Расчет участка осаждения двойного покрытия медь-никель
ВВЕДЕНИЕ.
1. ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА.
1.1. ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ.
1.2 СХЕМА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА.
2. РАСЧЕТ УЧАСТКА ОСАЖДЕНИЯ ДВОЙНОГО ПОКРЫТИЯ МЕДЬ-НИКЕЛЬ.
2.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФОНДОВ РАБОЧЕГО ВРЕМЕНИ.
2.2 РАСЧЕТ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ ПРОГРАММЫ.
2.3 РАСЧЕТ ВРЕМЕНИ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ.
2.4 РАСЧЕТ НЕОБХОДИМОЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ УЧАСТКА.
2.5 РАСЧЕТ КОНСТРУКЦИИ БАРАБАНА.
2.6 РАСЧЕТ ГАБАРИТОВ ВАННЫ.
2.7 ЭНЕРГЕТИКА ЦЕХА.
2.7.1 ПОВЕРХНОСТЬ ЗАГРУЗКИ И СИЛЫ ТОКА.
2.7.2 БАЛАНС НАПРЯЖЕНИЯ ВАННЫ.
2.7 РАСХОД ВОДЫ.
2.7 РАСЧЕТ РАСХОДА МАТЕРИАЛОВ.
2.7.1 РАСЧЕТ РАСХОДА ХИМИКАТОВ.
2.7.2 РАСЧЕТ РАСХОДА АНОДОВ.
2.7.3. СВОДНАЯ ВЕДОМОСТЬ РАСХОДА МАТЕРИАЛОВ.
2.8 ТЕПЛОВЫЕ РАСЧЕТЫ.
2.8.1 ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ВАННЫ ОБЕЗЖИРИВАНИЯ.
2.8.2 ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ВАННЫ МЕДНЕНИЯ.
2.8.2 ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ВАННЫ НИКЕЛИРОВАНИЯ.
4. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ВВЕДЕНИЕ.
Гальваническое покрытие медь никель широко применяется для защиты от коррозии стальных деталей.
Т.к. медь имеет более положительный потенциал, чем железо, то по отношению к железу и его сплавам является катодным покрытием. Т.е. может защищать лишь при отсутствии пор. Пористые медные покрытия, наоборот, приводят к ускорению коррозии железа и его сплавов. Никель также имеет более положительный потенциал, чем железо, т.е. защищает только механически. Никелевые покрытия должны быть беспористыми. Поэтому никелевые покрытия многослойны (у многослойных покрытий поры каждого слоя обычно не совпадают с порами соседних слоев). Для получения многослойных покрытий никель осаждают из нескольких электролитов или на другой металл (например, медь). Многослойность таких покрытий позволяет также снизить расход никеля в результате применения более дешевой меди.
Широкое применение медных покрытий в качестве промежуточных слоев в значительной мере обусловлено хорошим сцеплением меди с различными металлами. При электролитическом осаждении меди на сталь не образуется диффузионного слоя. Решающую роль для обеспечения прочного сцепления играет тщательная подготовка поверхности основного металла (обезжиривание, травление). Причем, при применении химического или электрохимического удаления деформированного слоя, часто наблюдается продолжение структуры основного металла в покрытии.
При защитно-декоративном никелировании роль медного слоя – максимальная экономия стратегического никеля из-за перекрытия пор, а также снижение трудоемкости операций механической подготовки поверхности деталей.
ЭЛЕКТРОЛИТЫ МЕДНЕНИЯ
Для меднения применяют как кислые (простые), так и щелочные (комплексные) электролиты. Из кислых электролитов невозможно получить осадки с прочным сцеплением на стальных и цинковых изделиях. Это объясняется контактным вытеснением железом и цинком меди, а также работой коротко замкнутых гальванических элементов Fe – Cu и Zn – Cu. Т.к. в этих системах анодами являются железо и цинк, то вне зависимости от продолжительности электролиза железо и цинк, находящиеся в контакте с медью в кислом электролите, растворяются, что обуславливает отслаивание покрытия. По этой причине предварительно наносят тонкий слой меди из щелочного электролита, затем медь наращивают до нужной толщины в кислом электролите.
Простые (кислые) электролиты.
К простым электролитам относится целый ряд кислых электролитов: сернокислые, борфтористоводородные, кремнийфтористоводородные, сульфамидные, нитратные и хлористые. Они просты по составу и допускают работу при высоких плотностях тока, особенно при условии перемешивания и повышенной температуре. Осаждение меди происходит, в основном, при разряде двухвалентных ионов меди. Простые электролиты отличаются малой катодной поляризацией (не превышает 50?60 мВ). Поэтому осадки меди из таких электролитов имеют крупнозернистую, грубую, но вместе с тем плотную структуру. Электролиты отличаются высоким выходом меди по току (95?100%) и значительной скоростью осаждения. Эти электролиты устойчивы и не токсичны, а также обладают хорошей выравнивающей способностью. К недостаткам кислых электролитов следует отнести их низкую рассеивающую способность, и невозможность непосредственного нанесения на изделия из железа и цинка. Но при введении в кислые электролиты некоторых органических добавок (столярного клея, сахаромицетов, и т.д.), тормозящих процесс контактного обмена, то можно получить медные осадки, прочно сцепленные со сталью.
Составы кислых электролитов:
Сульфатный электролит:
CuSO4*5H2O – 180 ? 220 г/л.
Н2SO4 – 40 ? 60 г/л.
NaCl – 0,03 ? 0,06 г/л.
Блескообразователи Б-7211 или ЛТИ 3 ? 5 мг/л.
Электролиз ведется при температуре 18 ? 50?С, iк – 1 ? 5 А/дм2, iа – до 5 А/дм2. При работе с высокими плотностями тока следует перемешивать электролит сжатым очищенным воздухом. Анод – медь. Выход меди по току близок к 100%. Скорость осаждения меди при плотности тока 4,5 А/дм2 составляет 1 мкм/мин. Электролит отличаются относительно хорошей рассеивающей способностью. Осадки получаются с высоким блеском (до 95% по серебряному зеркалу), хорошей выравнивающей способностью (до 85% при толщине слоя 200 мкм), а также с относительно невысокими внутренними напряжениями (до 1100 мПа).
Борфтористоводородный электролит:
Cu(BF4)2 – 450 г/л.
НBF4 – 30 г/л.
Н3BO3 – 15 ? 20 г/л.
Электролиз ведется при температуре 20 ? 40?С, iк – до 40 А/дм2, iа – 5 ?20 А/дм2. Анод – медь. Выход меди по току 95 ? 100%. К достоинствам электролита относятся: высокая устойчивость раствора, нетоксичность, плотная мелкокристаллическая структура осадков при плотностях тока, значительно превосходящих обычные. Концентрационная поляризация и склонность к шламообразованию у борфтористоводородного электролита меньше, чем у слабокислого, он дороже, однако, этот электролит обладает большой производительностью. Поэтому рекомендуется его применение для нанесения меди на движущуюся проволоку, ленту, а также для восстановления изношенных деталей.
Кремнефтористый электролит:
CuSiF6 – 250 ? 300 г/л
H2SiF6 – 10 ? 15 г/л
Электролиз ведется при температуре 20 ? 60?С, iк – до 40 А/дм2, iа – 10 ?20 А/дм2. Анод – медь. Электролит готовят, растворяя кремнефтористую медь небольшими порциями в кремнефтористой кислоте, затем раствор фильтруют.
Хлоридный электролит:
CuCl2*2H2O – 20 ? 30 г/л.
НCl – 400 ? 550 г/л.
HCOOH – 5 ? 10 г/л.
Электролиз ведется при температуре 18 ? 25?С, iк – 1 ? 1,5 А/дм2. Анод – медь.
Нитратный электролит:
CuCl2*2H2O – 0,4 г/л.
Cu(NO3)2 *3H2O – 500 ? 600 г/л.
Электролиз ведется при температуре 18 ? 25?С, iк – 5 ? 20 А/дм2, рН – 1 ?2. Анод – медь.
При работе с кислыми электролитами важно использовать специальные, не дающие шлама медные аноды, содержащие 0,03 ? 0,06 % фосфора. Рекомендуется также использовать анодные чехлы из кислотостойкого материала (например, из полипропиленового волокна) и вести электролиз при непрерывной фильтрации.
Комплексные (щелочные) электролиты.
В комплексных электролитах разряжается комплексный ион меди (?Cu(CN3)?2-; ?CuNH2CH2CH2NH2?2+; ?Cu(C4H4O6)?2-; ?Cu(NH3)4?2+; ?Cu(P2O7) 2?6-; ?Cu(P3O10) 2?8-). Степень диссоциации этих ионов мала, поэтому потенциал становится электроотрицательнее (в цианидных электролитах на 0,9 ? 1,2 В). Из-за этого не происходит контактного осаждения меди. Щелочные электролиты обладают очень высокой катодной поляризацией. Поэтому осадки получаются мелкозернистыми. Из комплексных электролитов применяют: цианистые, пирофосфатные, аммиакатные, этилендиамидовые, полиэтиленполиаминовые, гексаметафосфатные, триполифосфатные и т.д. Наиболее широко используются цианидные и пирофосфатные электролиты.
Составы щелочных электролитов:
Цианидный электролит:
CuCN – 90 г/л.
NaCNсвоб. – 5 ? 7 г/л.
КCNS – 40 г/л.
Фурфуриловый спирт – 0,3 ? 0,6 г/л
Электролиз ведется при температуре 60 ? 70?С, iк – 2 ? 4 А/дм2. Анод – медь. Выход меди по току 92%. Перемешивание проводят качанием штанг. Цианидные электролиты дают мелкозернистые осадки с хорошим сцеплением со сталью и цинком, обладают очень хорошей рассеивающей способностью. Основные недостатки цианидных электролитов – это токсичность, большие затраты на очистку сточных вод, низкий выход по току, а также относительно низкая устойчивость состава электролита при эксплуатации. Преимуществом цианидных электролитов является также то, что медь восстанавливается из одновалентных ионов, т.е. за 1 А*ч выделяется гораздо больше меди, чем в простых электролитах.
Пирофосфатный электролит:
CuSO4*5H2O – 70 ? 90 г/л.
K4P2O7 – 350 г/л.
NH4OH (25% раствор) – 1 ? 2 г/л.
Кислота лимонная 20 г/л.
Na2SeO3 – 0,002 г/л.
Электролиз ведется при температуре 35 ? 40?С, iк – 0,8 ? 1,7 А/дм2, рН – 8,3 ?8,5. Анод – медь. При нанесении покрытий на сталь следует загружать детали в электролит под током. Кроме того, в начале электролиза необходима повышенная плотность тока (1,0 ? 1,5 А/дм2) в течение 20 ? 50 сек. Пирофосфатные электролиты не уступают цианидным по рассеивающей способности, однако, неустойчивы и недостаточна адгезия со сталью полученных из них покрытий.
Этилендиаминовый электролит:
CuSO4*5H2O – 100 ? 125 г/л.
ZnSO4*7H2O – 15 ? 25 г/л.
(NH4)2SO4 – 45 ? 60 г/л.
Этилендиамин – 55 ? 60 г/л.
Na2SO4*10H2O – 45 ? 60 г/л.
Электролиз ведется при температуре 15 ? 25?С, iк – 0,5 ? 2 А/дм2, рН – 7,8 ? 8,3. Анод – медь. Особенностью этилендиаминовых электролитов является то, что детали загружаются в ванну под током плотностью, в 3-5 раз превышающую рабочую. Длительность «толчка тока» составляет 30-60 сек. Из этилендиаминовых электролитов осаждаются плотные мелкозернистые и блестящие осадки меди. Для улучшения сцепления осадков со стальной основой рекомендуется производить осаждение из двух ванн (первый слой осаждается из электролита с более низкой концентрации меди).
Аммиакатный электролит:
CuSO4*5H2O – 90 г/л.
(NH4)2SO4 – 80 г/л.
NH4NO3 – 40 г/л.
NH4OH – 180 г/л.
Электролиз ведется при температуре 20?С, iк – 1,5 ? 8 А/дм2, рН – 9,0 ? 9,5. Анод – медь. Одними из достоинств электролита являются высокая рабочая плотность тока и достаточно большая производительность. Осадки из аммиакатных электролитов обладают прочным сцеплением со стальной основой. Однако для них характерна низкая устойчивость состава вследствие сильного испарения, а также наличие мощной вытяжной системы вентиляции. Аммиакатные электролиты обладают несколько худшей рассеивающей способностью по сравнению с пирофосфатными электролитами.
ЭЛЕКТРОЛИТЫ НИКЕЛИРОВАНИЯ.
Электролиты никелирования очень чувствительны к органическим и неорганическим примесям. Правильное приготовление электролита обеспечивает надежную работу в течение длительного времени. При соответствующей очистке и корректировке этот электролит можно использовать несколько лет. В роли буферного соединения в сульфатных электролитах обычно используют борную кислоту. Возможно также использования солей уксусной кислоты.
Сернокислые электролиты.
NiSO4*7H2O – 240 ? 340 г/л.
NiCl2 *6H2O – 30 ? 40 г/л.
Н3ВО3 – 30 ? 40 г/л.
Электролиз ведется при температуре 45 ? 60 ?С, iк – 2,5 ? 10 А/дм2. Анод – никель. Выход никеля по току 95%. Перемешивание проводят сжатым воздухом. рН электролита 4,5 ? 5,2.
Для скоростного осаждения никеля используются фторборатные или кремнийфтористоводородные электролиты. Они позволяют вести осаждение при высоких плотностях тока. Осадки получаются светлые и элластичные.
Фторборатный электролит.
Ni(BF4)2 – 300 ? 400 г/л.
NiCl2 *6H2O – 10 ? 15 г/л.
Н3BO3 – 10 ? 15 г/л.
Кроме того, электролит содержит некоторое количество НBF4.
Электролиз ведется при температуре 45 ? 55 ?С, iк – 10 ? 20 А/дм2. Анод – никель. Выход никеля по току до 100. рН электролита 3 ? 3,5.
Мткротвердость осадков, полученных из электролита, достигает 3,5 гПа. Электролит используют как в стационарных ваннах, так и в барабанах и колоколах.
Кремнийфтористоводородный электролит.
Ni(НBF6)2 – 400 ? 700 г/л.
NiCl2 *6H2O – 25 ? 50 г/л.
Н3BO3 – 30 ? 40 г/л.
Кроме того, электролит содержит некоторое количество H2SiF6.
Электролиз ведется при температуре 20 ? 50 ?С, iк – до 15 А/дм2. Анод – никель. Выход никеля по току до 100. рН электролита 0,5 ? 1.
В качестве буферных добавок для таких электролитов иногда используют фториды.
Для получения покрытий с минимальными внутренними напряжениями используются сульфаминовые электролиты. Эти электролиты применяются для нанесения толстых слоев никеля, при покрытии неметаллов по проводящему слою или металлов по разделительному слою, а также для осаждения специальных (например, магнитных) покрытий. Сульфаминовые электролиты также позволяют получить пластичные осадки с очень большой степенью сцепления с основой.
Ni(Н2NSO3)2 – 280 ? 300 г/л.
NaCl – 12 ? 15 г/л.
Н3BO3 – 25 ? 30 г/л.
Моющее средство «Прогресс» или ОС-20 – 2 ? 3 мл/л.
Паратолуолсульфамид – 1,5 ? 2 г/л.
Электролиз ведется при температуре 50 ? 60 ?С, iк – 5 ? 12 А/дм2. Анод – никель. Выход никеля по току до 100. рН электролита 3,6 ? 4,2.
1. ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА.
1.1. ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ.
1. Химическое обезжиривание.
Химическое обезжиривание поверхности деталей применяется перед нанесением гальванических покрытий, как правило, предшествует электрохимическому обезжириванию. Применяется при наличии на деталях толстых жирных пленок.
Химический способ удаления жиров основывается на взаимодействии с органическими растворителями и щелочами. Это взаимодействие приводит к растворению жиров, их омылению или образованию эмульсий.
Для обезжиривания используется следующий состав:
NaOH – 30 мг/л;
Na3PO4 – 20 мг/л;
Na2SiO3 – 15 мг/л;
Синтанол ДС-10 – 10 мг/л;
Обезжиривание ведется при температуре 60 – 80 ?С в течение 5 – 20 минут.
2. Электрохимическое обезжиривание.
Электрохимическое обезжиривание более эффективно, чем химическое, но применяется только для тонких жировых пленок. При проведении электрохимического обезжиривания на детали образуются пузырьки газа, которые способствуют отрыву загрязнений.
Электрохимическое обезжиривание бывает катодным и анодным. Катодное обезжиривание быстрее, но возникает опасность наводораживания поверхности. Анодное обезжиривание более медленное, нет наводораживания поверхности, но возникает опасность подтравливания поверхности деталей.
В данной работе предлагается сначала провести катодное обезжиривание, затем поменять полярность и короткое время проводить анодное обезжиривание для того, чтобы удалить водород из детали.
Состав электролита:
NaOH – 20 мг/л;
Na3PO4 – 30 мг/л;
Na2SiO3 – 30 мг/л;
Синтанол ДС-10 – 2 мг/л;
Обезжиривание ведется при температуре 60 – 70 ?С. В течение 8 минут проводится катодное обезжиривание при iк – 2 – 10 А/дм2. В течение 2 минут проводится катодное обезжиривание при iа – 2 – 10 А/дм2.
3. Активирование.
Операция предназначена для удаления тончайших оксидных пленок с поверхности деталей. Ее проводят между процессами обезжиривания и нанесения покрытий. Лучше, когда в процессе активации исключается промежуточная промывка. Тогда в ванну активации включаются те элементы, перенос которых в гальваническую ванну не приводит к ухудшению процесса.
Раствор для активации содержит H2SO4 - 120 мл/л.
4. Промывка.
Цель промывки – не только тщательно удалить с поверхности изделий растворы и продукты от предыдущих операций, ни и при экономном расходе воды обеспечить их минимальное попадание в сточные воды.
Существует 2 смены промывки деталей: одноступенчатая (промывка в одной ванне с проточной водой) и многоступенчатая (промывка в нескольких последовательно установленных ваннах с проточной водой). Многоступенчатая промывка может быть прямоточной и противоточной (каскадной 2-х и 3-х ступенчатой).
Каждая из схем промывки может быть дополнена ванной улавливания (ванна с непроточной водой).
В гальваническом производстве различают 3 вида промывок: холодную (температура не нормируется), теплую (температура 40 – 50 ?С), горячую (температура 70 – 90 ?С).
5. Осаждение покрытия.
Для осаждения подслоя меди на стальные детали используется пирофосфатный электролит.
CuSO4*5H2O – 70 ? 90 г/л.
K4P2O7 – 350 г/л.
NH4OH (25% раствор) – 1 ? 2 г/л.
Кислота лимонная 20 г/л.
Электролиз ведется при температуре 35 ? 40?С, iк – 0,8 ? 1,7 А/дм2, рН – 8,3 ?8,5. Анод – медь. При нанесении покрытий на сталь следует загружать детали в электролит под током. Кроме того, в начале электролиза необходима повышенная плотность тока (1,0 ? 1,5 А/дм2) в течение 20 ? 50 сек.
С увеличением концентрации свободных ионов P2O74- уменьшается склонность анодов к пассивации. И улучшается сцепление медных осадков с основой.
Для приготовления электролита сначала к теплому (температура 30 – 40 ?С) раствору CuSO4 добавляют раствор K4P2O7 в количестве, необходимом для образования Cu2P2O7 по реакции:
2CuSO4 + K4P2O7 = Cu2P2O7 + 2 K2SO4.
Полученный осадок фильтруют и промывают до полного удаления ионов SO42-, после чего в избытке добавляют K4P2O7. В результате образуются комплексные ионы [Cu(P2O7)] 2- и [Cu(P2O7) 2] 6- , которые существуют при рН 7,5 – 9,5.
Введение в электролит лимонной кислоты, NH4OH и других добавок улучшает работу анодов и способствует повышению допустимой плотности тока при относительно высоком выходе меди по току (близок к 100%).
Для осаждения никеля используется простой сернокислый электролит.
NiSO4*7H2O – 250 ? 300 г/л.
NаCl – 10 ? 15 г/л.
Н3ВО3 – 30 ? 40 г/л.
1,4-бутиндиол – 1,0 ? 1,5 г/л.
Формальдегид – 0,01 ? 0,05 г/л.
Хлорамин Б – 2,0 ? 2,5 г/л.
ОС-20 – 2 ? 5 мл/л.
Электролиз ведется при температуре 45 ? 60 ?С, iк – 3 ? 5 А/дм2. Анод – никель. рН электролита 4,5 ? 5,5.
Электроосаждение никеля проходит при повышенной катодной и анодной поляризации. При пассивации анодов уменьшается концентрация ионов никеля в прикатодном пространстве. Это приводит к снижению выхода по току. Введение ионов Cl- снижают анодную поляризацию, т.к. Cl- разряжаясь на аноде, растворяют пассивную пленку и снижают анодную поляризацию. Но, повышенное содержание ионов Cl- увеличивают растворимость анодов, что приводит к нестабильности работы ванны и повышению рН катодного пространства. Поэтому необходимо контролировать содержан хлорид-аниона в электролите.
При осаждении никеля из кислых электролитов на катоде выделяется водород. Из-за этого в прикатодном пространстве повышается рН, что приводит к образованию хрупких и шероховатых осадков.
Увеличение кислотности также приводит, также, к снижению выхода по току (из-за расхода энергии на разряд Н+). Выделение водорода приводит к образованию пористого шероховатого осадка с питтингом. Поэтому никелирование проводят при рН 4,0 – 5,5.
Для приготовления электролита необходимо в течение 2 – 4 часов промывать ванну 3 – 5% раствором кислоты при t – 50 – 60?С. затем слить раствор и промыть ванну дистиллированной водой. Залить ванну наполовину водой и подогреть до 70?С. Засыпать ванну необходимое количество борной кислоты, растворить перемешивая. Затем засыпать NiSO4*7H2O и NaCl и растворить. Долить воду до рабочего уровня и засыпать блескообразующие добавки. Откорректировать рН, добавляя кислоту или карбонат никеля.
6. Сушка.
Проводится после окончательной промывки деталей (после осаждения покрытия). Представляет собой обдувку теплым (t – 60 – 70?С) воздухом. Проводится в сушильном шкафу.
1.2 СХЕМА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА.
4. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Беленький М.А., Иванов А.Ф. Электроосаждение металлических покрытий. Справ. изд. М.: «Металлургия», 1985.
2. Гальванические покрытия в машиностроении. Справочник/Под ред. Шлугера М.И. М.: «Машиностроение», 1985.
3. Зальцман Л.Г., Черная С.М. Спутник гальваника. К.:1989.
4. Блестящие электролитические покрытия/Под ред. Матулиса Ю.Ю. Вильнюс.: «Минтис», 1969.
5. Каданер Л.И. Справочник по гальваностегии. К.: «Техника», 1976.
6. Кудрявцев В.Т. Электролитические покрытия металлами. М.: «Химия», 1979.
7. Лайнер В.И. Защитные покрытия металлов. М.: «Машиностроение», 1974.
8. Лайнер В.И. Современная гальванотехника. М.: «Металлургия», 1967.
9. Пурин Б.А. Электроосаждение из пирофосфатных электролитов. Рига: Зинатне, 1975.
10. Ямпольский А.М. Меднение и никелирование. Л.: «Машиностроение», 1977.
11. Ямпольский А.М. Ильин В.А. Краткий справочник гальванотехника. Л.: «Машиностроение», 1981.
1
42