Диплом Султан.output

Аннотация

Вкурсовом проекте - представлен участок гальванического цеха производительностью 50000 м2. Предусмотрены процессы: оксидирования стали — 20000 м2; никелирование стали — 30000 м2.

Втехнологической части для каждого процесса рассмотрены свойства и применения 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

Оксидирование 1.Теоретическая часть

Защита металла от коррозии с помощью окисных пленок, помимо оксидирования, производится пассивированием его в специальных растворах. При осуществлении этой операции на поверхности металла образуется тонкий бесцветный или слегка окрашенный окисный слой. Заметное повышение стойкости против коррозии наблюдается у легированных сталей, в особенности у хромоникелевых. У простых углеродистых сталей оно очень незначительно. Пассивирование применяется для предотвращения коррозии деталей при межоперационном или складском хранении.

1.1. Химическое оксидирование

Основой процесса химического оксидирования стали является реакция взаимодействия металла со щелочью и окислителями. Растворяясь в горячем концентрированном щелочном растворе, железо дает закисное соединение типа Na2FeО2. В присутствии окислителей в растворе образуется соединение трехвалентного железа Na2Fe2О4. Формирующаяся на металле оксидная пленка состоит в основном из магнитной окиси железа, которая может образоваться по реакции

Na2FeO2+ Na2Fe2O4+ 2Н2O —» Fe SO4+ 4NaOH

Формирование пленки начинается с появления на поверхности металла кристаллических зародышей. По мере того как окисел покрывает металл, изолируя его от воздействия раствора, уменьшается скорость растворения железа и образования пленки. Скорость роста пленки и ее толщина зависят от соотношения скоростей образования центров кристаллизации и роста отдельных кристаллов. При большой скорости образования зародышей кристаллов их количество на поверхности металла быстро увеличивается, и кристаллы смыкаются, образуя тонкую сплошную пленку. Если же скорость образования зародышей относительно невелика, то до того, как они сомкнутся, создаются благоприятные условия для их роста и формирования оксидной пленки большей толщины.

Процесс образования на металле оксидной пленки определяется условиями, при которых проводится оксидирование. При большой концентрации в растворе окислителя возрастает скорость образования зародышей оксида и, следовательно, уменьшается толщина формирующейся окисной пленки. Уменьшение концентрации окислителя способствует росту толщины пленки', но при чрезмерно малом его содержании пленка получается механически непрочной и легко стирается. Повышение концентрации едкой щелочи способствует росту

2

толщины пленки, но в сильно концентрированных растворах на поверхности металла может выделиться рыхлый осадок гидрата окиси железа и защитные свойства пленки понизятся.

Скорость растворения стали в оксидированном растворе зависит также от ее химического состава и микроструктуры. Высокоуглеродистые стали оксидируются быстрее, чем малоуглеродистые. Поэтому при оксидировании малоуглеродистых сталей применяют растворы с повышенной концентрацией едкой щелочи. Состав стали оказывает влияние и на цвет пленки: на малоуглеродистых сталях она получается глубокого черного цвета, на высокоуглеродистых — черного с серым оттенком.

Бесщелочное оксидирование ведут при более низкой температуре, что позволяет упростить конструкцию ванн. Продолжительность процесса по сравнению со щелочным способом уменьшается в 2—3 раза. Оксидно-фосфатный слой может служить хорошим грунтом под лакокрасочные покрытия. Он используется также для декоративной отделки и защиты от коррозии изделий из углеродистых и легированных сталей, а также из цинка и его сплавов.

Основными компонентами щелочных растворов оксидирования являются едкая щелочь МеОН или КОН и окислитель, в качестве которого используют азотнокислый натрий и азотисто кислый натрий. В присутствии азотнокислых солей образуются слегка матовые пленки черного цвета. Азотисто кислые соли способствуют получению блестящих пленок с синеватым оттенком. Матовые пленки несколько более стойки против коррозии, чем блестящие.

Иногда в оксидированные растворы вводят добавки хлористого натрия, силиката натрия, щавелевокислых солей щелочных металлов, двуокиси магния хроматов. Покрытие при этом при обретает синий, фиолетовый или красноватый оттенок, но его толщина и стойкость против коррозии практически не увеличиваются.

В табл. 1 приведены составы некоторых растворов для оксидирования стали применяемые в промышленности.

3

Таблица 1

Составы растворов и режимы химического щелочного оксидирования стали

В растворе 1 получаются блестящие, а в растворе 2 —матовые пленки. Раствор 4 более экономичен, вследствие меньшей концентрации в нем азотнокислых и азотисто кислых солей. При оксидировании в этом растворе почти не наблюдается образования на деталях налета.

4

Повышение концентрации щелочи в растворе приводит к увеличению толщины оксидной пленки, но при этом на поверхности металла может появиться бурый налет гидрата окиси железа, ухудшающий качество покрытия.

Для предотвращения образования гидроокиси в раствор вводят небольшое количество желтой кровяной соли, перманганата калия или цианистого калия Положительные результаты дает пассивирование деталей перед оксидированием в растворе хромата или бихромата калия, или прогревание на воздухе при температуре 220—230° С. Образующиеся при такой обработке на поверхности металла тонкие окисные пленки предотвращают выделение при оксидировании осадка гидроокиси железа.

Для повышения защитной способности оксидных пленок предложено проводить процесс оксидирования в несколько стадий, влияя таким путем на скорость возникновения центров кристаллизации и роста кристаллов оксида.

При двух стадийном оксидировании по Л. Г. Самарцеву растворы имеют следующий состав (в г): 1 — едкий натр — 800—900, азотнокислый калий — 25 50, вода — 1000; 2 — едкий натр — 10001100, азотнокислый калий —

50—Ю0, вода— 1000. Детали обрабатываются начала в растворе 1 при температуре 140—145° С в течение 5—10 мин, затем в растворе 2 при температуре 150— 155° С в течение 30—45 мин.

В растворе 1, где концентрация щелочи понижена, образуется тонкая сплошная пленка, пассирующая металл и тем самым замедляющая его растворение. В растворе 2 происходит увеличение толщины пленки.

При трех стадийном процессе [6] применяются растворы следующего состава (в г): 1 — едкий натр — 1500—2000, вода—1000; 2 — едкий натр — 900, азотнокислый натрий — 150, вода — 1000; 3 — едкий натр 1800, азотнокислый натрий — 135, вода — 1000. Температура раствора и продолжительность оксидирования составляют соответственно 150—175° С, 10—15 мин 133—137°

С, 10—15 мин 148—154° С, 120 мин.

Повышение защитной способности пленок, полученных при многостадийном оксидировании, сравнительно невелико, но технологический процесс усложняется, чем и объясняется малое использование указанного метода в производстве.

Режим оксидирования зависит от состава раствора и обрабатываемого металла. Оксидирование обычно производят при температуре кипения раствора. Увеличение концентрации едкого натра в 1 л раствора на 10 г приводит к повышению температуры кипения примерно на 1°С.

Стали, содержащие свыше 0,7% углерода, оксидируют при начальной температуре ванны 135—137°С, закаленные и легированные стали — при

140—145° С.

5

Впроцессе оксидирования температура кипения раствора повышается вследствие испарения воды на 5—7°С.

Декоративное оксидирование продолжается 30—40 мин. Для получения пленок более стойких против коррозии продолжительность процесса увеличивается до 1—2 ч. Для получения покрытий хорошего качества оксидированный раствор должен содержать небольшое количество окисного железа. Для этого после приготовления А раствор прорабатывают в течение нескольких часов, загрузив в него стальные полосы или ненужные детали. Вместо проработки раствора в него можно добавить при приготовлении 3—5 г/л сернокислого железа.

При эксплуатации состав оксидированного раствора изменяется за счет испарения воды, разложения окислителей, накопления солей железа. О необходимости корректирования можно судить по изменению температуры кипения раствора и внешнего вида оксидной пленки. Повышение температуры кипения указывает на необходимость добавления воды, понижение ее—на необходимость добавления щелочи.

При появлении зеленоватого оттенка оксидированных деталей в ванну добавляют окислители. Образование на металле красно-бурого налета указывает на необходимость добавки окислителей или понижения температуры ванны. Точный расчет необходимого количества добавок делают на основании данных химического анализа.

Во время работы на дне ванны накапливается осадок солей железа, который следует ежедневно удалять с помощью стального сетчатого черпака.

Втабл. 2 указаны неполадки, встречающиеся при оксидировании в щелочных растворах, их возможные причины и способы устранения.

Оксидирование в бес щелочных растворах. В состав растворов для бес щелочного оксидирования входят фосфорная кислота, образующая с железом фосфаты, и окислители: перекись марганца, азотнокислый кальций или барий.

Внекоторых случаях добавляют препарат «Мажеф», способствующий образованию фосфатов.

Наибольшее влияние на качество получаемых пленок оказывает концен-

трация в растворе фосфорной кислоты. При содержании менее 2 г/л Н3РО4защитные свойства пленки ухудшаются. Обработку легированных сталей производят в растворах с большей концентрацией кислоты сравнительно с обработкой углеродистых сталей.

Значительно меньшее влияние оказывает содержание в растворе азотнокислых солей кальция или бария. Изменение их концентрации от 50 до 100 г/л практически не сказывается на качестве пленки.

Для бес щелочного оксидирования стали применяются растворы следующего состава (в г/л):

6

При оксидировании легированной стали концентрацию фосфорной кислоты в обоих растворах повышают до 10— 13 г/л. Обработка деталей в растворах, содержащих азотнокислый барий, иногда сопровождается появлением на их поверхности белого налета нерастворимых солей. При использовании азотнокислого кальция таких явлений почти не наблюдается.

Оксидирование производят при температуре кипения раствора около 100°С в течение 40—50 мин. Вначале процесс сопровождаемся бурным выделением пузырьков водорода. Прекращение выделения газа указывает на то, что формирование на металле оксидно-фосфатной пленки закончено и детали можно выгружать; из ванны.

Если на изделиях при оксидировании появляется белый рыхлый налет, то для; его удаления изделия периодически вынимают из ванны и промывают в воде, после чего продолжают оксидирование. Такой налет обычно появляется в начале работы ванны. Контроль оксидированного раствора состоит в ежедневном определении кислотности и периодическом анализе на содержание нитратов. Как принято при анализе ванн фосфатирования, кислотность выражается в «точках», которые указывают количество миллилитров 0,1 н. раствора щелочи, затраченной на титрование 10 мл рабочего раствора. Наименьшее количество свободной фосфорной кислоты, при котором можно вести оксидирование, соответствует 3,5–4 точкам. Для повышения кислотности на одну точку добавляют 1 г кислоты (считая на 100-процентную Н3РО4) на литр раствора. Определение кислотности производят 1–2 раза в смену. Корректирование раствора фосфорной кислотой производят после 1–2 загрузок деталей.

7

1.2. Электрохимическое оксидирование

При электрохимическом оксидировании скорость растворения металла и образования окисла определяется не только составом раствора, но и электрическим режимом процесса. Повышение анодной плотности тока ускоряет растворение железа и образование центров кристаллизации. Более толстые оксидные пленки получаются при сравнительно низких плотностях тока.

Электрохимическое оксидирование производится обработкой изделий на аноде в щелочном растворю. Процесс идет при более низкой температуре и требует меньшего расхода химикатов, чем при химическом оксидировании. Пленки получаются черного цвета с синим оттенком, более стойкие против коррозии, чем полученные химическим путем. Малое практическое применение электрохимического способа оксидирования связано с тем, что для его осуществления требуются дополнительные затраты на питание ванн постоянным током и специальные подвесные приспособления для загрузки обрабатываемых деталей в ванну. Низкая рассеивающая способность электролитов затрудняет обработку деталей сложного профиля.

Для анодного оксидирования стали можно использовать 40-процентный раствор едкого натра. Обработку ведут в течение 10—30 мин при температуре 122° С и плотности тока 5—10а/дм2. По другим рекомендациям плотность тока может быть понижена до 3—5а/дм2при температуре электролита 65—80°С [13].

Исследования, выполненные автором, выявили влияние условий электролиза на качество оксидных пленок и их стойкость против коррозии.

В электролите, содержащем 700 г/л едкого натра, при температуре 60— 70°С, анодной плотности тока 5—10а/дм2 и продолжительности электролиза 40 мин были получены пленки черного цвета толщиной 4—5 мкм. Понижение концентрации едкого натра, температуры раствора и уменьшение продолжительности электролиза приводят к снижению толщины оксидного слоя, увеличению его пористости, изменению окраски до коричневой и темно-желтой. Повышение концентрации щелочи и плотности тока, увеличение продолжительности электролиза по сравнению с оптимальными значениями ухудшают качество пленки она получается рыхлой, темно-коричневого цвета. Введение окислителейKNО2, KNO3, К2Сr2О7 уменьшает пористость пленок, но одновременно сужает рабочий диапазон плотностей тока, при котором получаются покрытия хорошего качества. В присутствии азотнокислого калия формируются пленки интенсивно черного цвета, в присутствии двухромовокислого калия — с синеватым оттенком.

Заметного повышения защитной способности пленок, полученных в электролитах, содержащих окислители, не наблюдается.

8

Сравнительные коррозионные испытания образцов в водопроводной воде показали, что электрохимический оксидированные образцы в 3—4 раза более стойки, чем оксидированные химическим способом в щелочном растворе.

Это связано с тем, что в первом случае получаются пленки большей толщины и меньшей пористости, чем во втором. Хорошие результаты были получены при электрохимическом оксидировании предварительно электро полированных образцов. На них получалась плотная блестящая пленка черного цвета. Стойкость против коррозии была в 5—6 раз выше, чем у химически оксидированных образцов.

При электрохимическом оксидировании изделия загружают в ванну на стальных приспособлениях, обеспечивающих плотный электрический контакт с анодной штангой. Обработка изделий на сетках или в корзинах не применяется.

1.3. Выбор электролита оксидировании

Выше были приведены наиболее распространённые электролиты оксидирования. Для осуществления процесса оксидирования насыпью в барабане, я выбираю химическое щелочное оксидирование стали, так этот электролит наиболее часто используется в промышленности и образуется тонкая сплошная пленка, пассирующая металл и тем самым замедляющая его расширение. В результате получаются блестящее покрытие.

Технология оксидирования стали

Технологический процесс оксидирования состоит из операций механической и химической подготовок, оксидирования и последующей обработки изделий с целью повышения их СТОЙКОСТИ против коррозии.

Поверхность изделий должна быть очищена от жировых и других загрязнений, продуктов коррозии. Обезжиривание и травление производят обычно в растворах, применяемых для химической подготовки металлов перед нанесением гальванических покрытий. Механическая чистовая обработка: галтовка, шлифование, полирование - применяется в тех случаях, когда требуется достигнуть хорошего декоративного вида поверхности изделии.

Бес щелочное оксидирование требует особенно тщательной очистки поверхности изделий, учитывая, что оксидировочный раствор, не обладает обезжиривающим действием.

Поступающие на оксидирование изделия должны быть изготовлены по возможности из стали одного типа углеродистой или легированной, что обеспечивает получение однородной окраски пленки. Не допускается наличие на изделиях сопряженных деталей из цветных металлов, а также паяных

9

соединений: эти материалы разрушаются в щелочном растворе, загрязняют его и ухудшают качество оксидирования.

Во время щелочного оксидирования изделия периодически вынимают из ванны и промывают в воде, после чего продолжают их обработку. При этом контролируют качество получаемых пленок по интенсивности и равномерности их окраски. Мелкие детали загружают в ванну в сетчатых стальных корзинах и в процессе оксидирования периодически встряхивают, чтобы обеспечить равномерное воздействие раствора на всю поверхность изделий. После оксидирования изделия промывают сначала в непроточной, а. затем, в проточной воде. Первая из них используется для восполнения убыли воды, испаряющейся при работе оксидировочной ванны.

Промывку следует проводить очень тщательно, так как оставшиеся на металле соли могут вызвать его коррозию. Для проверки качества промывки на поверхность изделия наносят 2—3 капли спиртового раствора фенолфталеина. В присутствии остатков щелочного раствора он окрашивается в розовый цвет.

Для полного удаления щелочи целесообразно промывать изделия в слабом растворе хромового ангидрида.

Повышение защитной способности оксидных пленок достигается про смазки, покрытием олифой или лаками. Перед пропиткой минеральным маслом промытые в воде изделия погружают на 35 мин в нагретый до 80—90°С2- 3процентный раствор хозяйственного мыла. Во избежание свертывания мыла, раствор готовят на кипяченой или конденсатной воде. После обработки в мыльном растворе поверхность оксидированных изделий хорошо смачивается маслом и плохо смачивается водой. Извлеченные из мыльно раствора изделия сушат и погружают на 5—7 мин в нагретое до 105—1 1 5 °С машинное, веретенное или трансформаторное масло. Избыток масла удаляют протиркой изделий чистой сухой ветошью. Промасленная оксидная пленка приобретает более темную и равномерную окраску.

Вместо минеральных масел для пропитки пленки можно использовать раствор смазки нефтегаз-203 или вазелина в бензине. Пропитка ведется при комнатной температуре. Растворитель удаляется с поверхности изделий при выдерживании их на воздухе. Таким путем удаётся избегнуть ручной операции протирки оксидированных деталей.

10