углами, отверстиями, вырезами — там, где нужносохранить поверхность ровной и не «заваливать» края детали.
Для шлифования деталей под защитно-декоративные покрытиянаряду с войлочными широко применяют матерчатые круги. Они отличаютсяупругостью и эластичностью. Их используют при шлифовании как черных, так ицветных металлов. Благодаря эластичности они удобны для шлифования деталейсложного профиля. Применяемые на ряде заводов самоохлаждающиеся вентилируемыекруги имеют стойкость значительно большую, чем обычные полировальные круги.
При полировании используют полировальные пасты. В ихсостав входят абразив и связующее вещество. В качестве абразива применяют окисьжелеза, окись хрома, окись алюминия, венскую известь, а в качестве связующеговещества — стеарин, парафин, олеиновую кислоту, говяжье сало и др. Пасты могутбыть твердыми и жидкими. Применение автоматической подачи паст увеличиваетпроизводительность процесса, создает удобство в работе и обеспечивает высокоекачество обработки.
На ряде заводов в связи с внедрениемвысокопроизводительного полировального оборудования применяют непрерывныегибкие абразивные ленты и лепестковые круги, собранные из шлифовальных шкурок сразличным зерном абразива.
Обработка абразивными лентами в сравнении со шлифованиемвойлочными кругами имеет следующие преимущества: поверхность соприкосновенияленты с деталью значительно больше, что способствует лучшему рассеянию теплоты;скорость движения ленты остается постоянной во все время шлифования; отпадаетнеобходимость в балансировке рабочего инструмента; более оперативна переналадкастанка; более безопасны условия труда.
В зависимости от состояния поверхности детали шлифованиеведут в несколько переходов с постепенным уменьшением величины зерна абразиваот первой операции к последней.
После того как шлифованием сглажены основныемикрошероховатости поверхности, иногда перед декоративным полированием круг смелким абразивом, который применялся на предыдущем переходе шлифования, слегкасмазывают парафином, техническим салом или специальными засалочными пастами.Эта операция желательна в тех случаях, когда необходимо предохранить деталь отвыкрашивания и задира при тонком шлифовании поверхности.
Режим шлифования определяется материалом обрабатываемыхдеталей, частотой вращения круга и его давлением на поверхность металла. ПриШлифовании твердых материалов простой формы частота вращения круга больше, чемпри обработке более мягких материалов и деталей сложной формы. Припредварительном шлифовании, в отличие от тонкого, для снятия большего слояметалла увеличивают силу прижима деталей к вращающемуся кругу.
Галтовка (абразивная обработка в барабанах по ГОСТ23505—79). Этот процесс есть разновидность шлифования и полирования, заключающийсяв очистке и отделке поверхности мелких деталей насыпью для снятия заусенцев,окалины, неровностей и уменьшения шероховатости поверхности.
Галтовку осуществляют в аппаратах барабанного иколокольного типа, в которые загружают абразивные материалы и детали. Привращении барабана или колокола с выступающих частей поверхности деталейснимается тонкий слой металла в результате трения их между собой, а также сабразивными и полирующими материалами. Различают сухую (абразивную) галтовку имокрую (жидкостно-абразивную) галтовку, которую в зависимости от применяемогоразмера абразива делят на подводное шлифование и подводное полирование.
Чаще всего для окончательной отделки винтов и болтовнебольших размеров, поверхность которых должна быть блестящей, без заусенцев,применяют сухую галтовку. Ее осуществляют либо без абразива, либо сиспользованием тонкого абразива типа крокуса. Обработку изделий из мягкихметаллов и резьбовых изделий рекомендуется проводить в аппаратах колокольного типа,где они не испытывают сильных ударов.
При жидкостно-абразивной обработке детали обрабатываютсяабразивом и полирующими материалами в жидкой среде. В качестве абразива используютбой наждака, керамики, фарфора, корунда, кварцевый песок, стальную сечку, а дляполирования — стальные шарики, дретесиые опилки, обрезки кожи, фетра и другиемягкие материалы. В качестве жидкой среды используют 2—3 %-ный раствор щелочи,мыльный, кислотный и другие растворы. Жидкостно-абразивную обработку обычноприменяют перед нанесением покрытий, чтобы очистить детали от травильногошлама, а также с целью сглаживания поверхности [8, С.96].
Обработка щетками — процесс, при котором в результатевоздействия концов проволок поверхность металла очищается от ржавчины, окалины,краски, образовавшегося шлама и Других загрязнений. Его производят не только сцелью очистки поверхности, но и для нанесения на детали штриховогодекоративного рисунка. С этой целью операцию производят либо до нанесенияпокрытия, либо после.
Обработку щетками осуществляют обычно на шлифовально-полировальныхстанках. Для изготовления щеток применяют стальную, латунную, медную,нейзильберную проволоку. При обработке мягких гальванических покрытийиспользуют также волосяные, капроновые либо травяные щетки. При подборепроволоки для изготовления крацевальных щеток можно воспользоваться даннымитабл. 7, Прилож.2.
При декоративной обработке щетки обычно смачивают всодовом или мыльном растворе. Скорость вращения щеточных кругов можетизменяться от 450 до 1800 об/мин.
Струйно-абразивная обработка. Этот вид подготовки поверхностиперед нанесением металлических покрытий имеет разновидности: пескоструйная,дробеструйная и жидкостно-абразивная обработка. Он имеет весьма широкоеприменение, так как является одним из наиболее эффективных способов подготовкиповерхности для всех видов покрытий, не требующих полированной поверхности.
Наряду с высокой скоростью и качеством очистки деталей отокалины и ржавчины струйная обработка создает поверхностный упрочняющий наклеп,который положительно сказывается на механических свойствах детали. В результатетакой обработки с поверхности исчезают заусенцы, забоины, риски, т. е. тедефекты, которые отрицательно сказываются на коррозионной стойкости деталей спокрытиями, на качестве осаждаемых покрытий и на их декоративном, виде. Этотпроцесс широко применяют для создания равномерной матовой поверхности детали иповышения светопоглощающих характеристик деталей оптической аппаратуры.
2.2 Химическая обработка
Химическое обезжиривание поверхности деталей переднанесением гальванопокрытий, как правило, предшествует электрохимическому обезжириванию;в основном его применяют при наличии на деталях толстой жировой пленки.
Химический способ удаления жиров основывается навзаимодействии с ними органических растворителей или растворов щелочей,приводящих к их растворению, омылению или образованию эмульсий.
Органические растворители делят на горючие и негорючие. Кгорючим растворителям относятся бензин, керосин, бензол, толуол, ксилол, Уайт-спирити др. Их в гальванотехнике не применяют. Более эффективными растворителямиявляются негорючие и хлорированные углеводороды: трихлорэтилен,тетрахлорэтилен, перхлорэтилен, четыреххлористый углерод, хладон-113 (старое названиефреон-113).
Растворяющая способность различных растворителей поотношению к маслам понижается в такой последовательности [кг/(м2-ч)]:хладон-113 — 4,45; трихлорэтилен — 3,10; ксилол — 2,20; тетрахлорэтилен — 1,70;бензин— 1,30; уайт-спирит — 0,90; керосин — 0,65.
Обезжириванию трихлорэтиленом можно подвергатьбольшинство металлов (сталь, медь, никель, сплавы этих металлов и др.). Следуетизбегать обработки трихлорэтиленом алюминия, магния и их сплавов, так как приэтом происходят нежелательные реакции, сопровождающиеся выделением большого количестватеплоты, что приводит к разложению реактива с образованием ядовитых соединений.Обработку трихлорэтиленом ведут в жидкой или паровой фазе. Если обезжириваниепроводят в жидкой фазе, то детали следует обрабатывать последовательно вдвух-трех ваннах с растворителем, нагретым до 60—70 С. Может быть примененоструйное обезжиривание. Продолжительность очистки деталей составляет 3— 10 мин.
В состав щелочного обезжиривающего водного растворадолжны входить вещества, способные нейтрализовать жирные кислоты и омылятьрастительные и животные жиры и масла, а также эмульгаторы, способные уменьшатьвеличину свободной межфазной энергии на границе масла с обезжиривающимраствором и масла с поверхностью детали. Вещества, входящие в обезжиривающийраствор, не должны вызывать коррозию металла и должны легко удаляться припромывке водой. В большей степени этим требованиям соответствуют силикаты ифосфаты щелочных металлов, в меньшей — едкий и углекислый натрий (калий).Раствор Na3PO4 способствует уменьшению жесткости воды и легче удаляется водой споверхности изделий при их промывке, растворы силикатов — труднее. Хуже всегосмываются растворы Na2CO3 и NaOH.
Концентрация компонентов этих растворов должнаобеспечивать оптимальную эффективность их эмульгирующего действия. Почти вовсех растворах обезжиривания в качестве эмульгатора рекомендуется использоватьсиликаты щелочных металлов, которые при гидролизе образуют H2SiO3 в коллоидномсостоянии, которая нерастворима. Ее способность диспергировать твердые веществаулучшает качество очистки поверхностей и предотвращает повторное осаждениезагрязнений на поверхность деталей. Присутствие силиката в растворепрепятствует разъеданию щелочами алюминия, цинка, стали и меди, а такжепотускнению и коррозии этих металлов между процессами обезжиривания ипоследующими операциями [3, С.66].
Травление проводят с целью удаления с поверхности деталейокалины, ржавчины или окисных пленок, образовавшихся под влиянием окружающейсреды, механической, термической, химической обработки. Травлению подвергаютдетали, прошедшие процесс обезжиривания.
Процесс травления черных металлов проводят в основном врастворах минеральных кислот HC1, H2SO4 или их смесей. Установлено, что НС1снимает окислы с поверхности преимущественно за счет их растворения, в то времякак H2SO4 за счет подтравливания металла и механического удаления разрыхленногослоя окислов выделяющимся водородом. В 10 %-ной H2 SO4 железо растворяется в 70раз быстрее окислов, тогда как в 10 %-ной НС1 только в 10 раз. Скоростьрастворения в НС1 преимущественно возрастает с увеличением ее концентрации.
Скорость травления в H2SO4 в основном зависит оттемпературы. Так, например, скорость травления стали в 3 %-ном растворе при 80°С в 10 раз больше, чем в 8 %-ном растворе при 20 °С. Повышение концентрацииH2SO4 в растворе до 25 % приводит к увеличению скорости растворения. Приодинаковой температуре травления в НС1 происходит меньшее наво-дороживание стали,чем в H2SO4. С целью уменьшения травления чистого металла и преимущественногоудаления окисного слоя, а также уменьшения вплоть до исключениянаводоро-живания в растворы травителей вводят ингибитооы. Для НС1 — ингибиторыПБ-5, БА-6, ПКУ, КПИ, И-1-А, И-1-В, И-1-Е, катапин и др., для H2SO4 — БА-6,уротропин, катапин, ЧМ и др. Ингибиторами могут служить также NaCl, KJ, FeSO4.Наибольшей степенью защиты от перетравления обладают ингибиторы ПКУ-М иката-пины: 98—99,1 % в растворах H2SO4 и НС1 при 80—120 °С; БА-6 — 98 % в НС1;И-1-А и И-1-В — 94—96 % в растворах H2SO4 и НС1 при 80— 100 °С.
Максимальная степень защиты поверхности стали приприменении ингибитора ЧМ в H2SO4 составляет 48 %, а максимально допустимаятемпература 60 °С.
Степень защиты значительно определяет и степеньнаводороживания стали, так как водород выделяется лишь в случае травлениясамого металла, что резко подавляется действиями ингибиторов [7, С.102].
Активация обязательная операция предназначена дляудаления тончайших окисных пленок с поверхности деталей. Ее проводят междупроцессами обезжиривания и нанесения металлопокрытий. Лучше, когда в процессеактивации исключается промежуточная промывка. В этом случае необходимо, чтобы всостав ванны активации входили компоненты, перенос которых в ванну дляосаждения металлического покрытия не приводит к ухудшению процесса нанесенияметаллов, например, хромовая промывка (активация) перед хромированием.
Детали из углеродистой и хромоникелевой сталирекомендуется активировать в растворах № 1—3. Для деталей, прошедших цементациюи изготовленных из рессорно-пружинной стали, рекомендуется активация в растворе№ 4, причем через сутки после добавления уротропина.
Детали из цинкового сплава активируют в составе № 5.Медь, медные сплавы и медные покрытия перед серебрением и золочением вцианистых электролитах активируют в растворе № 7, а перед другими процессаминанесения — в растворах № 1—3, причем время можно увеличить. Никель, его сплавыи никелевые покрытия следует активировать в растворе № 1. При нанесениимногослойных покрытий никелевые покрытия перед хромированием активируют врастворе № 8. После обезводороживания цинковых и кадмиевых покрытий передхроматированием их рекомендуется активировать в растворе № 6. Ответственныедетали из алюминия и его сплавов перед анодным оксидированием и химическимоксидированием активируют в растворах N° 9, 10 (Таблица 8, Прилож.2).
2.3 Электрохимическая обработка
При электрохимическом обезжиривании так же как и прихимическом используются водные растворы, содержащие едкие щелочи, соду,фосфаты, силикаты натрия и другие компоненты, но в меньшем количестве. Привыборе состава электролита следует учитывать его электропроводимость,эмульгирующую и смачивающую способность, а также воздействие на материалкатода.
Чем выше электропроводимость электролита, тем большееколичество электрического тока можно пропустить через него в единицу времени и,следовательно, применить большую плотность тока при том же направлении.Электропроводимость растворов солей уменьшается в ряду: едкий натр, силикатнатрия, сода, фосфаты. Эмульгирующая и смачивающая способность возрастает вряду: едкий натр, сода, фосфаты, силикаты.
При электрохимическом обезжиривании либо применяют вмалом количестве ПАВ с малой склонностью к пенообразованию, либо их неприменяют совсем. Образование большого количества пены может привести к взрывупри возникновении искры в случае накопления в пене гремучего газа. Во избежаниеэтого применяют пеногасители: А-154, ПМО200А и др.
Электрохимическое обезжиривание, несмотря на высокуюэффективность, применяют, в основном для очистки поверхности металла отнебольшого слоя жира. Если поверхность деталей имеет значительные жировыезагрязнения, ее предварительно обезжиривают химическим методом.
Процесс электрохимического обезжиривания можно вести и накатоде, и на аноде. При одинаковом количестве тока, проходящем черезэлектролит, на катоде выделяется в 2 раза больше газа, чем на аноде.Следовательно, катодное обезжиривание более эффективно. Вследствие наводороживаниядеталей при катодном обезжиривании часто обезжиривание проводят сначала накатоде, а затем на аноде, либо только на аноде.
При реверсивном способе ведения процесса очистки времяанодной обработки составляет обычно 1/5—1/15 времени катодной обработки. Рабочеенапряжение на ванне должно быть более 2,5—3 В (напряжение разложения воды вваннах обезжиривания); обычно применяют выпрямители с напряжением 6—12 В.Расстояние между электродами в целях экономии электроэнергии делаютминимальным, и обычно оно составляет 0,05—0,15 м. В качестве второго электродаможно применять: при анодном обезжиривании — сталь (катод), при катодном иреверсивном обезжиривании — коррозионно-стойкую сталь, никелированнуюуглеродистую сталь или предпочтительнее никелевые пластины. Имеются такжерекомендации по применению переменного тока для обезжиривания, что исключаетнаводороживание.
Электрохимический способ травления металлов значительноускоряет процесс очистки как за счет обильно выделяющегося на деталях газа, таки в результате химического и электрохимического растворения окислов и металла. Приподготовке поверхности перед нанесением гальванических покрытий наиболее широкоприменяют способы анодного травления.
Анодное травление желательно вести при высоких плотностяхтока, так как при низких происходит неравномерное травление и на поверхностиостается травильный шлам.
Катодное травление вследствие наводороживания применяютреже. Его используют в том случае, когда необходимо значительно сократитьнепроизводительные потери металла и расход кислоты [3, С.79-81].
Цель промывки — не только тщательно удалить с поверхностиизделий растворы и продукты от предыдущей операции, но и при экономном расходеводы обеспечить их минимальное попадание в сточные воды.
Наряду с экономным расходом воды важным показателемэффективности промывки является качество воды. Плохое ее качество и плохаясистема промывки могут оказывать существенное влияние на качество получаемыхпокрытий. Повышенное содержание кальция и магния может вызвать образованиепятен на поверхности покрытия.
По физико-химическим показателям чистую воду нужнооценивать в зависимости от влияния вредных примесей, содержащихся в ней, нарежим электролиза, а также на вид и структуру покрытия.
Для промывки защитных покрытий, к которым непредъявляются повышенные требования, может применяться техническая вода. Остальныефизико-химические показатели технической воды не должны быть выше ПДК вредныхвеществ в водоемах санитарно-бытового использования. Вода из городскоговодопровода (общая жесткость 6 мг-экв/л) должна применяться для промывкизащитных покрытий, к которым предъявляются повышенные требования, а также длябольшинства защитно-декоративных покрытий.
При нанесении защитно-декоративных покрытий, к которымпредъявляются повышенные требования (для точных приборов, медицинскогоинструмента, ювелирных изделий и пр.), промывку деталей следует проводить вконденсате, дистиллированной или деминерализованной воде с предельнойжесткостью 1,5 мг-экв/л и общим содержанием соли до 80 мг/л. Вода того жекачества должна использоваться для приготовления растворов электролитов,заполнения ванн улавливания и для промывки деталей перед нанесением и сушкойпокрытий.
Существует две схемы промывки деталей: одноступенчатая —промывка в одной ванне с проточной водой (рис. 1), многоступенчатая — промывкав нескольких последовательно установленных ваннах (ступенях) с проточной водой(рис. 2).
/>
Рис. 1. Одноступенчатая схема промывки: 1 — технологическаяванна; 2 — ванна промывки
Многоступенчатая схема промывки подразделяется напрямоточную и противоточную (каскадную: двух- и трехступенчатую). Каждая из схемпромывки может дополняться ванной улавливания. При конечных промывных операцияхрассматриваемые схемы могут включать струйные промывки.
/>
Рис. 2 Многоступенчатая схема промывки: а — прямоточная;б — противоточная (каскадная); 1 — технологическая ванна; 2, 3 — ванны промывки
В гальваническом производстве различают три видапромывки: холодную (температура не нормируется); теплую (при 40—50 СС) и горячую(при 70— 90 °С). Существует несколько методов промывки: погружной —осуществляется в ваннах с непроточной водой (т. е. в ваннах улавливания) и вваннах с проточной водой; струйный — осуществляется кратковременная промывкадеталей (например, после пассивирования) простой конфигурации (линейки,ли-етовые изделия, плоские детали), а также смыв с деталей вязких растворов;этот метод экономичнее, чем погружением; комбинированный (погружной и струйный)— применяется для промывки деталей сложной конфигурации и смыва с деталейвязких растворов. Сначала детали поступают в ванну, заполненную водой, а затемпосле извлечения из ванны промываются направленными струями воды из душирующихсеток или из отверстий в горизонтальных трубках, расположенных в верхней частиванны промывки.
Наиболее эффективно процесс промывки происходит приперемешивании воды в промывных ваннах. Перемешивать воду можно вручную; подачейбольшого количества воды; механизмами и насосами, перемешивающими воду;механическим движением подвески с деталями в ванне промывки; ультразвуковойвибрацией; сжатым воздухом. Наиболее экономичным и простым способом являетсяперемешивание воды сжатым воздухом, очищенным от масла. Воздух подается внижнюю часть ванны по трубчатой распределительной системе. Расход воздухапринимается равным 0,2 л/мин на 1 л объема воды в ванне промывки.
Расход воды (л/ч) для любой схемы промывки
/> (2.1)
где q — удельный вынос электролита (раствора) из ванныповерхностью деталей, л/м2;
N — число ступеней (ванн) промывки;
К0 — критерий окончательной промывки деталей;
F — промываемая поверхность деталей, м2/ч [1, С.79].
В последнее время появились более рациональные способыпромывки. Так, фирма Шерринг АГ предложила метод ВАКУ-ДЖЕТ, заключающийся вотсасывании из барабанов с помощью вакуума до 60 % неразбавленного электролитаи возвращении его в рабочую ванну; при этом применяют барабаны и промывныеванны специальной конструкции. Последующая промывка производится сначала струйнымметодом в этой же ванне, а также при необходимости дополнительно вдвухступенчатой каскадной ванне (рис. 11). Метод позволяет значительно сократитьпотери растворов, промывной воды и расходы на очистку стоков. Фирмой предложенеще метод струйно-периодической промывки, позволяющей также снизить расходпромывной воды.
3. Оборудование для гальванических операций
Стационарные ванны, или ванны ручного обслуживания,изготовляют из листовой стали; в качестве защиты стальных стенок отагрессивного воздействия электролитов применяют футеровку материалами,указанными в табл. 9, Прилож.3.
Размер ванны устанавливают, исходя из габаритовпокрываемых деталей, требуемой производительности и возможности обслуживаниярабочим. Устройство типовой ванны для нанесения гальванических покрытийпредставлено на рис. 3. С целью интенсификации процессов и повышения качествапокрытий ванны оборудуются насосами и фильтрами для непрерывной фильтрацииэлектролитов, нагревателями, барботерами для перемешивания электролита сжатым воздухом-,механизмом для покачивания катодных штанг и бортовыми вентиляционными отсосамидля удаления вредных выделений.
Некоторые типы ванн снабжаются крышками и обшиваютсяпанелями (кожухами), которые прикрывают систему труб, подводящих к ваннам пар,воздух, воду.
/>
Рис. 3. Гальваническая ванна с нагревателем-змеевиком: 1— корпус ванны; 2 — футеровка; 3 — змеевик для горячей воды; 4 — барботер
Покрытие мелких деталей целесообразно производить вовращающихся ваннах колокольного или барабанного типа. Колокольные ванныналивного типа удобны при покрытии небольших партий мелких деталей. Деталипомещаются в колоколе и при его вращении перекатываются, касаясь контактов,закрепленных в днище колокола. Анод вводится в электролит через открытую частьколокола. Более производительными являются колокольные ванны погружного типа(Рис. 4). В этих ваннах площадь поверхности анодов настолько велика, чтообеспечивает стабильность состава электролита, активное состояние аноднойповерхности и, следовательно, возможность пропускания значительного тока, что,в свою очередь, позволяет вести процесс покрытия при достаточно большойкатодной плотности тока.
/>
Рис. 4 Колокольная ванна погружного типа
Для гальванического покрытия малых партий мелких деталейудобно применять переносные барабаны, которые завешиваются на катодную штангустационарной ванны вместе с подвесками других деталей. Вращение барабанаосуществляется с помощью двигателя постоянного тока, питаемого от источникатока гальванической ванны.
Полуавтоматические линии представляют собой комплектванн, состоящий из ванн для подготовительных операций, ванн промывок игальванических ванн, расположенных в соответствии с последовательностью технологическихопераций. Перемещение подвесок с деталями или барабанов производится с помощьютельфера или других механизмов, управляемых вручную. Регулирование всехпараметров гальванического процесса, включая и время выдержки, осуществляетсянепосредственно рабочим.
В автоматических линиях все операции гальваническогопроцесса выполняются по данным режимам с помощью исполнительных механизмов(автооператоров, кареток, траверсов).
В цехах с крупносерийным производством применяютавтоматические линии с жестким единичным циклом. Характерными для этого типалиний являются автоматические кареточные овальные линии, выпускаемые Тамбовскиммеханическим заводом, которые состоят из ряда ванн, установленных по овалу в порядкевыполнения операций технологического процесса. Вертикальное перемещение каретокпроизводится общей подъемной рамой, горизонтальное — толкающими штангамимеханизма перемещения. Привод линии — гидравлический. Линии оснащеныустройствами автоматического регулирования температуры, фильтрацииэлектролитов, очистки зеркала раствора и т. п. Ванны, в которых в процессеработы образуются вредные выделения, снабжены вентиляционными кожухами.
Основные данные линий
Производительность линий, м2/ч — 80
Темп выхода подвесок, мин. — 1—2,5
Расстояние между анодными штангами, мм:
для линий с двумя катодными рядами — 450
— // — с одним катодным рядом — 600
Длина линий, м — 10—24
В условиях мелкосерийного производства при относительномалой производительности по отдельным видам покрытия более эффективныавтооператорные многопроцессные линии с программным управлением, осуществляемымкомандоаппаратом или управляющими вычислительными машинами (ЭВМ).Командоаппарат может управлять только движением автооператоров, переносящихштангу с подвесками или барабан из ванны в ванну, тогда как ЭВМ могут выполнятьсамые разнообразные функции, в том числе управление автооператорами, режимамиработы ванн (температурой, дозированием компонентов, поддержанием уровня и т.п.), а также находить оптимальные решения по загрузке линий многопроцессноготипа.
В зависимости от грузоподъемности применяютсяавтооператоры: тельферные, которые перемещаются по монорельсовому пути,прикрепленному к перекрытию цеха; портальные, перемещающиеся по рельсам, закрепленнымк бортам ванн; консольные, перемещающиеся по направляющим, установленным сзадиванн.
Автооператорные линии производства Тамбовскогомеханического завода (бывш.) оснащены устройствами автоматическогорегулирования температуры, фильтрации электролитов, очистки зеркала раствора.Грузоподъемность автооператора — 4,45 Н. Производительность линий пригальванических покрытиях — до 30 м2/ч, при химическом — до 60 м2/ч.Загрузка и разгрузка производятся с одной стороны линии. Автоматические линии савтооператором консольного типа (АГ-24 и АГ-42) отличаются меньшейгрузоподъемностью автооператора и более мобильны при решении задач поавтоматизации цеха (участка) с большим числом видов покрытий.
Линии могут быть однорядными или двухрядными сзагрузкой—разгрузкой с одной стороны или с разных сторон. Возможны и овальныекомпоновки. Обработка деталей производится на подвесках, в барабанах или наподвесках и в барабанах одновременно. Пример компоновки линии показан на рис. 5[10, С.52-54].
С целью интенсификации работы линии механизмызагрузки—разгрузки выполнены двухпозиционными (с накопителем). Автооператорывсегда забирают детали со второй (наиболее удаленной от рабочего) позициимеханизма загрузки—разгрузки и устанавливают обработанные детали или свободные отних штанги для очередной загрузки на первую (ближайшую к рабочему) позицию.Перемещение штанги с первой позиции на вторую осуществляется транспортером смеханическим приводом.
/>
Рис. 5. Схема компоновки ванн автоматической линии: 1—стойка загрузки и разгрузки; 2 — сушило камерное; 3 — горячая промывка; 4 —холодная промывка; 5 — осветление и пассивирование в барабане; 6—пассивирование; 7 — холодная промывка; 8 — осветление; 9 — электрообезжиривание;10 — электрообезжиривание в барабане; 11 — горячая промывка; 12 — холоднаяпромывка; 13 — сборник; 14— кадмирование в барабане; 15 — надмирование; 16 —сборник; 17, 18 — цинкование; 19 — холодная промывка; 20 — декапирование; 21 —автооператоры
Ванны, в которых растворы термостатируются, снабженыдатчиками контроля температуры и исполнительными устройствами. Промывочныеванны снабжены автоматической подачей сжатого воздуха в барботеры дляперемешивания воды при очередной загрузке ванн деталями. Для ваннэлектрохимического обезжиривания предусмотрена буферная емкость для очисткираствора от пены. В комплект унифицированных узлов входит передвижная установкадля фильтрации растворов через сменные фильтрующие элементы.
Максимальная производительность линии при обработкедеталей, м2/ч: на подвесках — до 30; в барабанах — до 60. Единовременнаязагрузка при обработке деталей: на подвесках — до 2 м2; в барабанах — до 30 кг.
Выводы и предложения
На основании проделанной работы можно сделать следующие выводы:
1) Применение металлических (гальванических) покрытийявляется одним из наиболее распространенных методов защиты изделий от коррозиив машиностроении и приборостроении. Качество металлических покрытий во многомопределяет качество изделий, их долговечность, работоспособность и надежность вэксплуатации. Гальванические покрытия служат не только средством защиты откоррозии, но также и способом повышения износостойкости деталей,электропроводности и других важных свойств поверхности. Гальванические процессыосуществляются в цехах защитных покрытий, в которых трудятся десятки тысячрабочих, техников и инженеров. Повышение технического уровня цехов защитныхпокрытий, внедрение современных технологических процессов и средствавтоматизации будут способствовать повышению эффективности трудагальванотехников и значительному увеличению производительности труда.
2) Гальванические покрытия разделяют по назначению на тригруппы:
— защитные, применяемые для защиты деталей от коррозии вразличных средах;
— защитно-декоративные, используемые в машиностроении длядекоративной отделки деталей и защиты их от коррозии;
— специальные, применяемые для повышения износостойкостидеталей машин и других целей.
3) Для подготовки поверхностей перед нанесениемгальванических покрытий применяются различные способы:
Шлифование применяют для устранения царапин, забоин,рисок и других дефектов на поверхности деталей, а также для получения гладкой ировной поверхности перед нанесением на нее защитно-декоративных покрытий.
Галтовка это разновидность шлифования и полирования, заключающийсяв очистке и отделке поверхности мелких деталей насыпью для снятия заусенцев,окалины, неровностей и уменьшения шероховатости поверхности.
Химическое обезжиривание поверхности деталей переднанесением гальванопокрытий, как правило, предшествует электрохимическому обезжириванию;в основном его применяют при наличии на деталях толстой жировой пленки.Химический способ удаления жиров основывается на взаимодействии с нимиорганических растворителей или растворов щелочей, приводящих к их растворению,омылению или образованию эмульсий
Активация обязательная операция предназначена дляудаления тончайших окисных пленок с поверхности деталей. Ее проводят междупроцессами обезжиривания и нанесения металлопокрытий.
Электрохимический способ травления металлов значительноускоряет процесс очистки как за счет обильно выделяющегося на деталях газа, таки в результате химического и электрохимического растворения окислов и металла.
Цель промывки — не только тщательно удалить с поверхностиизделий растворы и продукты от предыдущей операции, но и при экономном расходеводы обеспечить их минимальное попадание в сточные воды.
4) Для проведения процесса подготовки изделий к покрытиюприменяют в основном стационарные ванны. Обезжиривание изделий химическим иэлектрохимическим путем проводят в сварных прямоугольных ваннах, изготовленныхиз 3—5 мм листовой стали. Объем ванн зависит от размеров и количестваобрабатываемых изделий и колеблется в пределах от 200 до 800 л. Ванны для обезжириванияв большинстве случаев снабжены подогревом и имеют специальные вентиляционныеустройства, чаще всего выполненные в виде бортовых отсосов. Ванны для нанесениягальванических покрытий применяются в основном из железа и в случаенеобходимости выкладываются изнутри различными изоляционными материалами. Длящелочных и цианистых электролитов не требуется специальной обкладки ваннизнутри. Однако во всех случаях применение ванн, выложенных изнутри изолирующимиматериалами, имеет свои преимущества. Такие ванны не допускают утечки токачерез корпус, на них не осаждается металл в процессе электролиза и не создаютсядополнительные препятствия для равномерного распределения тока. Для кислых электролитовприменяются железные ванны, выложенные изнутри различными стойкими материалами.B настоящее время широкое применение получили так называемые колокольные ванны,оказавшиеся наиболее экономичными в расходовании электролита и вместе с темобеспечивающие сравнительно быстрое отложение нужного слоя покрытия на изделиях.
5) Увеличение мощностей действующих гальванических цеховв настоящее время осуществляется в результате механизации и автоматизацииручных и трудоемких процессов, замены ручного и механического полированияэлектролитическим, внедрения блестящих покрытий, не требующих дополнительногополирования, и всемерной интенсификации процесса электролитического осажденияметалла.
Последний вопрос заслуживает особого внимания, так как ондает возможность значительно увеличить производительность гальванических цеховво многих случаях без больших материальных затрат, главным образом за счетвнедрения быстродействующих электролитов. К тому же нередко, помимоинтенсификации процесса электролитического выделения металла из такогоэлектролита, удается получить блестящие металлические осадки, в результате чегоможет быть полностью или частично заменена последующая механическая обработкагальванического покрытия. Поэтому интенсификация гальванических процессов засчет применения быстродействующих электролитов должна находить все болееширокое применение.
Библиографический список
1. Блащук Е.Ф. Гальванотехника. – Х.: Машиц, 1999. – 240 с.
2. Вячеславов П.М. Электролитическое осаждение сплавов. – Л.:Машиностроение, 1999. – 112 с.
3. Гальванические покрытия в машиностроение. Т 1./ Под ред. М.А. Шлугера. –М.: Машиностроение, 2000. – 240 с.
4. Гинберг А.М. Гальванотехника. – Л.: Машиностроение, 1999. – 188 с.
5. Достижения в технологии нанесения металлических покрытийэлектролитическим способом / Под ред. А.А. Герасименко. – М.: ГосИНТИ, 1999. –64 с.
6. Кудрявцев Н.Т. Электролитические покрытия металлами. – М.: Химия, 2001.– 352 с.
7. Лобанов С. А. Практические советы гальванику.- Спб.: Питер,Машиностроение, 2001. – 257 с.
8. Михайлов А. А. Обработка деталей с гальваническими покрытиями. — М.:Машиностроение, 2002. — 144 с.
9. Порошковая гальванотехника / Под Ред. И.Н. Бородина. — М.:Машиностроение, 2000.- 240 с.
10. Ямпольский А.М., Ильин В.А. Краткий справочник гальванотехники. – Л.:Машиностроение, 2000. – 269 с.
Приложение 1
Таблица 1
Способ нанесения покрытий
/>
Таблица 2
Наименование материала покрытий и их обозначение
/>
/>
Таблица 3
Признаки покрытий, характеризующие их физико-механическиесвойства
/>
Таблица 4
Ряды толщин покрытий
/>
Таблица 5
Дополнительная обработка покрытий
/>
Таблица 6
Условные обозначения покрытий
/>
Таблица 7
Характеристики применяемых щеток
/>
Таблица 8
Составы растворов (г/л) и режимы для химической активации
/>
Таблица 9
Материалы, рекомендуемые для футеровки ванн
/>