Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГБОУ ВО «Ангарский государственный технический университет»

Кафедра «Технология электрохимических производств»

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

На тему: «Процесс анодного оксидирования алюминия годовой производительностью 65000 м2/год»

Выполнил: студент гр. ХТз-13-1

Семаева Анастасия Юрьевна

Проверил: к.т.н., доцент

Сосновская Нина Геннадьевна

Ангарск, 2017

Содержание

Введение

1. Технология нанесения никелевых покрытий

1.1 Способы нанесения покрытий

1.2 Физико-химические свойства никеля

1.3 Применение и назначение никелевых покрытий

1.4 Выбор толщины покрытия

1.5 Типы электролитов никелирования

1.6 Выбор электролита никелирования

1.7 Технологические особенности процесса никелирования

1.8 Приготовление и корректировка электролитов

1.9 Основные неполадки процесса никелирования

1.10 Технологическая схема процесса и ее описание

1.11 Требования к покрытиям и контроль качества металлических покрытий

2. Технологические расчеты

2.1 Расчет фонда рабочего времени оборудования

2.2 Установление производственной программы

2.3 Определение продолжительности обработки деталей

2.4 Расчет количества и производительности основных ванн

2.5 Расчет размеров ванн никелирования на подвесках

2.6 Расчет количества автооператоров

3. Материальные расчеты

3.1 Расчет расхода материалов на первоначальный пуск

3.2 Расчет расхода материалов на выполнение заданной программы

Список литературы

ВВЕДЕНИЕ

Гальванические покрытия находят широкое применение в различных отраслях народного хозяйства. Потребность в значительном росте производства продукции машиностроения, товаров широкого потребления, повышении качества продукции, сокращении материально-энергетических и трудовых ресурсов при изготовлении промышленных изделий диктует необходимость в соответствующем увеличении объемов тех производств, которые обеспечивают надежную защиту изделий от коррозии, повышают твердость, износоустойчивость, жаропрочность, снижение их металлоемкости. Одновременно повышаются и требования к качеству покрытий и долговечности изделий.

Никелирование представляет собой один из наиболее важных и широко применяемых процессов электроосаждения металлов. Большая часть из всего производимого никеля используется именно в виде покрытий. Никелирование применяется для защитно-декоративной обработки деталей машин, различных приборов, изделий домашнего обихода. Никелем покрывают изделия из стали и цветных металлов (медь и ее сплавы) для защиты их от коррозии, повышения сопротивления механическому износу и для специальных целей. Никелевые покрытия имеют высокую антикоррозионную стойкость в атмосфере, в растворах щелочей и в некоторых органических кислотах, что в значительной степени, обусловлено сильно выраженной способностью никеля к пассивированию в этих средах

Чтобы расширить возможности использования электрохимических покрытий, кроме чистых металлов применяют сплавы из двух и более компонентов. Сплавы наносят на детали с целью защиты их от коррозии в специфических условиях эксплуатации, высокой электропроводности, особыми магнитными характеристиками, хорошими антифрикционными свойствами, большой твердостью и износостойкостью, светопоглощающей или отражательной способностью и другими свойствами.

1. Технология нанесения никелевых покрытий

никель электролит покрытие деталь

При электрохимическом осаждении никеля на катоде протекают два основных процесса:

Ni2+ + 2e- > Ni

2Н+ + 2е- > Н2

В результате разряда ионов водорода концентрация их в прикатодном слое снижается, т. е. электролит защелачивается. При этом могут образовываться основные соли никеля, которые влияют на структуру и механические свойства никелевого покрытия. Выделение водорода вызывает также питтинг - явление, при котором пузырьки водорода, задерживаясь на поверхности катода, препятствуют разряду ионов никеля в этих местах. На покрытии образуются ямки, и осадок теряет декоративный вид.

В борьбе с питтингом применяют вещества, которые снижают поверхностное натяжение на границе металл - раствор.

При анодном растворении никель легко пассивируется. При пассивации анодов в электролите уменьшается концентрация ионов никеля и быстро растет концентрация ионов водорода, что приводит к падению выхода по току и ухудшению качества осадков. Для предупреждения пассивирования анодов в электролиты никелирования вводят активаторы. Такими активаторами являются ионы хлора, которые вводят в электролит в виде хлористого никеля или хлористого натрия.

Перед процессом никелирования изделие должно быть подготовлено. Его обрабатывают наждачной бумагой для удаления оксидной пленки, протирают щеткой, промывают водой, обезжиривают в горячем содовом растворе и промывают еще раз. Никелевые покрытия способны с течением времени терять свой первичный блеск, поэтому зачастую покрывают слой никеля более устойчивым слоем хрома.

Никель, который нанесен непосредственно на сталь, является катодным покрытием и защищает материал исключительно механическим путем. Несплошность защитного покрытия способствует возникновению коррозионных пар, в которых растворимым электродом выступает именно сталь. В результате этого под покрытием образуется коррозия, разрушающая стальную подложку и провоцирующая отслаивание никелевого покрытия. Для предупреждения этого металл всегда нужно покрывать толстым слоем никеля.

Никелевые покрытия можно наносить на железо, медь, их сплавы, а также на вольфрам, титан и прочие металлы. Нельзя покрывать с помощью химического никелирования такие металлы, как свинец, кадмий, олово, свинец, сурьму и висмут. При никелировании стальных изделий принято наносить подслой меди.

Покрытия никелем используют в разных отраслях промышленности для специальных, защитно-декоративных целей, а также в качестве подслоя. Технологию никелирования используют для восстановления изношенных автозапчастей и деталей машин, покрытия химической аппаратуры, медицинского инструмента, измерительных инструментов, предметов домашнего обихода, деталей, что эксплуатируются с небольшими нагрузками в условии сухого трения или воздействия крепких щелочей.

1.1 Способы нанесения покрытий

Известен способ никелирования деталей, при котором никелированию электролитическим способом подвергаются изделия из стали и сплавов на основе меди, цинка и алюминия в сернокислых электролитах с добавкой специальных блескообразователей, причем для защиты от коррозии наносят многослойное покрытие.

Недостатками данного способа являются трудоемкость, малотехнологичность, невозможность получения равномерного покрытия из никеля на рельефной поверхности деталей и никелирования узких и глубоких отверстий, полостей, щелей, резьбовых соединений.

Известен способ никелирования деталей из стали, меди и медных сплавов, включающий осаждение на катоде, в качестве которого служит изделие положительно заряженных ионов металлов из водных растворов и их соединений при пропускании через раствор постоянного тока, причем процесс никелирования производят с нерастворимыми анодами из металла или сплава, устойчивого в данном электролите, в ванну наливают электролит, нагревают его до 45 и прорабатывают электролит при плотности тока 0,1-0,2 А/дм2, расстояние между анодом и катодом устанавливают от 10 до 100 мм, загрузку деталей производят при силе тока 0,1-0,2 А/дм2 и по мере заполнения ванны деталями силу тока повышают до требуемого уровня, скорость наращивания никеля при выходе по току, равном 90 %, составляет от 20 до 40 мкм/ч при плотности тока 2-4 А/дм2, по окончании процесса никелирования детали выгружают из ванны, промывают в проточной холодной воде, а затем в горячей непроточной воде с последующей сушкой.

Известный способ также трудоемок, нетехнологичен, не позволяет получать равномерное никелевое покрытие на деталях сложной конфигурации и рельефа, качество электролитических никелевых покрытий зависят от тщательности подготовки поверхности и наличия пор, дефектов и трещин на поверхности деталей.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому и потому принятым за прототип является способ, при котором сначала приготавливают электролит никелирования, затем осуществляют химическую очистку электролита доведением рН до 5,0 20 %-ным раствором серной кислоты и нагреванием электролита до температуры 65-70 , после чего осуществляют введение в электролит сначала 0,3-0,5 г/л перманганата калия и перемешивание в течение 2-3 ч и затем 3 г/л активированного угля и перемешивание в течение 5-7 ч, а при электрохимической очистке проработку электролита начинают при катодной плотности тока 0,05-0,1 А/дм2 и температуре 50 , а затем скачкообразно повышают ее до 0,6 А/дм2, а после нанесения никелевых покрытий детали промывают холодной и горячей водой и сушат.

Недостатком этого способа является то, что сложная технология очистки и введение добавок в электролит никелирования по указанному способу, высокая трудоемкость и энергозатраты для проведения перемешивания и фильтрации электролита никелирования приводят к возрастанию конечной стоимости никелированных деталей.

1.2 Физико-химические свойства никеля

Никель - металл серебристо-белого цвета. Его плотность 8,9 г/см3, а температура плавления 1452 . Микротвердость гальванически осажденных никелевых покрытий зависит от состава электролита и может колебаться от 200-300 до 700-800 кгс/мм2 за счет введения добавки фосфора в состав покрытия. После термообработки никелевых покрытий, содержащих фосфор, микротвердость не возрастает до 900-100 кгс/м2 и выше, приближаясь к твердости блестящего хромового покрытия. Никель, как и сталь, обладает магнитными свойствами. Никелевые покрытия имеют пониженную пластичность, но после отжига при 900 пластические свойства значительно улучшаются.

Никелевые покрытия хорошо полируются до зеркального блеска и приобретают красивую декоративную внешность, стойкую во времени благодаря образованию тончайшей поверхностной пассивной пленки. В зависимости от температуры и продолжительности нагрева поверхность никелевых покрытий при высоких температурах покрывается твердой и эластичной пленкой окиси никеля с изменением оттенков от желтого и фиолетового до темно зеленого. Вследствие своей пассивности никель обладает коррозионной стойкостью в растворах ряда органических кислот и минеральных солей. Он устойчив в растворах щелочей при всех концентрациях и температурах.

Никель с атомной массой 58,69 обладает переменной валентностью 2,3, имеет электрохимический эквивалент равный 1, 095 г/(А·ч); его стандартный потенциал равен - 0,25 В. В гальванической паре никель - железо он как более электроположительный металл, в атмосферных условиях и некоторых агрессивных средах является катодом по отношению к железу и, следовательно, электрохимически не может защищать железо от коррозии. Являясь главным образом защитно-декоративным покрытием, никель способен надежно защищать железо от коррозии лишь при условии полной беспористости покрытия.

Поэтому никелирование как защитно-декоративное покрытие применяют обычно с подслоем меди.

Наименьшая толщина никелевых и многослойных покрытий предусмотрена ГОСТ 3002-58 и приведена в таблице 1.

Таблица 1. Толщина никелевых и многослойных (медь-никель-хром) покрытий по стали

Условия работы	Условия обозначения групп покрытий	Толщина покрытий, мкм
		Минимальные	среднерасчетные
		Никелевого без подслоя	Многослойных медь-никель или никель-медь-никель	хромового
			Суммарная	Верхнего слоя (никеля)
Легкие	Л	10	10	5	0,5
Средние	С	30	30	10	0,5
Жесткие	Ж	-	45	15	0,5

Гальванические покрытия всегда обладают известной пористостью, поэтому для получения беспористых покрытий применяют последовательное осаждение нескольких слоев одного и того же или других металлов. У таких многослойных покрытий поры каждого слоя обычно не совпадают с порами соседних слоев. Кроме того, многослойные покрытия позволяют весьма существенно снизить расход никеля за счет более дешевой меди.

Кроме защитно-декоративного назначения никелирование получило широкое применение в химической промышленности для защиты рабочих поверхностей оборудования от воздействия различных агрессивных рабочих сред. В этих случаях толщина осажденного никеля без подслоя меди достигает 0,20-0,30 мм. При защитном покрытии хирургических инструментов никелирование также производится без подслоя меди с толщиной покрытия 9-12 мкм. В пищевой промышленности никель может заменить покрытие оловом. Высокая твердость и износостойкость никелевых покрытий используется в полиграфической промышленности для повышения стойкости клише и стереотипов, для покрытия медных матриц при изготовлении граммофонных пластинок, для мерительного инструмента и особенно для деталей, эксплуатированных в условиях сухого трения.

1.3 Применение и назначение никелевых покрытий

Никелирование применяется в машиностроении, приборостроении и других отраслях промышленности. Никелем покрывают детали из стали и цветных металлов для защиты их от коррозии, декоративной отделки, повышения сопротивления механическому износу. Благодаря высокой коррозионной стойкости в растворах щелочей никелевые покрытия применяют для защиты химических аппаратов от щелочных растворов. В пищевой промышленности никель может заменять оловянные покрытия. В оптической промышленности получил распространение процесс черного никелирования.

1.4 Выбор толщины покрытия

Толщина никелевых покрытий на деталях из меди и медных сплавов должна быть: для легких условий эксплуатации 6-9 мкм, для средних условий 12-15 мкм.

Толщина никелевых покрытий составляет от 5 до 25 мкм. Использование медного подслоя позволяет несколько уменьшить толщину слоя никеля, что не только улучшает качество покрытия, но и снижает его стоимость за счет экономии дорогостоящего и дефицитного никеля.

Толщина никелевого покрытия оказывает существенное влияние на процесс схватывания слоев в биметалле. Это объясняется улучшением качества покрытия и уменьшением количества пор.

Толщина никелевых покрытий, используемых для последующей пропитки углеродных жгутов и лент алюминиевыми расплавами, обычно составляет 0 5-1 мкм. Никелевые покрытия, полученные химическим осаждением из растворов, не снижают прочности волокон.

Обычно толщина никелевого покрытия для защиты от коррозии составляет 120-130 мкм, однако в случае хорошо подготовленной поверхности основного металла и в атмосферах средней агрессивности могут быть использованы меньшие толщины. Для деталей машин могут требоваться покрытия толщиной до 0,5 мм.

1.5 Типы электролитов никелирования

Сернокислые электролиты:

В таблице 2 приведены составы и режимы работ для нескольких наиболее применяемых электролитов.

Таблица 2. Составы и режимы работы сернокислых электролитов

Компоненты электролита (г/л)	Номер электролита
	1	2	3	4
Сернокислый никель	70-75	140-150	280-300	400-420
Сернокислый натрий	40-50	40-50	-	-
Сернокислый магний	-	25-30	50-60	-
Борная кислота	20-25	20-25	25-30	25-30
Хлористый натрий	5-10	5-10	3-5	-
Фтористый натрий	-	-	2-3	2-3
Режим осаждения
Температура электролита,	15-25	20-35	3-40	50-60
Плотность тока,	0,5-1	0,8-2	2-4	5-10
Величина рН	5,6-5,8	5,0-5,5	3-5	2-3
Катодный выход по току, %	95	90-95	90	85-90
Перемешивание			+	+
Непрерывное фильтрование	+	-		+
Примечание: знак + означает применение, знак означает необязательное применение, - означает отсутствие применения.

Никелирование деталей химического оборудования с большой толщиной слоя наиболее целесообразно производить из однокомпонентного электролита. Для него рекомендуются следующие состав и режим осаждения.

Таблица 3. Состав и режим осаждения однокомпонентного электролита

Состав электролита	Режим осаждения
Сернокислый никель	350-400 г/л
Рабочая температура	40-50 °С
Величина рН	1,5-2,5
Плотность тока при движении катодных штанг	3-5
Плотность тока при перемешивании	8-10
Выход по току	70-80 %

Электролиты блестящего никелирования:

Таблица 4. Состав и режим работы выравнивающего электролита:

Состав электролита	Режим осаждения
Никель сернокислый	280-300 г/л
Никель хлористый	50-60 г/л
Кислота борная	25-40 г/л
Сахарин	1-2 г/л
1,4-бутиндиол	0,15-0,18 мл/л
Фталимид	0,02-0,04 г/л
рН	4-4,8
Температура, Т	50-60 °С
Плотность тока, i	3-8 А/дм2

1.6 Выбор электролита никелирования

Для покрытия деталей простой конфигурации применяют кислые электролиты. Из многих предложенных электролитов следует рекомендовать сернокислый электролит, получивший широкое промышленное применение, пригоден для покрытия толщиной свыше 6 мкм.

Таблица 5. Состав и режим работы электролита

Состав электролита	Режим осаждения
Сернокислый никель	300 г/л
Борная кислота	40 г/л
Хлористый калий или натрий	3 г/л
Фтористый калий или магний	6 г/л
Рабочая температура	25-30 °С
Плотность тока	2-4 А/дм2
Кислотность, pH	6,0-6,5
Выход по току	95 %
Перемешивание	+

1.7 Технологические особенности процесса никелирования

- Восстановление никелевых солей с помощью гипофосфита протекает только на некоторых металлах, относящихся к 8 группе периодической системы элементов, способных катализировать процесс. Примеси солей свинца и кадмия полностью прекращают процесс восстановления никеля.

- Повышенная чувствительность процесса к примесям, особенно к солям свинца, кадмия и различным цианистым соединениям.

- При восстановлении никеля 60 % гипофосфита идет на восстановление водорода и только 40 % на восстановление никеля.

- Максимальная скорость процесса достигается только при температуре 90-95 .

- Увеличение кислотности снижает скорость процесса.

- Большое влияние на скорость процесса оказывают органические добавки, их природа и концентрация.

- Концентрация основных компонентов также влияет на скорость процесса.

- Сложность процессов, протекающих при химическом никелировании, заключается в необычном для металлов характере структуры возникновения осадков.

1.8 Приготовление и корректировка электролитов

Корректировка никелевых электролитов заключается в поддержании постоянства их состава.

Добавление сернокислого никеля, борной кислоты и хлоридов производят на основании химического анализа электролита. Систематическая, повседневная корректировка электролита состоит в поддержании величины рН, которая может изменяться даже в течение одной рабочей смены.

Корректировку рН производят добавлением 3-х % раствора NaOH или H2SО4 при интенсивном перемешивании электролита, которое продолжают после корректировки еще 30-40 мин.

Определение рН с высокой степенью точности производят потенциометрически с хингидронным электродом. Менее точно колориметрическое определение рН прибором Михаэлиса, применяемым в агротехнике. Быстрые определения выполняются с помощью индикаторных бумаг. К корректировкам электролита относятся также удаление o примесей железа и меди, а также меры по устранению водородной пористости никелевых покрытий - питтинга.

При наличии железа более 0,1 г/л электролит подкисляют до значения рН 3,5-4,0, подогревают до 50-60 °С и окисляют закисное железо в окисное перекисью водорода при интенсивном перемешивании сжатым воздухом. Окисленное железо осаждают в виде Fe(OH)3, подщелачивая электролит до рН = 6,0.

С осадком Fe(OH)3 адсорбируются и органические примеси. Осадок фильтруют, после чего электролит подкисляют до рабочей величины рН и приступают к его эксплуатации.

При повышении содержания меди сверх 0,02 г/л электролит подкисляют до рН = 2,5 ? 3 и прорабатывают при низкой плотности тока (до 0,1 А/дм2) в течение нескольких часов со случайными катодами. Обычно удаление железа и меди производят последовательно.

Быстрое и полное удаление меди происходит также при фильтровании электролита через слой порошкообразного металлического никеля. При этом медь осаждается контактно на никеле в форме рыхлого металлического налета.

Цинк, занесенный в электролит в количестве более 0,01 г/л, осаждают, добавляя взмученный мел или гашеную известь до получения рН = 6,1 ? 6,3. Осаждение цинка ведут при интенсивном перемешивании. При этом осаждаются и примеси железа и меди, а также частично теряются и соли никеля.

Для устранения питтинга электролит подкисляют до значения рН = 3,5 ? 4,0 и приливают, при сильном перемешивании, 3-5 мл/л 3-х % раствора перекиси водорода. После этого перемешивают электролит в течение 1-2 часов, подщелачивают до рабочего значения рН и приступают к работе. При этой корректировке целесообразно проводить и удаление железа. Для устранения питтинга и удаления всяких органических примесей в электролит вводят измельченный древесный уголь. Уголь вводят из расчета 2-3 г/л, выдерживая его в ванне в течение одной смены, при перемешивании электролита.

Для получения блестящих никелевых покрытий используют также электролиты с другими блескообразующими добавками: хлорамина Б, пропаргилового спирта, бензосульфамида и др.

При нанесении блестящего покрытия необходимо интенсивное перемешивание электролита сжатым воздухом желательно в сочетании с качанием катодных штанг, а также непрерывная фильтрация электролита.

Электролит приготовляют следующим образом. В дистиллированной или деионизированной горячей (80-90 °С) воде растворяют при перемешивании сернокислый и хлористый никель, борную кислоту. Доведенный водой до рабочего объема электролит подвергают химической и селективной очистке. Для удаления меди и цинка электролит подкисляют серной кислотой до рН 2-3 завешивают катоды большой площади из рифленой стали и прорабатывают электролит в течение суток при температуре 50-60 °С, перемешивая сжатым воздухом. Плотность тока 0,1-0,3 А/дм2. Затем рН раствора доводят до 5,0-5,5, после чего в него вводят перманганат калия (2 г/л) или 30 %-ный раствор перекиси водорода (2 мл/л).

Раствор перемешивается в течение 30 мин, добавляют 3 г/л активированного угля, обработанного серной кислотой, и перемешивают электролит с помощью сжатого воздуха. Раствор отстаивается 7-12 ч, затем фильтруется в рабочую ванну.

В очищенный электролит вводят блескообразователи: сахарин и 1,4-бутиндиол непосредственно, фталимид - предварительно растворив в небольшом количестве электролита, подогретого до 70-80 °С. Доводят рН до требуемого значения и приступают к работе. Расход блескообразователей при корректировании электролита составляет: сахарин 0,01-0,012 г/(А·ч); 1,4-бутнндиол (35 %-ный раствор) 0,7-0,8 мл/(А·ч); фталимид 0,003-0,005 г/(А·ч).

1.9 Основные неполадки процесса никелирования

Таблица 6. Основные неполадки и способы их устранения

Характер неполадок	Причина неполадок	Способы устранения
Никель на деталях не осаждается. Усиленно выделяется водород	Мала величина рН электролита (слишком кислый электролит)	Проверить рН и откорректировать его 3-х % раствором NaOH
Никель на деталях не осаждается. Детали покрываются черным мажущим налетом	1. Мала величина Dk 2. Низкая температура электролита 3. Неправильное включение полюсов на ванне 4. Наличие солей азотной кислоты в электролите	1. Повысить Dk 2. Подогреть электролит до 18-25 3. Проверить и переключить полюса 4. Проработать или сменить ванну
Частичное покрытие деталей никелем при хорошем качестве покрытия	1. Недостаточное обезжиривание деталей 2. Детали взаимно экранируются на подвеске 3. Неправильное расположение анодов или нарушение контакта отдельных анодов 4. Отсутствие контакта подвески со штангой	1. Повторить операции подготовки 2. Изменить расположение деталей 3. Улучшить контакт и расположение анодов 4. Улучшить контакт подвески со штангой
Покрытие имеет желтый оттенок, а на кромках деталей возможно образование зеленых гидратов окиси никеля	1. Высокое значение рН (щелочной электролит) 2. Чрезмерно высока катодная плотность тока	1. Проверить рН и подкислить электролит 3-х % раствором серной кислоты 2. Снизить Dk или дать усиленное перемешивание электролита
Медленное осаждение никеля	Низкая температура электролита	Подогреть электролит до 18-25
Аноды покрыты коричневой или черной пленкой	1. Высокая анодная плотность тока 2. Мала концентрация NaCl	1. Уменьшить Dk тока, увеличив поверхность анодов 2. Добавить 2-3 г/л NaCl
Никель имеет нормальный оттенок или эластичность, но отслаивается	1. Плохая подготовка к покрытию 2. Перерыв тока или изменение плотности тока	Удалить никель анодным растворением в H2SO4 и повторить покрытие
Слой никеля блестящий с продольными трещинами	Накопление в электролите более 0,1 г/л соли железа	Подкислить электролит, ввести H2O2, нагреть и перемешать, защелочить до рН 6 и отфильтровать
Никель имеет серый оттенок, плохо полируется, аноды без тока покрываются медью	Накопление в электролите более 0,02 г/л соли меди	Подкислить электролит и проработать его при низкой плотности тока
Появление черных или коричневых полос или общее почернение покрытия	Загрязнение электролита солями цинка	Добавить известкого молока или мела до рН 6,1-6,3 и отфильтровать осадок
Отслаивание никеля в виде мелких блестящих чешуек, легко осыпающихся от прикосновения	1. Слишком кислый электролит и высокая Dk 2. Низкая концентрация NiSO4 при большом содержании проводящих солей	1. Подщелочить электролит и снизить Dk 2. Добавить сернокислого никеля
Шероховатость и высокая пористость никеля	Электролит загрязнен взвешенным анодным шламом и прочими механическими примесями	Отфильтровать электролит и надеть на аноды чехлы из льняной ткани

1.10 Технологическая схема процесса и ее описание

Технологическая схема покрытия приведена в таблице 7.

Таблица 7. Технологическая схема никелирования

№	Наименование операции	Состав раствора	Концентрация, г/л	Режим работы	Продолжительность операции, с
				t,	i, А\дм2
1	Электрохимическое обезжиривание	NaOH Na2CO3 Na2SiO3	40 40 30	70	3	180
2	Двухкаскадная промывка	Вода проточная	-	30	-	300
3	Травление	HCl Ингибитор КИ-1	220 7	20	35	180
4	Никелирование	NiSO4 NiCl2 H3BO3 Уротропин	300 60 40 0,7	30	3	723
5	Двухкаскадная промывка	Вода проточная	-	30	-	300
6	Сушка	Горячий воздух	-	70	-	300

Описание:

1. Электрохимическое обезжиривание.

Это наиболее эффективный метод очистки поверхности, так как выделяющиеся на поверхности деталей пузырьки водорода или кислорода способствуют отрыву жировых частиц и других загрязнений.

На детали подать ток переменной полярности: катодный период 2-3 минуты, анодный 1 минуту. Детали завешивать в ванну в качестве катода.

2. Двухкаскадная промывка.

Для удаления с поверхности деталей продуктов реакции и растворов, оставшиеся на них после обезжиривания, их подвергают промывке в горячей проточной воде.

Промыть детали проточной водопроводной водой с температурой 8010 .

3. Травление.

Травление производится для удаления с поверхности деталей продуктов коррозии и окисных пленок, путем растворения их в кислотах или растворах щелочей. Обычно пленка оксидных соединений или других продуктов коррозии образуется на поверхности металла под действием окружающей среды. Оксидная пленка может появляться также в результате предварительной обработки металла, например, поверхность меди после термической обработки покрывается слоем окалины . Такая пленка на поверхности детали препятствует нанесению гальванического покрытия.

4. Никелирование.

Перед выгрузкой деталей из ванны замерять размер деталей и толщину покрытия.

5. Двухкаскадная промывка.

Для удаления с поверхности деталей продуктов реакции и растворов, оставшиеся на них после обезжиривания, их подвергают промывке в горячей проточной воде.

Промыть детали проточной водопроводной водой с температурой 8010 .

6. Сушка.

Сушку производить в сушильном шкафу. Для этого детали из сетчатых корзинок высыпаются на поддон сушильного шкафа. Разрешается сушить детали на воздухе. Температура сушки 40-60°С. Затем произвести термообработку деталей в сушильном шкафу при температуре 300 °С на протяжении 2-8 часов.

1.11 Требования к покрытиям и контроль качества металлических покрытий

Основные требования, предъявляемые к металлическим покрытиям, следующие:

- прочное сцепление с основным металлом;

- мелкокристаллическая структура, обеспечивающая наилучшие механические свойства;

- минимальная пористость;

- равномерная толщина покрытия.

В ряде случаев предъявляются и дополнительные требования (высокая твердость, износоустойчивость и др.).

Вид и толщина гальванического покрытия должны соответствовать требованиям стандарта или чертежа изделия.

Проверку качества нанесенного слоя производят: осмотр внешнего вида, испытанием коррозийной стойкости, механических свойств, определением пористости и толщины.

Количество деталей, отбираемых для проверки, устанавливают в каждом случае техническими условиями на приемку (обычно 0,5-5 % общего количества деталей, предъявляемых к приемке).

В случае получения не удовлетворительных результат об испытании (хотя бы на одном образце) производят повторное испытание на удвоенном количестве образцов по тем видам испытаний, которые дали не удовлетворительные результаты. Если же при повторных испытаниях будут неудовлетворительные результаты, то предъявленную партию отдают на переделку, после чего ее опять проверяют.

Контроль внешнего вида:

Покрытия осматривают невооруженным глазом. Результаты осмотра должны удовлетворять техническим условиям на данный вид покрытия. Оценка качества покрытий ответственных деталей производится по эталонам. Никелевые покрытия должны быть светлого цвета, блестящие, ровные. Не допускается точечная пятнистость, черные полосы, пятна, пузыри, трещины, отслаивание и шероховатость. Декоративные многослойные покрытия должны быть после полирования плотными, равномерно блестящими. Не допускается наличие механических повреждений, рисок, царапин, обнаженных участков.

Определение коррозийной стойкости:

Испытание на коррозийную стойкость производится с целью установления надежности и долговечности данного покрытия. Наилучшим способом является испытания в естественных атмосферных условиях. Как правило, это испытание производят на крыше здания, где изделия подвешивают на деревянные подставки. Периодически через несколько суток производят наблюдение за изменением поверхности, и отмечают время появления коррозии. Так как этот метод испытания длительный, то чаще коррозийную стойкость проверяют ускоренными способами: испытанием в туманной камере или способом погружения. При испытании в туманной камере детали подвешивают на стеклянных или пластмассовых нитях и через каждые 15 минут обрызгивают 3 %-м растворам хлористого натрия для создания искусственной влажной атмосферы.

Определение твердости покрытий:

Измеряют твердость никелевых покрытий, которые предназначены для защиты изделия от механического износа. Вследствие малой толщины гальванических покрытий, определяют твердость отдельных участков микроструктуры металла - так называемую микротвердость.

Принцип метода измерения твердости заключается в том, что в испытуемый предмет вдавливают с определенным условием алмазную пирамиду, которая оставляет отпечаток на покрытии. Величиной твердости является сопротивление, оказываемое предметом при испытании.

Контроль толщины покрытия:

Измерение толщины покрытия осуществляется следующими методами: магнитными (метод магнитного потока, пондеромоторный метод, индукционный метод), вихретоковым, термоэлектрическим и ионизирующего излучения.

1. Магнитные методы, основанные на регистрации магнитного сопротивления или силы отрыва от поверхности изделия в зависимости от толщины покрытия. Метод магнитного потока применим для измерения толщины неферромагнитных металлических покрытий и неметаллических покрытий на основах из ферромагнитных металлов. Относительная погрешность метода - ±10%.

2. Метод вихревых токов основан на регистрации изменения взаимодействия собственного магнитного поля катушки с электромагнитным полем, наводимым этой катушкой в изделии с покрытием. Метод применим для измерения толщин электропроводных и неэлектропроводных покрытий на основах из ферромагнитных и неферромагнитных материалов. Относительная погрешность метода - ±5%.

3. Метод ионизирующего излучения основан на измерении интенсивности обратного рассеяния -излучения в зависимости от толщины покрытия или регистрации и анализа возбужденного при помощи радиоизотопного источника спектра рентгеновского излучения материала покрытия и основы. В случае измерения толщины металлического покрытия разница атомных номеров металла основы и покрытия должна быть более двух единиц. Относительная погрешность метода - ±5%.

4. Термоэлектрический метод основан на регистрации разности напряжений, возникающих под действием тепла между основным металлом и металлическим покрытием, вызванной различием их масс и теплопроводностей и зависящей от толщины покрытия. Метод применим для измерения толщин никелевых покрытий на деталях из стали, меди и цинка, а также их сплавов. Относительная погрешность метода - ±15%.

5. Метод неразрушающего контроля, допустимые значения толщины покрытия, объемы и места контроля устанавливают в конструкторской и технологической документации.

2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ

2.1 Расчет фонда рабочего времени оборудования

Исходя из периодического режима работы линии при пятидневной рабочей неделе в две смены по 8 часов каждая, номинальный фонд в часах составит:

где 365 - календарный фонд времени;

105 - выходные дни;

12 - праздничные дни.

Среднегодовые потери времени принимаем равными 8 %. Действительный фонд времени работы автоматической линии T с учётом потерь времени составит:

2.2 Установление производственной программы

Годовая производственная программа с учётом брака :

где - заданная годовая производительность, м2 ;

- доля брака, принимаем 0,5 %.

Часовая программа составит :

где - часовая программа, ;

T - действительный годовой фонд времени, ч.

Составляем загрузочную ведомость (таблица 1).

Таблица 1. Загрузочная ведомость анодного оксидирования алюминия

№ п/п	Наименование детали	Характеристика детали	Габариты подвески, мм	Количество деталей на подвеске, шт.	Поверхность единовременной загрузки, м2	Годовая производственная программа с учетом брака
		Материал детали (марка)	Габариты, мм	Масса, кг	Покрываемая поверхность, м2				м2	Штук загрузочных единиц
1	Пластина	Ст.3	125 165 4	0,154	0,012	1300 100 450	76	0,91	65325	93874

Единовременную загрузку в ванну определяем в соответствии с типоразмерами ванн. Для второго типоразмера выбираем единовременную загрузку в ванну 1,2 м2 . Для процесса хромирования эта величина должна быть уменьшена примерно вдвое. Поэтому принимаем количество деталей на подвеске, равное 11 штук, что соответствует поверхности единовременной загрузки: (0,01276 = 0,91 м2)

Годовую производственную программу в штуках загрузочных единиц находим как:

2.3 Определение продолжительности обработки деталей

Определяем время никелирования одной загрузочной единицы:

где - продолжительность технологического процесса (основное время), мин;

- время, затрачиваемое на загрузку и выгрузку деталей, принимается от 1 до 10 мин.

где - толщина покрытия, равная м;

- плотность хрома - 8900 ;

- катодная плотность тока, равная 150 ;

- электрохимический эквивалент хрома, равный

;

- выход по току, доли единицы, равный 0,95;

60 - коэффициент перевода часов в минуты.

Время принимаем равным 2 мин.

.

2.4 Расчет количества и производительности основных ванн

Рассчитаем количество основных ванн N:

где N - количество ванн (округляется до целого числа в большую

сторону);

- годовая программа, штук загрузочных единиц;

- время обработки одной загрузки, мин;

- коэффициент, учитывающий подготовительно-заключительное время; принимается ~3 % от времени работы оборудования за сутки;

- действительный фонд времени работы оборудования, ч;

60 - коэффициент пересчёта минут в часы.

Принимаем семь ванн никелирования.

Расчётная годовая производительность линии составит:

где - годовая расчётная производительность, ;

- единовременная загрузка ванны, ;

- число устанавливаемых основных ванн.

Рассчитываем коэффициент загрузки основных ванн:

Ритм выдачи загрузочных приспособлений R составит:

где T - действительный фонд рабочего времени автоматической линии, с;

- коэффициент загрузки оборудования, при расчёте ритма выдачи загрузочных приспособлений можно принять равным 1;

- количество загрузочных приспособлений на годовую программу, шт.

Расчёт оптимального количества основных ванн N (дублирующий расчёт):

где - основное время (время хромирования), складывающееся из времени обработки детали на данной операции и времени, необходимого для загрузки и разгрузки основной ванны , т.е. времени рабочих и холостых ходов автооператора при загрузке и выгрузке приспособлений в основную ванну, в секундах.



где H - высота подъёма подвески, м ;

- скорость вертикального подъёма автооператора, ; принимается для выбранного типа гальванической линии в соответствии с характеристиками линии;

- высота автооператора для стекания раствора, принимается в зависимости от сложности деталей и способа обработки от 5 до 15 секунд.

Принимаем 10 секунд.

Принимаем семь основных ванн.

Расчёт количества вспомогательных ванн (ванн обезжиривания) :

где - время пребывания деталей в ванне обезжиривания, с;

- количество загрузок за цикл, равное числу основных ванн;

- длительность цикла автоматической линии, с.

где (1,1?1,2) - коэффициент, установленный опытным путём.

Принимаем три ванны обезжиривания.

Принимаем три ванны травления.

Принимаем одну ванну двухкаскадной промывки.

2.5 Расчет размеров ванн никелирования на подвесках

Рассчитаем внутренние размеры ванн никелирования. Внутренние размеры ванн определяются размером подвесочного приспособления (подвески), которая представляет собой раму с укреплёнными на ней семидесяти шестью швеллерами. Размеры подвески: 1300?100?450.

Внутренняя длина ванны складывается из длины подвесочного приспособления , расстояние между деталями или подвесками в ванне и расстояния между торцевой стенкой ванны и краем подвески :

где - размер деталей или подвески по длине ванны;

- расстояние между деталями или подвесками в ванне (30-100 мм );

- расстояние между торцевой стенкой ванны и краем детали или подвески (100-150 мм; для ванн с неизолированной внутренней поверхностью металлических стенок l3=150 мм и больше);

- количество деталей или подвесок, устанавливаемых в один ряд (или на одну штангу) по длине ванны.

Внутренняя ширина ванны определяется шириной подвески , толщиной анодов , расстоянием между подвеской и анодом и расстоянием между внутренней стенкой продольного борта ванны и анодом :

где ?1 - размер подвески по ширине ванны, составляет 100 мм;

?2 - расстояние между анодом и ближайшим краем деталей; для рельефных деталей более или менее сложной формы, ?2 берут в пределах 150-250 мм, принимаем ?2 = 200 мм;

?3 - расстояние между внутренней стенкой продольного борта ванны и анодом (50-150 мм); принимаем ?3=100 мм;

n2 - количество катодных штанг, равное 1;

n3 - количество анодных штанг (n3 = n2 +1), равное 2;

D - толщина анода, выбирается по справочнику, принимаем 8 мм.

Внутренняя высота ванны рассчитывается из высоты подвески , расстояния от дна ванны до нижнего края подвески , высоты электролита над верхним краем подвески и расстояния от поверхности зеркала электролита до верхнего края бортов ванны :

где - высота уровня электролита;

- высота деталей или подвески без подвесного крюка, высота подвески составляет 450 мм;

- расстояние от дна ванны до нижнего края деталей или подвески; величина зависит от материала ванны и обычно колеблется в пределах 150-300 мм, принимаем = 150 мм;

- высота электролита над верхним краем детали (20-50 мм), принимаем 50 мм;

- расстояние от поверхности зеркала электролита до верхнего края бортов ванны (100-250 мм), принимаем = 150 мм.

Итак, внутренние размеры ванны хромирования: 1500?800?800 мм. При расчёте внутренних размеров ванн, нуждающихся в подогреве, необходимо сделать поправки на размеры змеевиков.

Наружные размеры ванн никелирования принимаются с учётом размеров рубашки ванны никелирования.

Объём электролита в ванне никелирования составляет:

При расчёте объёма электролита в ванне уровень электролита принимается на 10-15 см ниже борта ванны, поэтому = 65 см.

Ширина ванн двух- и трёхкаскадной промывки в 1,4-1,6 и в 2,2-2,4 раза соответственно больше ширины однопозиционной промывной ванны.

Результаты расчетов представлены в таблице 9.

Таблица 9. Размеры ванн линии никелирования

Наименование ванн	Количество ванн в линии, шт.	Внутренние размеры ванн, мм	Наружные размеры ванн, мм	Рабочий объем, л
Ванна обезжиривания	3	1500800950	170010001150	960
Ванна травления	3	1500?600?950	1700?800?1150	720
Ванна никелирования	7	1500800800	170010001150	780
Ванны двухкаскадной промывки	2	15001200950	170014001150	1440

2.6 Расчет количества автооператоров

Расчёт ориентировочного числа автооператоров :

где - количество автооператоров (округляется до целого числа в большую сторону);

- коэффициент, учитывающий прямые и обратные ходы автооператора. Для автоматических линий с жёстким циклом принимается равным 1,5;

- время работы автооператора за цикл, которое складывается из суммарного времени вертикальных и горизонтальных перемещений с учётом времени остановки автооператора у ванны

где - суммарное время вертикальных перемещений автооператора на подъем и спускание подвески, с;

- суммарное время горизонтальных перемещений автооператора, с;

- время остановки автооператоров у ванн, с,

где L - средний шаг между позициями, рассчитывается по компоновочному чертежу, м;

N - общее количество ванн;

- скорость горизонтального перемещения автооператора, м/с;

H - высота подъёма подвесок, м;

- скорость вертикального перемещения автооператора, м/с;

- количество ванн, у которых задерживается автооператор;

- выстой автооператора, принимаем 5 с;

- время задержки автооператора у ванн, с.

Высоту подъёма подвесок H принимаем 1,1 м.

Принимаем 5 автооператоров.

3. МАТЕРИАЛЬНЫЕ РАСЧЕТЫ

При расчёте необходимого количества материалов следует учесть расход на первоначальный пуск оборудования и расход материалов на выполнение заданной программы.

3.1 Расчет расхода материалов на первоначальный пуск

Расчёт расхода нерастворимых анодов на первоначальный пуск:

С учётом соотношений между анодной и катодной поверхностями 2:1 масса свинцовых анодов на пуск составит:

где - расход нерастворимых анодов, кг ;

- суммарная ширина анодов, которая не должна быть меньше 60 % длины анодных штанг в ванне; внутренняя длина ванны составляет 1,5 м, значит =1,50,6 = 0,9 м;

- длина анода, которая соответствует внутренней высоте ванны и составляет 0,8 м;

- толщина анода, составляет 810?3 м;

- плотность металла анода, т.е. никеля - 8900 .

Так как аноды завешивают с двух сторон ванны, то

7 - это число основных ванн никелирования.

Данные расчёта представлены в таблице 10.

Расчёт химикатов и материалов на пуск:

Количество химикатов для приготовления электролита хромирования рассчитывается по формуле:

где - расход каждого компонента, кг;

- содержание каждого компонента, ;

- рабочий объём ванны, л ;

- количество ванн, шт.;

- коэффициент сменяемости электролита, принимаем равным 1.

Данные расчёта представлены в таблице 11.

3.2 Расчет расхода материалов на выполнение заданной программы

Расчёт расхода нерастворимых анодов.

Расход нерастворимых анодов определяется их химическим и механическим разрушением в процессе работы, вследствие чего их приходится заменять. Аноды при никелировании и электрохимическом обезжиривании рекомендуется менять 2 раза в год.

Расход нерастворимых анодов может быть рассчитан в соответствии с нормативом расхода анодов при покрытии на толщину слоя 1 мкм в г на м2. Так, для никелирования норматив составляет 9,4 г на 1 м2.

В соответствии с нормами расхода нерастворимых анодов расход свинцовых анодов на выполнение программы составит:

где - норма расхода, приходящаяся на толщину покрытия в 1 мкм, ;

- площадь поверхности, м2;

- толщина покрытия, мкм.

Данные по расчёту анодов представлены в ведомости расхода анодов (таблица 10).

Таблица 10. Сводная ведомость расхода анодов ванн никелирования

Операция	Материал, марка	ГОСТ или ТУ	Норма расхода,	Годовая программа с учетом брака, м2	Расход анодов,
					На пуск	На выполнение программы	Всего
Никелирование	Сталь Ст.3	ГОСТ 380-2005	9,4	85425	717,7	3211,98	3929,68

Расход химикатов на выполнение программы:

Расход химикатов на выполнение годовой программы составит:

где - расход каждого компонента раствора, кг ;

- суммарные потери раствора, принимаем 0,32 с учётом наличия ванны улавливания;

- концентрация каждого компонента, ;

- годовая покрываемая поверхность с учётом брака, м2.

Данные расчёта представлены в таблице 11.

Таблица 11. Ведомость расхода химикатов ванн хромирования

Операция	Компоненты, входящие в состав	Концентрация, г/л	ГОСТ или ТУ	Расход на м2	Годовая программа, м2	Общий объем ванн, м3	Расчет химикатов, кг/год
				Раствора, мл	Компонента, г			На пуске	На выполнение программы	всего
Никелирование	NaOH	40	2263	0,32	12,8	85425	0,780	218,4	1093,4	1311,8
	Na2CO3	40	5100		12,8			218,4	1093,4	1311,8
	Na2SiO3	30	50418		9,6			163,8	820,1	983,9

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Вайнер Я.В., Дасоян М.А. Технология электрохимических покрытий. - Л.: Машиностроение, 1972. - 464 с.

2. Вайнер Я.В., Кушнарёв Б.П. Оборудование гальванических цехов. Библиотечка гальванотехника. - Л.: Машиностроение, 1971. - 125 с.

3. Виноградов С.С. Организация гальванических производств. - М.: Глобус, 2012. - 208 с.

4. Гальванотехника. Справочник. /Под ред. Ажогина Ф.Ф. - М.: Металлургия, 1987. - 736 с.

5. Инженерная гальванотехника в приборостроении / Под ред. Гинберга А.М. - М.: Машиностроение, 1977. - 512 с.

6. Лайнер В.И., Кудрявцев Н.Т. Основы гальваностегии. II часть. - М.: Металлургиздат, 1957. - 647 с.

7. Лобанов С.А. Практические советы гальванику. - Л.: Машиностроение, 1983. - 248 с.

8. Макарова Н.А., Лебедева М.А. Металлопокрытия в автомобилестроении. Справочник. - М.: Машиностроение, 1977. - 293 с.

9. Оборудование цехов электрохимических покрытий. Справочник./ Под ред. Вячеславова П.М. - Л.: Машиностроение, 1987. - 309 с.

10. Павловская Н. А. Свинец, ртуть, никель: ранняя диагностика токсического действия на организм. - Липецк: ГУП ИГ Инфол, 2002. - 240 с.

11. Усанкин Н.Г. Автоматические гальванические линии с программным управлением. - М.: Машиностроение, 1967. - 84 с.

12. Флёров В.Н. Сборник задач по прикладной электрохимии. - М.: Высш. школа, 1976. - 309 с., 1987. - 319 с.

13. Чистяков В.С., Шувалов В.В. Автоматизация производственных процессов в химической промышленности. - М: Химия, 1985. - 350с.

Размещено на Allbest.ur