СОДЕРЖАНИЕ
TOC o «1-3» h z СОДЕРЖАНИЕ… PAGEREF _Toc499278531 h 5
1 ВВЕДЕНИЕ… PAGEREF _Toc499278532 h 7
2 ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕК ПРОЕКТУ. PAGEREF _Toc499278533 h 9
2.1 Годовая программа. PAGEREF _Toc499278534 h 9
2.2 Характеристика детали. PAGEREF _Toc499278535 h 10
3 ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯЧАСТЬ… PAGEREF _Toc499278536 h 11
3.1 Характеристика покрытия. PAGEREF _Toc499278537 h 11
3.2 Выбор и обоснование способа нанесенияпокрытия. PAGEREF _Toc499278538 h 14
3.3 Выбор и обоснование типа и составаэлектролита для нанесения покрытия PAGEREF _Toc499278539 h 17
3.4 Обоснование режимов процесса нанесенияцинкового покрытия PAGEREF_Toc499278540 h 22
3.5 Подготовительные операции. PAGEREF _Toc499278541 h 25
3.5.1 Обезжиривание. PAGEREF _Toc499278542 h 25
3.5.2 Активация. PAGEREF _Toc499278543 h 28
3.6 Заключительные операции. PAGEREF _Toc499278544 h 31
3.6.1 Пассивирование. PAGEREF _Toc499278545 h 31
3.6.2 Сушка. PAGEREF _Toc499278546 h 32
3.6.3 Промывка. PAGEREF _Toc499278547 h 33
3.7 Технологическая карта. PAGEREF _Toc499278548 h 36
3.8 Технологические инструкции по выполнениютехнологических процессов PAGEREF _Toc499278549 h 42
3.8.1 Сырьё и материалы… PAGEREF _Toc499278550 h 42
3.8.2 Приготовление и корректировка электролитов. PAGEREF _Toc499278551 h 43
3.8.3 Контроль качества покрытия. PAGEREF _Toc499278552 h 44
3.8.4 Дефекты и их устранение. PAGEREF _Toc499278553 h 46
3.8.5 Анализ электролитов. PAGEREF _Toc499278554 h 47
3.8.6 Обслуживание электролитов. PAGEREF _Toc499278555 h 50
3.9 Утилизация цинка из промывных вод и очисткасточных вод. PAGEREF _Toc499278556 h 52
4 РАСЧЁТНАЯ ЧАСТЬ… PAGEREF _Toc499278557 h 56
4.1 Выбор основного типа оборудования. PAGEREF _Toc499278558 h 56
4.2 Конструктивный расчёт основного оборудования. PAGEREF _Toc499278559 h 57
4.3 Электрический расчёт электрохимических ванн. PAGEREF _Toc499278560 h 63
4.4 Тепловой расчёт. PAGEREF _Toc499278561 h 66
4.4.1.Тепловой расчет нагревающихся ванн. PAGEREF _Toc499278562 h 66
4.4.2 Расчёт змеевика.PAGEREF _Toc499278563 h 69
4.4.3 Укрупнённый тепловой расчёт ванн. PAGEREF _Toc499278564 h 71
4.5 Материальные расчёты… PAGEREF _Toc499278565 h 72
4.5.1 Расчёт расхода воды на промывку. PAGEREF _Toc499278566 h 72
4.5.2 Расчёт расхода химикатов и анодов. PAGEREF _Toc499278567 h 73
4.6 Расчёт вытяжной вентиляции. PAGEREF _Toc499278568 h 77
5 Охрана труда итехника безопасности. PAGEREF _Toc499278569 h 79
6 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК. PAGEREF _Toc499278570 h 83
1 ВВЕДЕНИЕ
Коррозия металлов, то есть разрушение вследствиеэлектрохимического или химического воздействия среды, причиняет народномухозяйству огромный вред. Ежегодно из-за коррозии выбывает из строя свыше 35%всего вырабатываемого металла.
Для снижения потерь металла и предохранения изделийот коррозии наряду с использованием химически стойких материалов широкоприменяются различные виды защитных покрытий.
Помимо покрытий, предназначенных для защитыосновного металла от атмосферной коррозии, различают защитно-декоративныепокрытия, которые не только должны защищать металл от коррозии, но и сообщатьего поверхности красивый, часто блестящий вид на протяжении определённогопериода эксплуатации в атмосферных условиях.
Довольно широкое применение имеют износостойкиепокрытия, назначение которых сводится к повышению сопротивления трущихсяповерхностей механическому износу. Эти покрытия повышают срок службы трущихсяповерхностей, в частности, цилиндров двигателей внутреннего сгоранияавтомобилей и других двигателей.
Покрытия из металлов и сплавов сообщают поверхностиоптические, магнитные, антифрикционные и другие свойства. В последнее времяпокрытия из драгоценных металлов применяют всё в больших количествах вэлектронной промышленности – в производстве полупроводниковых приборов иразличного рода электрических контактов, когда наряду с химической стойкостьютребуется сообщить поверхности высокую электропроводность, низкое и постоянноепереходное электросопротивление и целый ряд других свойств.
Гальванические покрытия по механическим свойствам,чистоте, коррозионной стойкости и экономичности одни из самых лучших. Возможностьрегулировать толщину слоя изменением продолжительности процесса и плотноститока, возможность уменьшать количество цветных металлов, расходуемых напокрытие поверхности, делают этот метод довольно привлекательным.
Гальванические процессы осуществляются в цехахзащитных покрытий. Повышение технического уровня цехов защитных покрытий,внедрение современных технологических процессов и средств автоматизацииспособствует повышению эффективности труда и значительному увеличениюпроизводительности труда.
2 ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ К ПРОЕКТУ2.1 Годовая программа
На линию покрытия поступает деталь шурупс потайной головкой А5·40 выполненный в соответствии с ГОСТ 1145-70. Даннаядеталь изготовлена из низкоуглеродистой стали ст3. Эскиз детали изображён нарисунке 2.1.
Рисунок 2.1 — Эскиз детали шуруп А5·40
Годовая программа составляет 50000 м2 вгод.2.2 Характеристика детали
Деталь шуруп изготавливается из стального пруткадиаметром девять миллиметров на токарном станке путём удаления излишков металлапри помощи различных резцов.
Термообработке деталь не подвергается. Послеизготовления детали защищаются от коррозии путём нанесения консервационногомасла. В таком виде шурупы отправляются на склад, откуда далее подаются вгальванический цех на покрытие.
Масса одного шурупа А5·40 составляет 3,6 грамм.Габаритные размеры 8,5×8,5×40 мм.Площадь поверхности равна 0,002 м2.Шероховатость поверхности находится в пределах от Rz 40 до Rz 80 (см. рис. 2.1).
Шуруп предназначен для эксплуатации в климатическомрайоне УХЛ (по ГОСТ 15150-69). В данную комбинацию входят следующие типымакроклиматов: очень холодный (кроме Антарктиды), холодный, холодный умеренный,тёплый умеренный, тёплый сухой, мягкий тёплый сухой. Рабочая температуравоздуха при эксплуатации составляет от 40 до минус 60 °С.
Изделие изготавливается по третьей категории (поГОСТ 15150-69): для эксплуатации в закрытых помещениях с естественной вентиляциейбез искусственно регулируемых климатических условий, где колебания температурыи влажности воздуха и воздействие песка и пыли существенно меньше, чем наоткрытом воздухе, например, в металлических с теплоизоляцией, каменных,бетонных, деревянных помещениях.
3 ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ3.1 Характеристика покрытия
Цинк– металл светло-серого цвета, отличающийся хрупкостью и сравнительно малойтвёрдостью (50-60 единиц по Бринелю). Цинк обладает следующимифизико-химическими свойствами: плотность 7,2 г/см3, атомный вес 65,38; валентность 2; стандартныйпотенциал по отношению к нормальному водородному электроду составляет минус0,76 В; электрохимический эквивалент 1,22 г/А·ч; температура плавления 419 °С; при нагреве до 100 –150 °С цинк становится пластичным и может подвергаться прокатке и ковке,при 200 °С и выше цинк снова теряет пластичность и делается настолько хрупким, что его легкоможно превратить в порошок. В сухом воздухе цинк устойчив. Во влажном воздухе ипресной воде он покрывается белой плёнкой углекислых и окисных соединений,защищающих его от дальнейшего разрушения.
Вморской воде цинк обладает умеренной устойчивостью. Скорость коррозии цинка вводе при различных температурах связана с изменением свойств продуктов егокоррозии: при низких (20–40 °С) и высоких (выше 90 °С) температурахцинк покрывается плотными, прочно пристающими к нему продуктами коррозии,которые, однако, в определённом интервале температур (50–80 °С) становятсярыхлыми и легко отстают от поверхности.
Цинкбыстро разрушается кислотами и щелочами и легко реагирует с сероводородом исернистыми соединениями, поэтому в таких средах цинковые покрытия неприменимы.
Вкислотах цинк растворяется с выделением водорода. Примеси ртути и свинца свысоким значением перенапряжения водорода не оказывают существенного влияния наскорость растворения цинка, в то время как примеси меди, олова и другихэлектроположительных металлов, на которых перенапряжение водороданезначительно, повышают скорость растворения цинка в кислых средах.
Основнымиобластями применения цинковых покрытий являются: защита от коррозии деталеймашин, крепежа, стальных листов, проволоки и деталей ширпотреба, работающих внепомещений, в различных климатических районах, а также в закрытых помещениях сумеренной влажностью и в помещениях, загрязнённых газами и продуктами сгорания;защита изделий из чёрных металлов от коррозии в атмосфере, загрязнённымсернистым газом, и от коррозионного воздействия бензина и масла; защитаводопроводных труб, питательных резервуаров и предметов домашнего обихода изчёрных металлов, соприкасающихся с водой.
Широкоераспространение цинковых покрытий в гальванической практике для защиты откоррозии изделий из чёрного металла объясняется их высокими защитнымисвойствами. Потенциал цинка отрицательнее потенциала чёрных металлов (стали,железа, чугуна), т. е. цинк для указанных выше металлов является аноднымпокрытием и защищает их от коррозии электрохимически. Защитные свойства такихпокрытий сохраняются даже при малой толщине слоя, а также при наличии в нём порили обнажённых участков.
Важнуюроль играет также низкая стоимость цинка по сравнению со многими цветнымиметаллами.
Скоростьразрушения цинкового покрытия составляет примерно 1,0–1,5 мкм год для местности,характеризующейся наличием в атмосфере значительных количеств сернистого иуглекислого газов.
Значительноеуменьшение скорости разрушения цинковых покрытий достигается специальнойобработкой их в растворах солей хромовой кислоты, а также за счёт фосфатных иоксидных плёнок, образующихся в результате применения химических и электрохимическихвидов обработки цинкового покрытия.
Цветпокрытия (по ГОСТ 9.301-86) серебристо-белый или серебристо-серый с голубоватымоттенком. Допускаются незначительные радужные оттенки, если нет особыхтребований к декоративным свойствам покрытия. Детали с цинковым покрытием неявляются бракованными если:
1) матоваяповерхность после гидропескоструйной и металлпескоструйной очистки, галтования,травления;
2) потемнение илиослабление интенсивности цвета хроматного покрытия на деталях послетермообработки;
3) более тёмный илиболее светлый оттенок хроматного покрытия в отверстиях и пазах, на внутреннихповерхностях и вогнутых участках деталей сложной конфигурации, острых кромках,углах;
4) матовые полосывокруг отверстий;
5) единыемеханические повреждения хроматного покрытия не более 2% общей площади;
6) изменениеинтенсивности цвета или потемнения после прогрева с целью обезводороживания ипроверки прочности сцепления.
3.2 Выбор и обоснование способа нанесенияпокрытия
Практическое применение находят следующие способынанесения цинковых покрытий:
1) погружение изделийв расплавленный цинк (горячий способ);
2) метод термическойдиффузии;
3) металлизацияраспылением металлом из пульверизатора;
4) контактный методосаждения цинка;
5) электролитическийметод.
Горячий способ покрытия заключается втом, что изделия погружают в ванну с расплавленным металлом или же нагретуюповерхность деталей натирают расплавленным металлом.
Кнедостаткам этого способа следует отнести неравномерность толщины слоя и большойрасход металла. Этот способ непригоден для деталей со сложной формой и резьбой.
Диффузионный способ нанесения основанна диффузии в поверхностные слои деталей какого-либо металла при высокой температуре.Диффузионные покрытия наносят при нагреве деталей в твёрдой (порошкообразной),жидкой или газообразной фазе металла.
Способ металлизации распылением заключается внанесении на поверхность деталей слоя металла распылением расплавленногометалла.
Способ контактного осаждения осуществляетсябез применения внешнего источника тока, за счёт вытеснения менее благороднымиметаллами более благородных из растворов их солей. Толщина таких покрытий, какправило, невелика и защитные свойства их невысоки.
Электролитический метод цинкования. Хотя цинк в рядунапряжений стоит немного левее водорода (Е°= –0,76 В), однако осаждениеего не встречает затруднений, что объясняется высоким значением перенапряжениявыделения водорода на цинке. Благодаря этому в обычных условиях электролизаводород на катоде выделяется в незначительных количествах, и ток в основномрасходуется на осаждение цинка.
Основнымипреимуществами электролитического метода цинкования являются:
1) высокая степеньчистоты электролитически осаждённого цинка, зависящая главным образом отчистоты анодов и химикатов, применяемых для составления ванн;
2) высокая химическаястойкость цинковых покрытий, полученных электролизом, обусловленная чистотойосадка;
3) малый расходцинка, обусловленный возможностью точного регулирования количества отлагаемогоцинка и толщины покрытия;
4) хорошиемеханические свойства покрытия (эластичность покрытия и хорошая сцепляемость сосновой).
Цинковые покрытия, полученные электролитическимспособом, отличаются также достаточно высокой стойкостью против коррозии вусловиях тропического климата.
Каквидно из вышенаписанного, электролитический метод нанесения цинкового покрытияявляется наиболее удовлетворяющим требованиям, которые предъявляются кпокрываемой детали.
Таккак на деталь необходимо нанести защитно-декоративное покрытие, то по ГОСТ 9.303-84минимальная толщина покрытия должна составлять 6 мкм, а максимальная 9 мкм.
Втаком случае будет наноситься цинковое покрытие Ц6.хр.бцв. со следующимисвойствами (по ГОСТ 9.303-84):
1) Цинковое покрытиеявляется анодным по отношению к стали ст3, и защищает её от коррозии дотемпературы 70 °С, при более высоких температурах – механически. Покрытиепредотвращает контактную коррозию стали ст3 при сопряжении с деталями изалюминия и его сплавов; обеспечиваетсвинчиваемость резьбовых деталей.
2) Для повышения коррозионнойстойкости цинковое покрытие хроматируют. Хроматирование одновременно улучшаетдекоративный вид покрытия. Хроматная плёнка механически непрочная.
3) Цинковоехроматированное покрытие теряет свой декоративный вид при условиипериодического механического воздействия (прикосновение инструмента, рук и т.д.)
4) Электрохимическоецинкование вызывает потерю пластичности стали в результате её наводораживания.Стали с пределом прочности более 1380 МПа(140 кгс/мм2) цинкованиюне подлежат.
5) Покрытие обладаетпрочным сцеплением с основным металлом, низким сопротивлением механическомуистиранию и повышенной хрупкостью при температуре выше 250 °С и ниже минус70 °С. покрытие обладает низкой химической стойкостью к воздействию продуктов,выделяющихся при старении органических материалов.
6) Микротвёрдостьпокрытия в среднем составляет 490–1180 МПа(50–120 кгс/мм2); удельноесопротивление при 18 °С составляет 5,75·10-8 Ом·м.
3.3 Выбор и обоснование типа и составаэлектролита для нанесения покрытия
Для цинкования применяют три типа электролитов:кислые, щелочные цианистые и щелочные нецианистые (цинкатные).
Во всех этих электролитах цинк находится в видедвухвалентных ионов.
Из кислыхэлектролитов цинк выделяется в результате разряда на катоде двухвалентныхионов цинка:
ZnSO4 = Zn2+ +SO42-, (3.1)
Zn2+ + 2e = Zn. (3.2)
На разряд ионов цинка расходуется почти весь ток,так как выделение водорода ничтожно мало. Убыль ионов цинка из растворов компенсируетсярастворением анодов. Последнее протекает без выделения кислорода.
Протекание указанных электродных процессов напрактике несколько нарушается из-за присутствия в электролите примесей, выделениекоторых наряду с выделением водорода несколько снижает катодный выход по току.
Кроме того, наряду с чисто электрохимическимрастворением анодов происходит частичное химическое растворение цинка благодаряприсутствию в растворе некоторого количества свободной кислоты.
Оба эти процесса – разряд посторонних катионов ихимическое растворение анодов – изменяют коэффициенты использования тока наэлектродах и требуют периодической корректировки электролита.
Рассеивающая способность кислых электролитов весьманизкая.
Сульфатный электролит содержит (г/л):
ZnSO4·7H2O……………………………..……………………..……..200-300
Al2(SO4)3·18H2O……………………………………………………..………30
Na2SO4·10H2O………………………..……….…….…………………50-100
Блескообразующаядобавка…………………….………………………1-5
Процесс ведётся при 18–25 °С и при рН=3,5–4,5.Плотность тока в перемешиваемых ваннах составляет от 2 до 10 А/дм2 и выше.
Сульфатные ванны, несмотря на целый ряд преимуществ(устойчивость в работе, высокий выход металла по току, отсутствие в составеэлектролита ядовитых веществ), применяются главным образом для цинкованияизделий простой конфигурации (листов, ленты, проволоки и т. п.)
Основным компонентом цианистых цинковых электролитов является комплексная соль Na2[Zn(CN)4]. Диссоциация этой солипроисходит по уравнению
Na2[Zn(CN)4] Û2Na+ + Zn(CN)42-. (3.3)
Таким образом, цинк в растворе находится в составеаниона.
Разряд на катоде требует значительной энергииактивации; этим объясняется высокая поляризация, сопровождающая осаждение цинкаиз цианистых электролитов, и мелкокристаллическая структура покрытий.
Осаждение цинка из растворов цианистого комплекса,содержащих избыток свободного цианида, протекает при потенциале минус 1,7 В. Поэтому, несмотря на высокоеводородное перенапряжение на цинке, выход по току цинка небольшой.
Потенциал осаждения цинка может быть снижен до минус1,4 В введением в раствор свободнойщёлочи. Одновременно снижается концентрация ионов водорода. Вход по токудостигает 95–99%.
Цианистое цинкование при плотностях тока до 5-6 А/дм2. Осадки цинкаполучаются плотными, весьма тонкокристаллическими, а электролит обладаетвысокой рассеивающей способностью.
Характерная особенность анодного процесса прицинковании в цианистых электролитах заключается в склонности цинковых анодов кпассивированию и, следовательно, к уменьшению концентрации цинковой соли вванне, что проявляется особенно заметно при недостатке в электролите свободногоцианида. Этим объясняется непостоянство состава цианистого электролита.
Другой причиной является то, что цинковые анодыподвержены химическому растворению в цианистом калии и щёлочи. Это приводит кнакапливанию цинка в электролите. Третья причина непостоянства составаэлектролита цианистых ванн – взаимодействие с углекислотой воздуха (по этойпричине нельзя применять перемешивание).
Состав цианистого электролита имеет такой вид (г/л):
ZnO……………………………………………………………………..…40-45
NaCN…………………………………………………………..………….80-85
NaOH………………………...…………………………………………...40-60
Электролиз ведут при 18–40 °С. Катоднаяплотность тока 1–4 А/дм2 ивыход по току 70–80%.
Основной недостаток цианистых электролитовзаключается в их токсичности (выделяющаяся синильная кислота – сильный яд), поэтомуони применяются в редких случаях.
Цинкатныеэлектролиты очень просты по составу. В основном они содержат цинк в видецинката и едкую щёлочь.
Выход металла по току в цинкатных электролитахблизок к 100% и мало меняется с изменением условий электролиза. Осадки,полученные из цинкатных электролитов, имеют крупнокристаллическую структуру иотличаются неравномерной толщиной слоя. Это связано с малой катоднойполяризацией.
Улучшение качества осадков, полученных из цинкатныхванн, достигается добавлением в электролит небольших количеств солей олова,свинца и ртути (это способствует растворению цинка).
2 Zn + Sn4+ ®2 Zn2+ + Sn. (3.4)
Рассеивающая способность цинкатных ваннв присутствии солей указанных металлов и при низкой плотности тока достаточно высока.
Примерный состав цинкатного электролита (г/л):
ZnO……………………………………………………………….……..…5-50
NaOH……………………………………………………...…….……...65-220
Na2SnO3……………………………………………………….....…….0,2-0,5
Процесс ведут при 50–70 °С. Катодная плотностьтока 0,5–4 А/дм2. выход потоку 96–98%.
Сравнение достоинств и недостатков для различныхтипов электролитов цинкования можно наглядно увидеть в таблице 3.1.
Исходя из общей суммарной оценки, можно сделатьвывод, что цинкатный электролит цинкования является самым пригодным для покрытиядетали шуруп А5·40.
Таблица3.1 – Сравнительная характеристика электролитов цинкования.
Свойства электролитов
Оценочная шкала
Высокоцианистые
Малоцианистые
Цинкатные
Кислые
Аммикатные
Положительные
Рассеивающая способность
Выход по току
Предельно допустимая концентрация
Способность крыть чугун
Неприхотливость в подготовке поверхности
Устойчивость к температуре
Лёгкость очистки
сумма
10
5
5
3
10
5
5
10
4
3
1
10
5
3
36
8
3
1
1
7
3
4
27
8
3