Диплом Бурхонов ТЭП

Аннотация

Вкурсовом проекте - представлен участок гальванического цеха производительностью 60000м2. Предусмотрены процессы: хромирование стали — 30000 м2; цинкование стали — 30000 м2.

Втехнологической части для каждого процесса рассмотрены свойства

иприменения соответствующих покрытий, приведены составы электролитов и способы электролиза, из сравнительного анализа сделан выбор электролитов, который отвечает современным требованиям (получение качественных осадков, не токсичность, высокая производительность, относительная дешевизна и т.д.). Рассмотрена предварительная подготовка поверхности, промывка изделий, обработка покрытий.

Введение

Коррозия металлов, то есть разрушение вследствие электрохимического или химического воздействия среды, причиняет народному хозяйству огромный вред. Ежегодно из-за коррозии выбывает из строя свыше 35% всего вырабатываемого металла. Для снижения потерь металла и предохранения изделий от коррозии наряду с использованием химически стойких материалов широко применяются различные виды защитных покрытий.

Помимо покрытий, предназначенных для защиты основного металла от атмосферной коррозии, различают защитно-декоративные покрытия, которые не только должны защищать металл от коррозии, но и сообщать его поверхности красивый, часто блестящий вид на протяжении определённого периода эксплуатации в атмосферных условиях. Довольно широкое применение имеют износостойкие покрытия, назначение которых сводится к повышению сопротивления трущихся поверхностей механическому износу. Эти покрытия повышают срок службы трущихся поверхностей, в частности, цилиндров двигателей внутреннего сгорания автомобилей и других двигателей. Покрытия из металлов и сплавов сообщают поверхности оптические, магнитные, антифрикционные и другие свойства.

Гальванические покрытия по механическим свойствам, чистоте, коррозионной стойкости и экономичности одни из самых лучших. Возможность регулировать толщину слоя изменением продолжительности процесса и плотности тока, возможность уменьшать количество цветных металлов, расходуемых на покрытие поверхности, делают этот метод довольно привлекательным.

1

Линия хромирования.

1.Теоретическая часть

1.1.Механическая подготовка поверхности

Существует несколько способов механической подготовки поверхности перед формированием конверсионных и металлопокрытий. Выбор способа зависит от состояния поверхности деталей, поступающих на покрытие, от требований, предъявляемых к внешнему виду деталей, а также от их размеров.

1.2. Метало-пескоструйная и гидроабразивная обработка

Пескоструйная обработка - операция очистки поверхности деталей струёй песка (или другого материала), подаваемого с большой скоростью на обрабатываемую поверхность при помощи сжатого воздуха, пескометного аппарата или жидкости.

Может применяться для удаления окислов, окалины, старых покрытий и в ряде случаев, когда другие способы очистки не могут быть использованы (подготовка больших поверхностей листового материала, стальных конструкций и др.).

Абразивный материал (металлический песок, чугунные опилки и др.) ударяясь с большой силой о поверхность деталей, очищает её от всех загрязнений и придаёт ей равномерную шероховатость. После очистки поверхность деталей становится матовой, покрывается большим количеством кратеров [1,2,5].

1.3. Химическая подготовка поверхности

Обезжириванием называется процесс удаления жировых загрязнений с поверхности деталей.

Электрохимическое обезжиривание. Удаление остатков жировых и других загрязнений осуществляется путём электрохимического обезжиривания. При этом значительно ускоряется процесс и достигается большая полнота удаления жировых загрязнений.

Электрическое поле двойного слоя оказывает сильное воздействие на прилипание масла к поверхности металла. При увеличении катодной поляризации возрастает смачиваемость металла электролитом. Капля масла при этом выталкивается с поверхности раздела. Выделяющиеся пузырьки водорода прилипают к капле масла и способствуют их отрыву и выносу на поверхность обезжиривающего раствора.

При электрохимическом обезжиривании используются несколько менее концентрированные растворы, чем при химическом. Поверхностноактивные вещества и эмульгаторы в растворы для электролитического

2

обезжиривания не вводят, т.к. они частично переносятся в растворы и снижают их качество. Помимо того, их присутствие способствует образованию и стабилизации пены на поверхности раствора, содержащей водород и кислород. Случайное возникновение искры при разрыве контакта между подвеской и штангой для подвода тока может вызвать взрыв, в результате которого произойдёт выброс обезжиривающего раствора.

Детали из цветных и лёгких металлов обезжиривают при плотности тока 2- 10 А/дм2.

Травление обычно следует за обезжириванием и производится с целью удаления с поверхности металла толстых слоёв окислов. Состав травильных растворов и длительность травления выбирают в зависимости от природы металла и характера образовавшихся на металле окисных плёнок. Травление стали и чугуна может производиться в растворах серной или соляной кислот, иногда применяются растворы их смесей. Действие этих кислот по своему характеру различно. Соляная кислота растворяет преимущественно окислы железа, а серная - почти исключительно железо. Поэтому при разработке состава травильных растворов учитывают не только интенсивность растворения оксидных плёнок, но и интенсивность взаимодействия с металлом. При растворении окислов водород не выделяется, тогда как при растворении металла выделяется атомарный водород. Большая часть его образует молекулы и выделяется из раствора, часть же проникает в кристаллическую решётку стали, деформируя её, вызывая изменение физико-механических свойств; уменьшается упругость стали, повышается её хрупкость. Обычно окисные плёнки неравномерны по толщине. Поэтому в процессе травления некоторые участки поверхности металла могут уже обнажиться, в то время как на других участках ещё сохраняется плёнка. На обнажённых участках далее происходит растворение металла, в результате чего поверхность может стать перетравленной - шероховатой, с изъязвлениями. Шероховатость и изъязвления тем больше, чем больше гетерогенность металла (например, стали, алюминиевые сплавы), чем больше разность потенциалов между структурными составляющими металла и меньше перенапряжение водорода на поверхности фазы, выполняющей роль катода.

В идеальном случае травильный раствор должен интенсивно растворять плёнки, совершенно не взаимодействуя с самим металлом. Особенно это важно для деталей, размеры которых должны укладываться в рамки жёстких допусков, или при предъявлении жёстких требований к чистоте обработки поверхности.

3

Таблица 1

Составы растворов для химического и электрохимического травления сталей и чугунов

После травления на поверхности деталей остаётся тёмный налёт из нерастворимых в едком натрии составляющих алюминиевого сплава (медь, марганец, железо и т.д.). Удаление этого налёта - осветление поверхности - производят в 20-40 % растворе азотной кислоты. Концентрация кислоты

должна быть не ниже указанной во избежание растра вливания алюминия. Вместо азотной кислоты для осветления применяют также раствор, содержащий 100 г/л хромового ангидрида и 10 мл/л серной кислоты (у —

1,84).

4

Для осветления литейных сплавов, содержащих кремний, к раствору азотной кислоты добавляют фтористоводородную кислоту так, чтобы концентрация последней в растворе составила 5-10 %. Осветление производят при комнатной температуре.

1.4. Активация

Активация— это процесс удаления тонкой плёнки окислов, образующихся на уже подготовленной к покрытию поверхности металла, является заключительной операцией подготовки изделия. Обычно длительность процесса составляет 0,5-2,0 минуты. Благодаря лёгкому протравливанию металлической поверхности обеспечивается выявление кристаллической структуры металла.

Активацию стальных деталей производят в 3-10 % растворе серной или соляной кислоты, для медных, латунных и бронзовых деталей - в 3-5 % растворе цианистого калия или 5-10 % растворе серной кислоты, для деталей из алюминия и его сплавов - в 3-5 % растворе соляной кислоты.

После активации детали быстро промывают и переносят в ванну. Промывка после активации в цианистых электролитах требует особенной тщательности, т.к. при взаимодействии цианистых солей с кислотами образуется выделяющийся из раствора газообразный очень токсичный цианистый водород.

1.5. Промывка

После каждой операции подготовки и нанесения покрытий детали должны тщательно промываться. В результате промывки в ванну для последующей основной операции не должны заноситься вещества из ванны, где выполнялась предыдущая операция. Особое внимание следует уделять тому, чтобы в гальванические ванны не попадало даже следов обезжиривающих, травильных и активационных растворов. Попадающие загрязнения могут стать причиной ухудшения сцепления покрытий с основой, появления пятен и других нарушений нормальной работы электролита. Вода, подаваемая в гальванический цех из городского водопровода для всех операций промывки (и для приготовления и корректировки электролитов) должна соответствовать ГОСТ 2874-73. Вода должна быть как можно меньшей жёсткости, обессоленную воду получают дистилляцией или обработкой ионитами, её необходимо часто менять. Рекомендуется применение проточной воды, которая должна подаваться снизу и сливаться из верхней части промывочного бака или ванны.

5

Температура холодной воды, поступающей на промывку, обычно не нормируется. Только перед никелированием температура промывной воды должна быть выше 15° С.

Температура воды для промывки после операций хроматирования, травления сплавов на основе алюминия, мания и титана, снятия травильного шлама, анодного оксидирования алюминия и после химического оксидирования чёрных металлов должна находиться в пределах 40-55 С.

При t= 60° С необходимо устройство теплоизоляции ванны и местной вентиляции. Для промывки после обезжиривания предпочтительнее применять воду при температуре 60-90° С. Температура промывной воды перед сушкой должна быть в пределах 75-90° С.

Скорость смены проточной воды 1-3 объёма в час. Промывку нужно производить в течение 1-3 минут, особенно после травления - для удаления из всех пор остатков кислоты и солей железа. Особое внимание следует уделять промывке литых деталей и чугуна.

Применяют одно-, двух-, и трёхступенчатую системы промывки. При двух- и трёхступенчатой системах применяют прямоточную или противоточнокаскадную промывку. Противоточная промывка экономичнее. Прямоточную систему применяют только перед наполнением оксидных плёнок и после кислых электролитов перед сушкой, а также для случаев, когда по технологическому процессу предусматривается подача воды с различной температурой нагрева в первую, вторую и третью ступени.

Качество промывки может быть улучшено перемешиванием воды сжатым воздухом, а также применением разбрызгивающих устройств в струйных установках.

Выбор системы промывки (числа ступней) определяют в зависимости от рабочего объёма ванны промывки, максимальной величины промываемой поверхности и величины критерия окончательной промывки [1,3,4].

3.4. Выбор способа подготовки поверхности изделии

Шлифование и полирование Шлифование — это операция, при которой режущими гранями

шлифовального материала снимается тонкий слой металла, преимущественно на участках микро выступов поверхности, сглаживается поверхность. Съем металла при этом составляет 0,01 - 0,03 мм, а при использовании крупнозернистого абразивного материала - 0,1 -0,2 мм.

В зависимости от состояния поверхности детали шлифование проводят в несколько стадий с постепенным уменьшением зерна абразива.

6

Так, шлифование эластичными абразивными кругами позволяет достигнуть шероховатости поверхности, соответствующей Ra= 1,60 - 1,10 мкм, а последующее полирование с помощью паст - Ra= 0,05 - 0,012 мкм.

Шлифование проводится с помощью твердых и эластичных кругов. Твердые круги применяют для грубой обработки с целью удаления толстого слоя термической окалины или продуктов коррозии. Эластичные круги, на поверхность которых наносится абразивный порошок различной зернистости, широко используют для сглаживания микрошероховатостей, удаления мелких рисок, раковин.

Шлифование можно проводить абразивными лентами. Это довольно эффективный метод обработки поверхности, обеспечивающий достаточно высокую чистоту поверхности. Основные преимущества способа: возможность шлифования фасонных поверхностей, хорошее «облегание» лентой контура детали, благодаря чему увеличивается режущая поверхность и предотвращается перегрев металла.

Абразивным шлифованием можно сгладить грубые неровности, шероховатости, но нельзя достигнуть блеска поверхности. Интенсивное сглаживание и декоративный блеск удается получить лишь с помощью полирования. Этот процесс выполняется с использованием специальных паст, наносимых на мягкие эластичные круги, и сопровождается небольшим съемом металла.

Сглаживание микро шероховатостей при полировании происходит не за счет срезания выступающих участков микрорельефа абразивными зернами, а за счет перераспределения металла по поверхности, втирания его на участках микровпадин. При этом большую роль играет не механическое воздействие обрабатывающего инструмента на металл, а химические и термохимические процессы, развивающиеся под действием полировочных паст. Поверхность металла под влиянием содержащихся в пастах активных компонентов и происходящего при полировании нагрева покрывается тонкими солевыми или окисными пленками. При механическом воздействии полирующего инструмента эти пленки разрушаются, но на обнаженных участках металла пленки сразу же вновь образуются. Твердость зерен абразива при полировании не играет большой роли как при шлифовании, так как они воздействуют на тонкие пленки, значительно менее прочные, чем металл.

Полировочные пасты содержат тонкие шлифовальные порошки, связующие вещества и поверхностно-активные добавки, например, олеиновую кислоту и серу, оказывающие активирующее действие на поверхностный слой металла. Состав паст подбирается с учетом свойств

7

металла деталей, материала круга. Пасты должны легко удаляться с поверхности детали при последующем обезжиривании. Обычно пасты содержат 60 - 70% абразивного материала и 30 -40% связки.

Абразивным материалом являются окись хрома, окись железа (крокус), окись алюминия (глинозем), венская известь (окись кальция с небольшой примесью магния), окись кремния. Связующими веществами являются парафин, стеарин, церезин, техническое сало, а активирующими добавками - сера, олеиновая кислота. Хорошими полирующими свойствами обладают пасты Г'ОИ на основе окиси хрома.

Режим полирования эластичными кругами с пастами определяется твердостью обрабатываемого металла [5].

8

Линия цинкования 5.Теоретическая часть

5.1. Свойства цинка

Цинк принадлежит к электроотрицательной группе металлов и в водных растворах обладает высоким отрицательным потенциалом: нормальный потенциал цинка по отношению к нормальному водородному электроду составляет около -0,76 В. Вследствие этого цинк, главным образом, технический, загрязненный примесями других металлов, сравнительно легко растворяется в кислотах, образуя соответствующие соли. Будучи амфотерным металлом цинк в концентрированных растворах щелочи образует цинкаты. Химически чистый цинк реагирует с кислотами и щелочами значительно слабее, чем технический, в следствие того что водород выделяется на цинке при высоком перенапряжении.

Цинк - сравнительно твердый металл, в холодном состоянии хрупкий. Твердость по Виккерсу матовых осадков (из кислых электролитов) около 50 кгс/мм2 блестящих осадков от 110 до 175 кгс/мм2 в зависимости от состава электролита и условий электролиза.

Так как цинк обладает значительно более отрицательным потенциалом, чем железо, то в контакте с ним (при наличии влаги) он образует гальванический элемент, в котором железо служит катодом, поэтому сохраняется без изменения. На этом основана протекторная защита цинком стальных изделий, работающих в жидкой электропроводной среде. Таким образом, покрытие цинком защищает от коррозионного разрушения черные металлы не только механически, но и электрохимический - в случае пористости или местного (частичного) обнажения слоя цинка коррозия основного металла происходить не будет или будет протекать замедленно. Продолжительность защитного действия цинковых и кадмиевых покрытий зависит от характера коррозионной среды, температуры, местной разницы потенциалов (в порах или в местах повреждений), толщины покрытий и т.п.

5.2. Цинкование

Цинковые покрытия широко применяются для защиты от коррозии деталей машин, крепежных деталей, стальных листов, проволоки и других, работающих в наружной атмосфере (загрязненной SO2) различных климатических районов, а также в закрытых помещениях с умеренной влажностью и в помещениях, загрязненных газами и продуктами сгорания. Блеск цинковых покрытий в условиях эксплуатации изделии (особенно в наружной атмосфере) сохраняется не долго; поверхность их быстро тускнеет и покрывается пятнами грязно-серого цвета. Поэтому блестящие

9

цинковые покрытия без дополнительной обработки их поверхности для декоративных целей непригодны и с точки зрения надежности защиты от коррозии не отличаются от матовых. С целью сохранения декоративного вида, покрытия блестящим цинком обрабатывают специальными пассирующими растворами, содержащими хромовые соединения.

5.3. Сравнительная характеристика цинковых электролитов

Электролиты для цинкования можно разделить на две основные группы: простые кислые (сульфатный, фторборатный, хлористый), в которых цинк присутствует в виде комплексных ионов, заряженных отрицательно (анионы) или положительно (катионы), и комплексные. Из комплексных электролитов известны щелочно-цианистые, щелочные не цианистые (цинкатные), пирофосфатные, аммиакатные, аминокомплексные с различными органическими адендами и др.

От природы и качественного состава электролитов зависят качество осадков на катоде и скорость процесса осаждения. Так как качество осадков и скорость процесса в значительной степени определяется характером и степенью изменения катодных потенциалов, то для сравнительной оценки электролитов цинкования лучше всего исходить из относительного расположения поляризационных кривых. Чем резче выражена катодная поляризация, тем более мелкозернистые и равномерные по толщине осадки на катоде.

Кислые электролиты

В этих электролитах без специальных добавок катодная поляризация сравнительно не велика во всем рабочем интервале плотностей тока (кривая 1), и выход металла по току с повышением плотности тока до определенного предела (iдоп,) возрастает. Осадки на катоде, образующиеся из таких электролитов, удовлетворительны по структуре, но менее равномерны по толщине слоя чем из цианистых и других комплексных электролитов.

Кислые электролиты применяются для цинкования изделий простой формы. Электролиты, содержащие поверхностно активные вещества, повышающие катодную поляризацию, могут использоваться для цинкования также и рельефных деталей.

10