6. Меднение

Медь - розово-красный металл, плотность которого равна 8,96 г/см³, температура плавления - 1083 "С. Высокие электро- и теплопроводность, пластичность и коррозионная стойкость определяют области ее применения. Около 50% всей добываемой меди идет на нужды электротехнической промышленности. Более 30% меди применяется в виде медных сплавов.

Стандартный потенциал меди - +0,337 В, поэтому по отношению к стали она служит катодным покрытием. При наличии в Покрытии трещин и пор в атмосферных условиях или коррозионных средах медь становится активным катодом, образующим гальваническую пару, и способствует разрушению стальной основы. Поэтому медное покрытие не является защитой стали от коррозии, а выполняет специальные функции.

Меднение применяют при выпуске сварочной проволоки (ГОСТ 2246-76) для автоматической сварки с целью обеспечения хорошего электрического контакта; проволоки для изготовления рукавов высокого давления, бортовой, металлокорда для повышения адгезии стали к резине; проволоки с высокой электропроводностью и прочностью. Медное покрытие выполняет и технологические функции — служит подсмазочным слоем при волочении проволоки.

Медное покрытие наносят контактным, электролитическим и металлическим способами.

При контактном способе медное покрытие выполняет технологические функции и специального назначения не обеспечивает из-за своего качества.

Металлургический способ, обладая высокой производительностью, не обеспечивает высоких механических свойств, имеет низкие показатели электропроводности из-за растворения железа в меди и неравномерного распределения плакирующего слоя по сечению проволоки; способ характеризуется большими отходами и потерями меди в процессе производства.

Наиболее распространен электролитический способ нанесения медного покрытия на многониточных поточных установках. Покрытие наносят как на готовом размере, так и на передельной термообработанной заготовке. Выбор способа определяется требованиями к готовой проволоке.

Схема технолотческого процесса электролитического меднения следующая.

1. Электрохимическое обезжиривание постоянным током на аноде, катоде или биполярным способом.

2. Горячая и холодная промывка в воде.

3. Анодное электрохимическое травление в растворах химически чистой серной кислоты концентрацией 400-600 г/л при плотности тока до 30 А/дм².

4. Промывка в холодной проточной воде.

5. Электрохимическое декапирование на аноде щелочным способом в электролите, содержащем 20-35 г/л Na₂CO₃, 20-50 г/л NaOH, 10-20 г/л Na₃PO₄ Температура электролита - 40-60 °С, плотность тока - 10-30 А/дм2 при небольших скоростях движения проволоки и до 50 А/дм при высоких скоростях.

6. Промывка холодной проточной водой с применением механического обтира.

7. Электролитическое осаждение тонкого слоя меди толщиной 1— 5 мкм. Для этого применяют пирофосфатный электролит такого состава, кг/м : медный купорос CuSO₄ 5HiO - 30-35; пирофосфорнокислый натрий Na4P2O7 • 10//2О - 130-140; натрий фосфорнокислый двухзамещенный Na2HPO4·12НгО - 85--100; рН раствора - 8,5-9,5. Температуру электролита поддерживают в пределах 30-50 ⁰C, катодную плотность тока – 4-6 А/дм . При интенсивном перемешивании электролита катодная плотность тока может достигать 10-12 А/дм . Напряжение на ванне составляет 3-4 В.

Аноды применяют из чистой электролитной прокатанной меди марки Ml (ГОСТ 767-70).

Роль отдельных компонентов в пирофосфатном электролите сводится к следующему. Пирофосфатный натрий и медный купорос образуют комплексную соль по реакции

Na₄P₂O₇ + CuSO₄ = Na₂(CuP₂O₇) + Na₂SO₄

при диссоциации которой образуется пирофосфатный ион Cu(P₂O₇]^2- , содержащий медь. Натрий фосфорнокислый двухзамещенный используют в качестве буферной добавки, поддерживающий рН электролита в заданных пределах и предотвращающей пассивацию анодов. При пассивации прекращается растворение меди, раствор обедняется, на анодах начинает выделяться кислород. Это приводит к повышению напряжения на ванне, неравномерному распределению катодной плотности тока по отдельным нитям.

Корректировка электролита сводится к поддержанию рН в заданных пределах. При рН < 7 выделяется контактная медь, что недопустимо с точки зрения получения качественно плотного покрытия. При рН > 9,5 начинает происходить пассивация медных анодов. Для снижения рН в электролит добавляют разбавленную ортофосфорную кислоту, при низком рН -- каустическую соду.

8. Промывка в воде.

9. Электролитическое осаждение толстого слоя меди толщиной более 5 мкм. Применяют кислый электролит состава, кг/м³: CuSO₄ • 5H₂O - 200-300; H₂SO₄- 35-80 при катодной плотности тока 30-70 А/дм². Образующееся медное покрытие может достигать толщины 500 мкм. Электролит обычно, не подогревают при интенсивном перемешивании. Добавка серной кислоты предусмотрена для увеличения электропроводности электролита и предупреждения выделения гидрата закиси меди. Используют аноды из чистой катаной электролитной меди для предупреждения шламообразования и загрязнения электролита.

Для создания металлической связи медного покрытия со стальной основой наносят промежуточный никелевый подслой толщиной 2—3 мкм в электролите состава, кг/м : NiSO4 7Н2O -180-220; Н3ВО3, - 20--30; NaCl- 20-30 при плотности тока 2,5—3, 5 А/дм , рН=4,0—-4,7. После никелирования проволоку промывают проточной холодной водой.

10. Промывка и сушка.

В табл. 44 приведены ориентировочные нормы расхода материалов, используемых при нанесении защитных и специальных покрытий.

Таблица 44 Расход материалов при нанесении зашитых и специальных покрытий

Материал, ГОСТ	Технологическая операция	Норма расхода, кг/т
1	2	3
Цинк чушковый, ГОСТ 3640-79. В норме учтен расход 30- 40% на образование гартцинка	Горячее цинкование проволоки диаметром, мм:	Группа покрытия
		С	Ж
	0,15-0,18 0,20-0,26 0,28-0,38 0,40-0,55 0,60- 0,90 1,0-2,4 2,5-3,8 4,0-6,0	160 120 75 70 90 60 45 35	220 180 150 100 110 100 70 55
Цинк анодный, ГОСТ 1180-71	Гальваническое цинкование под термодиффузионную обработку при латунировании: а) под металлокорд б) под бортовую	7,5 10,0
Медь анодная , ГОСТ 767-70	Гальваническое меднение под термодиффузионную обработку при латунировании: а) под металлокорд б) под бортовую	13,0 25,0

Продолжение табл. 44

1	2	3
Свинец чушковый, ГОСТ 3778 74	На подушки ванн горячего цинкования	0,7
Олово марок МО О, MCO-I, ГОСТ 860-60	Горячее лужение проволоки: а) низкоуглеродистой 6) средне- и высокоуглеродистой	60 45
Натрий едкий технический, ГОСТ 2263-79	Агрегаты горячего цинкования	2,0
Сода кальцинированная сингтетическая, ГОСТ 5100-85		3,0
Трииатрий фосфат, ГОСТ 201-76		0,5
Стекло натриевое жидкое, ГОСТ 13078-67		0,5
Кислота соляная синтетическая, ТУ 6-01-193 80		20,0
Цинк хлористый технический, ГОСТ 7345-78		2,0
Известь негашенная		5,0
Шнур асбестовый, ГОСТ 1779-83		0,5
Kупорос цинковый ГОСТ 8723	Агрегат гальванического цинкования проволоки
Алюминий сернокислый техиичес кий, ГОСТ 3758-65		0,5
Натрий сернокис лый, ГОСТ 6318-68		0,5
Клслота борная, ГОСТ 2629-64		0,5
Песок кварцевый		2,0
Известь негашеная		5,0

Продолжение табл. 44

1	2	3
Кислота соляная синтетическая, ТУ 6-01-193-80	Агрегат горячего лужения проволоки	20,0
Натрий едкий технический, ГОСТ 2263 79		2,0
Сода кальциниро ванная синтетическая, ГОСТ 5100-85		3,0
Уголь древесный, ГОСТ 7657-84	Агрегаты горячего цинкования	10,0
Войлок технический, ГОСТ 288-72		0,05
Натрий едкий технический, ГОСТ 2263-79	Агрегаты гальванического цинкования проволоки	2,0
Сода кальциниро ванная синтетическая, ГОСТ 5100-85		3,0
Стекло натриевое жидкое, ГОСТ 13078 67		1,0
Тринатрий фосфат, ГОСТ 201-76		0,5
Кислота серная техническая, ГОСТ 2184-67		30,0
Кислота серная (химическая), ГОСТ 4204-66		0,4
Тринатрий фосфат, ГОСТ 201-76	Агрегаты горячего лужения проволоки	0,5
Стекло натриевое жидкое, ГОСТ 13078-67		0,5
Цинк хлористый технический, ГОСТ 7345-78		2,0

Окончание табл. 44

1	2	3
Войлок технический ГОСТ 288-72		1,0
Свинец, ГОСТ 3778-65		0,7
Натрий едкий технический, ГОСТ 2263-79	Агрегат контактного меднения сварочной проволоки	15,0
Сода кальцинированная синтетическая, ГОСТ 5100-85		5,0
Купорос медный, ГОСТ 2142-67		5,0
Кислота серная техническая, ГОСТ 2184-67		2,5

Упражнения

1. Составьте технологическую схему изготовления оцинкованной проволоки (заготовки):

1.1. Проволоки для сеток (ГОСТ 14964-79), термически необработанной диаметром 0,32 мм с группой покрытия С.

1.2. Проволоки по ГОСТ 3282-74 диаметром 1,0 мм, термически обработанной с покрытием 1-го класса.

1.3. Проволоки по ГОСТ 1526-81 диаметром 0,5 мм, оцинкованной по группе ОЖ.

Рассмотрите возможные варианты, обоснуйте свой выбор, составьте пооперационное описание выбранной технологической схемы.

2. Аналогичные вариантные технологические схемы составьте для изготовления проволоки луженой, алюминированной, медненной.

3. Сколько цветного металла нужно заказать для изготовления 100 т покрытой проволоки?

3.1. Проволоки оцинкованной диаметром 1,0 мм по ГОСТ 1526-81 с поверхностной плотностью по группе ОЖ (170 г/м²). Покрытие производится на термообработанной заготовке диаметром 2,4 мм под последующее волочение. Сколько цинка уйдет в отходы и потери?

Ответ. Нормируемая толщина покрытия на готовом размере составит

нормируемая масса покрытия на готовой проволоке

нормируемая поверхностная плотность цинка на заготовке

Действительная норма расхода цинка с учетом его отходов и потерь при горячем цинковании (гартцинк, изгарь, угар, некондиционная обрезь)

При последующем волочении термообработанной покрытой заготовки на готовый размер действительная норма расхода цинка увеличится за счет появления дополнительных отходов и потерь (цинковая стружка и некондиционная обрезь):

В заказанной партии (V_i- 100т) готовой оцинкованной проволоки на долю стальной основы приходится

на долю цинкового покрытия

Проверка:

Требуемое количество цинка для выполнения заданной программы с учетом всех его отходов и потерь

где A^ - норма расхода стальной заготовки (определяется расчетом).

Общие отходы и потери цинка в процессе производства составляют

3.2. Решить ту же задачу при нанесении покрытия на готовом размере.

Для выполнения заданной программы выпуска требуется заказать пинка

причем в отходы и потери уйдет

При нанесении покрытия на готовом размере уменьшаются норма расхода цинка и общее требуемое количество на выполнение заданной программы.

3.3. Решить задачу по п. 3.1 с применением покрытия "гальвалюм".

Примем на готовом размере ту же толщину покрытия из "гапьвалюма", что и при нанесении горячецинкового покрытия, //=23,8 мкм. Тогда нормируемая поверхностная плотность покрытия при у_/л = 3,68 г/см³

Нормируемая масса покрытия на готовой проволоке

Пусть при нанесении покрытия "гальвалюм" отходы и потери будут такими же, что и при горячем цинковании (хотя отходы в гартцинк, изгарь и угар будут существенно меньшими). Тогда действительная норма расхода "гальвалюма"

В заданной партии (V₁= !OO т) готовой проволоки с покрытием на долю стальной проволоки приходится

на долю покрытия "гальвалюм"

Проверка: V.= 95,51 4- 4,49 = 100 т.

Требуемое количество материала покрытия для выполнения заданной программы с учетом всех его отходов и потерь

причем для составления композиции расплава потребуется 4,87 т алюминия, 3,85 т цинка и 0,14 т кремния.

Таким образом, применение покрытия "гальвалюм" при одинаковой толщине покрытия и гораздо лучшей коррозионной стойкости позволило сэкономить 76% дорогостоящего дефицитного цинка.

4. Сравнить технико-экономические показатели изготовления проволоки по схемам пп. .3.1 и 3.2.

4.1. По расходу цинка покрытие проволоки на готовом размере экономичнее.

4.2. Производственные мощности при нанесении покрытия на заготовке. Выберем схему производственного процесса:

Пр, ПП₁, ГСВ, ТО + ПП₂ + МП, ТВ, С.

Теоретическая производительность термоцинковального агрегата составит, т/ч,

(156)

где d — диаметр передельной заготовки, мм; Vз-скорость прохождения заготовки через агрегат, м/мин; n — количество обрабатываемых ниток. Тогда

На выполнение заданной программы агрегату потребуется

где К= 1,18 -- расходный коэффициент.

Теоретическая производительность волочильного стана, т/ч,

(157)

где d— диаметр готовой проволоки, мм; V-- скорость волочения, м/мин. Тогда

Для выполнения программы потребуется

4.3. При нанесении покрытия на готовом размере выберем схему производственного процесса: Пр, ПП₁, ГСВ, (ТО + ПП1),

ТВ, МП, С. По сравнению с п. 4.2 для выполнения заданной программы потребуется отдельный агрегат металлопокрытий (МП) с составом оборудования: размоточное устройство, ванны - - для обезжиривания, промывки, декапирования, флюсования, цинкования, а также намоточный агрегат.

Производительность агрегата для цинкования

Q₁ = 3,67 • 10^-4 I² 45 24 = 0,4 т/ч, а для выполнения программы потребуется

Количество волочильных станов ТВ (станко-ч) практически остается без изменения.

Таким образом, при нанесении покрытия на передельную за готовку отпадает необходимость использования агрегата для металлопокрытий (энергоресурсы, вспомогательные материалы, трап снортные расходы, заработная плата и другие расходы)

4.4'. Возможно применение традиционной схемы, при котором металлопокрытие на заготовку наносится на отдельном агрегате по схеме: Пр, ПП_р ГСВ, (ТО + ПП)², МП, ТВ, С. При такой технологической схеме наносить металлопокрытие на заготовку экономически целесообразно за счет выигрыша в производительности агрегатов:

(158)

Упражнение проводят в виде деловой игры, что способствует более полному закреплению теоретических знаний и развитию навыков принятия конкретных самостоятельных решении при оценке вариантных производственных ситуаций.

Лабораторная работа "Исследование электролитического нанесения покрытий (цинкование, меднение)".

Практические занятия. Разработка, технологических схем изготовления проволоки различного назначения с металлопокрытиями. Технико-экономическая оценка выбранных вариантов.

Контрольные вопросы

1. Назначение покрытий при изготовлении проволоки, материалы покрытий и способы их нанесения. Привести примеры.

2. Механизмы защитного действия металлопокрытий.

3. Назначение и содержание подготовки поверхности перед нанесением покрытий.

4. Сущность и способы обезжиривания, их отличительные особенности.

5. Особенности травления и Декапирования при подготовке поверхности перед металлопокрытием.

6. Сущность и назначение флюсования.

7. Из каких соображений определяют массу металлопокрытия?

8. Схемы горячего цинкования проволоки, их особенности и области применения.

9. Сущность и особенности нанесения цинкалюминиевых покрытий.

10. Технология и преимущества гальванического цинкования.

11. Дефекты горячеоцинкованных изделий, причины и способы предупреждения.

12. Назначение и способы лужения проволоки.

13. Технологические схемы горячего алюминирования, их особенности, преимущества и недостатки.

14. Способы изготовления сталеалюминиевой проволоки с толстым покрытием. Их характерные особенности, преимущества и недостатки.

15. Сущность и назначение меднения. Варианты технологических схем в зависимости от свойств и назначения готовой проволоки.

Вопросы для самостоятельной работы

1. Какова природа защитных и специальных свойств металлопокрытий?

2. Каково назначение легирующих добавок при нанесении различных покрытий?

3. Механизм электролитического способа нанесения металлопокрытий.

4. Для чего наносят цинковый подслой при изготовлении сталеалюминиевой проволоки?

Список литературы

1. Виткин А.И., Тейндл ИИ. Металлические покрытия листовой и полосовой стали. - М.: Металлургия, 1971. - С. 319.

2. Лгйнер В.И., Кудрявцев И.Т. Основы гальваностегии. - Изд. 3-е. Т. I. М.: Металлургиздат, 1953. - 624 с.

3. Грилихес С.Я. Обезжиривание, травление и полирование металлов. Изд. 4-е, перераб. и доп. Л.: Машиностроение, 1977. -- С. 112.

4. Повышение качества поверхности и плакирование металлов. Справоч. изд. // Пер. .с нем. / Под ред. А.Кнаушнера. -М.: Металлургия, 1984. - - С. 368.

5. Цинкование. Справоч. изд. / Проскуркин ЕВ, Попович В.А., Мороз А.Т. - М.: Металлургия, 1988. - С. 528.

6. Дефекты на горячеоцинкованных изделиях: Справ, изд. / Пер. с нем. / Под ред. Д.Хорстмапна. М.: Металлургия, 1983. - С. 32.

7. Недовизий И.П., Петрухин С.И., Комаров А.Г- Совмещение процессов производства проволоки. М.: Металлургия, 1979. -С. 224.

8. Производство метизов / Щахпазов Х.С., Недовизий И.Н., Ориничев В.И. и др. - М.: Металлургия, 1977. - С. 392.