Технологический процесс нанесения гальванических покрытий

Технологический процесс нанесения любого гальванического покрытия включает три этапа:

—подготовка поверхностей детали к нанесению покрытия;

—обработка нанесенного покрытия.

Подготовка деталей к покрытию. Она заключается в проведении: механической обработки покрываемых поверхностей, обезжиривании обработанных поверхностей и их активации (химическая или анодная). Качество выполнения операций подготовительного этапа в значительной степени определяет прочность сцепления электролитического покрытия с поверхностью детали и его сплошность.

Механическая обработка в зависимости от назначения покрытия может осуществляться шлифованием, пескоструйной обработкой и полированием. Шлифование необходимо для придания восстанавливаемой поверхности правильной геометрической формы, а полирование — для получения необходимой шероховатости поверхности. При подготовке к нанесению противокоррозионных покрытий детали обычно обрабатывают металлическим песком в металлопескоструйных установках. Мелкие детали иногда подвергают обработке в галтовочных барабанах. Детали, подлежащие покрытию с декоративной целью, шлифуют и полируют на шлифовально-полировочных станках. Полирование обычно проводят мягкими бязевыми кругами с полировальной пастой, нанесенной на их поверхность. Обезжиривание деталей проводят в два этапа — предварительно и окончательно. Предварительное обезжиривание обеспечивается промывкой деталей органическими растворителями: уайт-спиритом, четыреххлористым углеродом, чистым бензином и др. Проводят также механическую очистку венской известью, состоящей из смеси окиси кальция и окиси магния с добавлением 3%-ной кальцинированной соды и 1,5%-ного едкого натра. Эту смесь разводят водой до кашицеобразного состояния и наносят на поверхность детали кистью. Венская известь обладает хорошей адсорбцией и способствует полному удалению жиров и масел. Так обезжиривают детали простой формы, а также громоздкие детали, у которых гальванические покрытия наносятся на небольшие участки поверхности. Окончательное обезжиривание проводят в щелочных растворах (химическим или электрохимическим способами). В первом случае деталь погружают в горячий щелочной раствор при температуре 60 °С на 5—6 мин. Недостатком обезжиривания поверхностей деталей в щелочных растворах является нагревание деталей и необходимость хорошей их промывки в горячей воде. При электрохимическом обезжиривании детали погружают на 1—2 мин в нагретый до 70—80 °С щелочной раствор, через который пропускают ток плотностью 5—10 А/дм2. При этом деталь является катодом, а анодом служат пластины из малоуглеродистой стали. Электрохимическое обезжиривание более производительно, так как кроме химического воздействия на жировую пленку происходит ее механическое разрушение образующимися на поверхности детали пузырьками водорода. Во избежание насыщения поверхности детали водородом в конце обезжиривания изменяют полярность тока на обратную и проводят обработку в течение 0,2—0,3 мин. После обезжиривания детали промывают в горячей, а затем холодной воде. Обезжиренные, промытые горячей водой детали быстро окисляются, что может привести к некачественному сцеплению покрытия с деталью. Поэтому непосредственно перед нанесением покрытия проводится активация — удаление тонких окисных пленок, образовавшихся в процессе подготовки деталей к гальваническому нанесению покрытий, с легким протравливанием поверхностного слоя металла. Эта операция обеспечивает наиболее прочное сцепление гальванического покрытия с поверхностью детали. Активация возможна химическим или электрохимическим способами. Химическую активацию деталей из малоуглеродистых и углеродистых сталей проводят в 3—5%-ном растворе серной кислоты. Для активации сталей с высоким содержанием хрома используют 5—10%-ный раствор соляной кислоты, чугунов — 3—5%-ный раствор плавиковой кислоты, а для активации меди и ее сплавов 5—10%-ный раствор серной кислоты. Электрохимическая активация (анодная обработка или декапирование) состоит в протравливании поверхностей деталей на аноде в растворах серной, фосфорной или хромовых кислот. Например, при подготовке к хромированию активацию проводят в том же электролите, в котором выполняется хромирование. Активация длится 30—45 с при анодной плотности тока 20— 40 А/дм2. После этого, не вынимая деталь из электролита, ее подключают к катоду и производят хромирование. Поверхности деталей, не подлежащие восстановлению, изолируют с помощью синтетических материалов. Содержание каждого из этапов может изменяться в зависимости от свойств и назначения гальванического покрытия. Например, при железнении активацию анодной обработкой проводят в специальной ванне с 30%-ным водным раствором серной кислоты в течение 2—3 мин при температуре 18—25 °С и анодной плотности тока для стальных деталей 60—70 А/дм2, а деталей из чугуна 10—15 А/дм2. После завершения активации детали промывают в холодной, а затем в горячей воде с температурой 50—60 °С, близкой к температуре электролита в ванне для железнения. Обработка после нанесения покрытия включает в себя ряд операций: нейтрализацию остатков электролита, промывку деталей в воде, удаление изоляции, сушку деталей, при необходимости термическую обработку, механическую обработку для получения требуемого размера и шероховатости поверхности. Порядок выполнения заключительных операций сохраняется при гальваническом нанесении любых покрытий, однако каждый гальванический процесс имеет некоторые особенности.

Рубрика: 3. Автоматика и вычислительная техника

Статья просмотрена: 2168 раз

Библиографическое описание:

Васильева Н. Г., Грачева Л. Н. К вопросу автоматизации технологического процесса нанесения гальванических покрытий на примере анодного оксидирования [Текст] // Технические науки: традиции и инновации: материалы Междунар. науч. конф. (г. Челябинск, январь 2012 г.). — Челябинск: Два комсомольца, 2012. — С. 58-62. — URL https://moluch.ru/conf/tech/archive/6/1579/ (дата обращения: 03.01.2020).

Процессы нанесения гальванических покрытий находят самое широкое применение в современной промышленности, в том числе и машиностроительном производстве. Гальванические покрытия являются одним из эффективных методов защиты от коррозии, так же широко применяются для придания поверхности деталей ценных специальных свойств.

Предприятиям, на которых существуют гальванические цеха, в целом необходимо решить две противоположные проблемы:

— с одной стороны — качество обработки деталей различной сложности при стохастическом характере их поступлений на обработку и ограничениям, как по времени обработки, так и по используемым энергоресурсам, химическим веществам и материалам, а так же повышенным требованиям к концентрации вредных выделений гальванических ванн в атмосфере цеха. Проблема экономии производственных затрат связана с высокой стоимостью энергетических и сырьевых ресурсов.

— с другой стороны — разработка и внедрение малоотходных, бессточных и высокопроизводительных автоматических лини гальванопокрытий и технологий, обеспечивающих частное или полное улавливание токсичных компонентов и возврат их в производство. Решение данной проблемы особенно актуально, так как связано с уменьшением расходов на воду, реагенты и снижением ставки налога на загрязнение окружающей среды[1].

Анодное оксидирование – один из основных методов защиты алюминия и его сплавов от коррозии. Наряду с высокими защитными свойствами анодная пленка обладает так же высокими адгезионными свойствами, благодаря чему она является хорошей основой для лакокрасочных покрытий.

Физико-механические свойства анодных покрытий зависят от большого количества технологических параметров: катодная плотность тока, температура и уровень электролита, рН раствора, длительность процесса, концентрация посторонних ионов в электролите, характер кристаллизации металла и т.д., которые необходимо измерять и регулировать в процессе нанесения гальванопокрытий [2].

Представив объект исследования — технологический процесс анодного оксидирования — как параметрическую модель (рис.1) получим, что на него оказывают влияние внешние возмущения — концентрация посторонних ионов в электролите ( Z ), состояние поверхности покрываемого металла (К), вынос электролита в процессе промывки ( Y ), испарение электролита ( I ), опыт оператора ( O ). Несмотря на то, что перечисленные параметры изменяются стохастически их влияние нужно учитывать при управлении процессом нанесения гальванопокрытий.

Входными воздействиями, обеспечивающими желаемое поведение технологического процесса нанесения гальванопокрытия анодной пленки, являются, прежде всего, мощность, подаваемая на тэны ( P ), концентрация компонентов электролита ( C ), длительность технологического процесса (τ), площадь покрываемых деталей( S ), уровень электролита( L ), качество предварительной обработки металла (Н).

Выходными управляемыми воздействиями являются температура (Т) и уровень электролита ( L ), кислотность электролита ( pH ), длительность технологического процесса(τ), плотность тока ( j ).

Рисунок 1 — Представление ТП нанесения гальванопокрытий как параметрической модели

Температура электролита. Для получения покрытий высокого качества требуется соблюдение предельного температурного режима. Повышение температуры приводит к повышению выхода по току, осадки получаются более пластичными, уменьшается наводороживание, снижаются внутренние напряжения. Однако слишком высокая температура электролита и завышенная плотность тока могут служить причиной образования рыхлой сползающей пленки. Предотвращение перегрева электролита являет одним из основных условия получения качественного покрытия. К тому же температура электролита влияет на стоимость работы и на условия труда, так как чем выше температура, тем больше теплопотери ванны и испарения. Это вынуждает стремиться к предельному снижению температуры электролита и повышать ее только в тех случаях, когда это требуется для снижения твердости осадка.

Длительность технологического процесса. Качество гальванических покрытий в большей степени зависит от точной регламентации длительности экспозиции деталей в гальванических ваннах, обусловленной требованиями конкретной технологии их обработки определяемой скоростью осаждения металла до заданной толщины. Она является одним из основных параметров, контроль которых необходим почти всегда.

Для каждой температуры существует оптимальная длительность процесса анодного оксидирования, уменьшающаяся с повышением температуры. Более длительное анодное оксидирование по сравнению с оптимальным (по времени) не приводит к утолщению анодной пленки, т.к. в этих условиях преобладающую роль начинает играть процесс растворения пленки, в результате чего, она разрыхляется и защитные свойства ее снижаются.

Уровень электролита. Уровень электролитов и растворов является важным параметром характеризующим состояние гальванических ванн. Его изменения вызваны испарением электролитов и растворов в окружающую среду и их выносом из ванн деталями. Учитывать изменение уровня электролитов и растворов особенно важно при длительном времени обработки деталей в гальванических ваннах, так как возможны случаи неполного погружения деталей, в результате чего ухудшается качество их обработки.

Кроме того, уровень электролита обуславливает электрический режим ванны, поскольку его изменения сказываются на величине ее сопротивления [3].

рН раствора. Обеспечение заданного по технологии состава электролита является необходимым условием нормального функционирования любого гальванического процесса. В этой связи большое значение приобретают вопросы регулирования кислотности и концентрации электролита. Регулирование концентрации, как правило, ограничивают стабилизацией значения рН электролита, величина которого играет существенную роль при электроосаждении металлов, обладающих более электроотрицательными потенциалами, чем водород. Так, при низком значении рН уменьшается твердость покрытия, сокращается выход по току, увеличивается пластичность. Высокие значения рН, наоборот, снижают пластичность, увеличивают твердость и выход по току [4].

Толщина электрохимических покрытий. Толщина покрытия является величиной связывающей три важных параметра процесса гальванопокрытия: длительность технологического процесса, температуру электролита и плотность тока.

Толщина электрохимических покрытий ( δ ) согласно закону Фарадея зависит от плотности тока ( i к ) и продолжительности электролиза ( τ ) и может быть вычислена с учетом выхода по току и электрохимического эквивалента ( Э ) по формуле:

где р – плотность осаждаемого металла [2].

Концентрация посторонних ионов в электролите. Гальванопокрытия захваты-

вают некоторое количество примесей их содержащихся в электролите компонентов. Фактически все, что имеется в растворе, может попасть в покрытие – как специально вводимые добавки, так и неконтролируемые загрязнения. К таким примесям относятся, продукты разложения органических добавок; катионы металлов, содержащихся в промывной воде; катионы металлов, переходящие в электролит с поверхности обрабатываемых деталей, в начальные моменты электролиза за счет химического взаимодействия; механические примеси (пыль из воздуха рабочей зоны, анодный шлам). В результате влияния посторонних примесей могут ухудшиться механические свойства покрытий: охрупчивание, появление темного налета в виде точек и пятен, и т.д. [5].

Для контроля, измерения и регистрации вышеперечисленных параметров могут быть использованы автоматические линии, автоматические участки стационарных ванн, модернизированные системы управления линиями нанесения покрытий(рис.2) .

В зависимости от возможности оперативного изменения алгоритма функционирования автоматических линий гальванопокрытий, принято различать два типа систем управления: с самонастраиванием и без самонастраивания.

Применение автоматических линий гальванопокрытий автооператорного типа с системой управления без самонастраивания оправдано в условиях мелкосерийного производства. Преимуществом их является возможность агрегатирования и использования блочного или модульного принципа сборки с применением унифицированных или нормализованных узлов. Однако уже в условиях многономенклатурного производства, когда количество технологических программ, реализуемых на автоматических линий гальванопокрытий, может достигать нескольких десятков, и возможна любая их последовательность и разное количество приспособлений с деталями по каждой программе, использование линий автооператорного типа с системой управления без самонастраивания становиться неэффективным.

Другим недостатком автоматизированных линий автооператорного типа без самонастраивания является отсутствие возможности оптимизации технологических процессов, что в свою очередь снижает эффективность их функционирования и качество покрытия обрабатываемых на таких линиях деталей.

От этих недостатков свободны автоматические линии с самонастраивающимися системами управления, в основе построения алгоритмов которых лежат математические методы. По сравнению с линиями гальванопокрытий автооператорного типа с системой управления без самонастраивания они обладают рядом преимуществ: обеспечивают наиболее полное использование технологического оборудования; обеспечивают возможность централизованного контроля и регулирования необходимого числа технологических параметров внутриванных процессов; работают в оптимальных режимах управления; их технические средства способны обрабатывать большие массивы информации от датчиков; позволяют связать управление процессом гальванопокрытий с автоматизированной системой управления гальваническим производством в целом [1].

В последнее время одной из основных особенностей модернизируемых систем управления как у нас в стране, так и за рубежом стало использование в контуре управления технологическими процессами обработки изделий специализированных микро-ЭВМ и микропроцессорной техники. Модернизированные системы управления линиями нанесения гальванопокрытий с использованием технических средств автоматизации и управления по функциональным возможностям не уступают автоматическим линиям с самонастраиванием. Они обеспечивают автоматическое поддержание рационального режима работы оборудования в пределах, не допускающих его разрушение и износ при нормальных технологических режимах работы; оперативное представление текущей информации о режиме работы участка обслуживающему персоналу; возможность оператору при необходимости вмешиваться в процесс автоматического регулирования параметров; формирование отчетных документов и т.д. Одним из важнейших преимуществ таких систем является возможность интеграции с АСУ предприятия, к тому же они в разы дешевле (в среднем их стоимость составляет от 250000 до 1000000 руб.) по сравнению с автоматическими линиями (от 10000000 и выше).

Рассмотрим, модернизированную систему управления линией нанесения гальванопокрытий на примере анодного оксидирования (рис.2).

Подобная структура системы управления технологическим процессом нанесения гальванопокрытий позволит выполнять ряд функций. К ним можно отнести: жесткий контроль за параметрами технологического процесса, сбор и обработку информации о параметрах технологического процесса; выявлять причины брака и настраивать регулируемые параметры, вести базы данных технологических процессов; протоколировать процессы принятий решений; вести отчеты тревог. Такая система может быть легко интегрирована в автоматизированную систему управления предприятия.

Последнее обстоятельство является особенно важным для решения такой актуальной задачи как комплексная автоматизация гальванического производства.

Рисунок 2 – Структура АСУ ТП нанесения гальванопокрытий (анодное оксидирование).

1. Алексеев А.Н. Повышение эффективности технологических операций и функционирования оборудования гальванохимической обработки в условиях автоматизированного гальванического производства. М.: Изд-во журнала «Новые промышленные технологии» Минатом РФ, 1997.

2. Гамбург Ю.Д. Гальванические покрытия. Справочник по применению. Москва: Техносфера, 2006.- 216с.

3. Стекольников Ю.А., Стекольникова Н.М. Физико-химические процессы в технологии машиностроения: Учеб. пособие. – Елец: Издательство Елецкого государственного университета имени И.А. Бунина, 2008.

4. Максимчук В.П., Половников С.П. Водородное растрескивание высокопрочных сталей после нанесения гальванохимических покрытий. – М.: Энергоатомиздат, 2002. 320 с.: ил.

5. Анодное оксидирование алюминия и его сплавов. Хенли В.Ф. Пер. с анг./ под ред. Синявского В.С. – М. : Металлургия, 1986. 152 с.

Похожие статьи

Влияние параметров гальванического процесса на.

Физико-механические свойства анодных покрытий зависят от большого количества технологических параметров: катодная плотность тока, температура и уровень электролита, рН раствора.

Термостабилизация процесса микродугового оксидирования

Во время процесса микродугового оксидирования в электролит выделяется огромное количество энергии.

Для этого используют системы перемешивания электролита (мешалка, барботаж сжатым воздухом или циркуляция).

Преимущества гальваномеханического осаждения металлов при.

Для повышения производительности процесса гальванического осаждения металлов прибегают к увеличению плотность тока при электролизе, температуры электролита, скорости его

Как уже отмечалось выше, различают несколько способов осаждения гальванопокрытий [1]

Модернизация автоматических систем управления.

Модернизация автоматических систем управления технологическим процессом нанесения антикоррозийного покрытия.

К вопросу автоматизации технологического процесса нанесения гальванических покрытий на примере анодного оксидирования.

Восстановление посадочных поверхностей корпусных деталей.

Для нанесения цинковых гальванопокрытий разработано много электролитов.

Хорошие результаты дает цинкование реверсивным током в сернокислых электролитах № 10 и № 11 (таблица 1).

Комплексные системы активного онлайн-контроля в режиме.

Модернизация автоматических систем управления.

Толщина покрытия является величиной связывающей три важных параметра процесса гальванопокрытия: длительность технологического процесса, температуру электролита и плотность тока.

Изучение процесса локального зондового окисления тонких.

В данной работе был исследован процесс локального анодного окисления тонких пленок титана.

Введение. Миниатюризация электронных устройств, а также увеличение плотности записи в устройствах сохранения и считывания информации требуют поиска новых материалов.

Автоматизированная установка для микродугового оксидирования

Все режимы работы ИТТ (соотношение анодно-катодных составляющих тока; форма, частота, длительность импульсов тока; временные зависимости плотности тока) задаются в

Измерение составляющих комплексной проводимости системы электрод-электролит будет.

Плазменное электролитическое оксидирование как способ.

В зависимости от режима плазменного электролитического оксидирования и состава электролита можно получать керамические покрытия

При этом основной технологический процесс изготовления деталей остается неизменным, добавляется только процесс нанесения.

Процесс состоит из трех основных этапов:

• — подготовки деталей гальваническому нанесению покрытий;
• — гальваническое нанесение покрытия;
• — обработка детали после нанесения покрытия.

Рис. 17. Схемы осаждения металлов

а — в ванне; б — деталь — ванна; в — проточный, струйным методом; г — электролитическим натиранием

Подготовка детали к нанесению покрытия включает следующие операции: механическую обработку поверхности (пескоструйная обработка, шлифование, полирование) с целью восстановления правильной геометрической формы и требуемой шероховатости; установку на подвесном приспособлении; изолирование непокрываемых участков; обезжиривание и декапирование поверхности детали. От качества выполнения этих операций зависит прочность сцепления (адгезия) покрытия с поверхностью детали. Поэтому после шлифования детали, непосредственно перед нанесением покрытия, производят «оживление» поверхности.

Обычно эту операцию производят шлифованием поверхности мелкозернистой шкуркой вручную или полированием на специальном шлифовальнополировальном станке.

Для полирования используют тканевые (бязевые) круги, на которые наносят полировальную пасту. Наиболее часто применяют пасту ГОИ. Абразивным материалом в этой пасте является мелкий порошок окиси хрома. Детали, подлежащие покрытию с декоративной целью, шлифуют на шлифовально- полировальных станках с использованием войлочных кругов, на поверхность кругов наносится абразивный порошок, который закрепляется при помощи клея. После шлифования детали полируют.

Детали, предназначенные для покрытия защитными металлами, обычно подвергают очистке металлическим песком, мелкие детали обрабатываются в галтовочных барабанах. Детали, имеющие загрязнение, подвергают предварительному обезжириванию органическими растворителями (бензин, уайт- спирит, четыреххлористый углерод, трихлор-этилен)

Поверхности деталей, не подлежащие покрытию, изолируют. В качестве изоляционных материалов при хромировании используют кислотостойкие токонепроводящие материалы — лаки и синтетические материалы: полихлорвини- ловый пластик, цапон-лак раствор целлулоидной пленки в ацетоне) и др.

С целью обеспечения правильного расположения восстанавливаемой детали относительно анодов и надежного подвода электрическою тока, применяют специальные подвесные приспособления. К конструкциям подвесных приспособлений предъявляются следующие требования:

• — быстрота установки детали и надежность крепления;
• — обеспечение равномерного распределения силовых линий на деталях;
• — обеспечение достаточного свободного подхода электролита к восстанавливаемым поверхностям и свободного выхода газов, выделяющихся при электролизе.

Обезжиривание деталей производится в щелочных растворах с последующей промывкой деталей и воде. Тонкие пленки растворенных жиров и, масел, остающихся на детали после обезжиривания и испарения растворителей, удаляют протиркой венской известью (CaO х Mg). После протирки остатки извести смывают холодной проточной водой. Равномерный сток воды с поверхности детали без образования отдельных капель указывает на то, что поверхность обезжирена качественно.

Часто для окончательного обезжиривания деталей применяют электрохимическое обезжиривание. В этом случае деталь завешивают на катодную штангу ванны со щелочным раствором (состав: едкий натр 10 г/л, кальцинированная сода 25 г/л, тринатрийфосфат 25 г/л, эмульгатор ОП-7 3 . 5 г/л). Режим обезжиривания: температура раствора 70 . 80 °С, плотность тока 5 . 10 А/дм 2 , длительность процесса 1 . 2 мин.

При электролизе на поверхности детали (катоде) выделяется водород в виде пузырьков, которые механически срывают с поверхности жировую пленку и происходит эмульгирование жиров в растворе.

Декапирование — удаление тончайших окисных пленок с поверхности детали. Этим достигается раскрытие структуры металла, что обеспечивает прочность сцепления покрытия с поверхностью детали. При хромировании декапирование производят в той же ванне, в которой производится и хромирование. Детали завешивают в ванну на анод и выдерживают 1 . 2 мин для прогрева детали, затем ведут анодную обработку при плотности тока 25 . 35 А/дм 2 в течении 30 . 45 с. После этого, не вынимая детали из ванны, переключают деталь на катод и наносят покрытие.