Автоматизированные системы управления химико-технологическими процессами

Металлические покрытия горячим методом наносят на изделие  или заготовку путем их погружения на несколько секунд в ванну с расплавленным металлом. Этим способом на изделие наносят цинк (t_пл= 419 ^оС) и другие металлы, имеющие низкую температуру плавления.

Горячим методом наносят  покрытия на готовые изделия, в основном из стали и чугуна, и на полуфабрикаты  из них (листы, трубы и проволоку). Толщина покрытия зависит от назначения изделия, природы металла, температуры, времени выдержки изделия в расплаве и составляет от нескольких микрометров до миллиметров.

Горячий метод нанесения  покрытий не обеспечивает получения  равномерных по толщине покрытий, поэтому не применяется для защиты изделий с узкими отверстиями, резьбой и изделий больших размеров. При нанесении покрытий большой толщины велик расход цветных металлов.

Термомеханический способ (плакирование) широко используют для защиты от коррозии основного металла или сплава другим металлом, устойчивым к воздействию внешней среды. Соединение металлов осуществляют в основном горячей прокаткой, при которой образуется прочное соединение двух металлов за счет взаимной диффузии металлов. Плакированием получают би и многослойные металлы.

Для плакирования применяют  металлы и сплавы, обладающие хорошей  свариваемостью: углеродистые, кислотостойкие стали, дюралюмины, сплавы меди и др. В качестве защитного покрытия для  плакирования широко используется алюминий, тантал, молибден, титан, никель, нержавеющие стали и др. Толщина плакирующего слоя колеблется от 3 до 60% толщины защищаемого металла.

Термохимическим способом защищают от коррозии автоклавы, фасонные изделия, листы, сосуды и др. Плакированные изделия находят применение в химической, нефтеперерабатывающей, пищевой и других отраслях промышленности.

Металлизация – процесс  нанесения расплавленного металла  на поверхность изделия сжатым воздухом или инертным газом. Покрытие на изделии  образуется в результате вклинивания и прилипания частиц металла в поры и неровности поверхности. Прочность сцепления покрытия с защищаемым изделием зависит от размера частиц, скорости их полета, деформации при ударе о поверхность. При металлизации получаемое покрытие имеет чешуйчатую структуру и высокую пористость, которую уменьшают увеличением толщины покрытия, шлифованием, полированием или дополнительным нанесение лаков и красок.

Металлизацию в основном применяют для защиты от коррозии крупногабаритных изделий и сооружений, например, железнодорожных мостов, газгольдеров, свай, корабельных и морских труб, вулканизационных котлов и мелких изделий, к которым другие методы не применимы.

Изделия, подвергающиеся воздействию атмосферы или находящиеся  в почве, покрываются цинком толщиной от 0,05 до 4 мм.

При металлизации расходуется  большое количество на удар и распыление, покрытие имеет пористую структуру, неравномерную толщину, низкую адгезию  к металлу.

Диффузионная металлизация -  процесс насыщения поверхности  изделий при высокой температуре устойчивыми к агрессивной среде элементами: алюминием, хромом, кремнием и бором. Её проводят при совместном нагревании изделия и элемента покрытия, который может использоваться как в виде порошка с добавкой хлоридов, так и в виде паров его летучих соединений. При таком совместном нагревании выделяющийся элемент в атомном состоянии диффундирует в поверхностный слой изделия, что обеспечивает хорошее сцепление с защищаемым металлом. Образовавшийся поверхностный слой приобретает устойчивость к газовой коррозии, повышенную твердость и износостойкость.

На фоне выше описанных методов особо хочется выделить самый распространенный – гальванический. Нанесение покрытия имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами. Покрытия получаются в процессе электролиза. Гальванические покрытия характеризуются хорошими физико-химическими и механическими свойствами: повышенной твердостью и износостойкостью, малой пористостью, высокой коррозионной стойкостью. При гальваническом методе имеется возможность точно регулировать толщину покрытия. Это особенно важно в целях экономии цветных, драгоценных и редких металлов, наконец, при электролизе водных растворов можно нанести покрытия таких металлов и сплавов, которые другими способами получить не удается [3].

 

1.4 Характеристика и условия эксплуатации деталей

 

Материал деталей (для  цинкования) – сталь Ст.3 ГОСТ 19.904 – 90 холоднокатаная. Детали с незначительной окислительной пленкой и наличием смазочных масел. Шероховатость  поверхности соответствует ГОСТ 278–73 равна Ra10. Детали относятся к первой группе сложности.

Материал деталей (для  хромирования) – сталь Ст.45. Детали с незначительной окислительной  плёнкой и наличием смазочных  масел. Шероховатость поверхности  соответствует ГОСТ 2789–73 равна Ra2,5-3,6.

Детали как с цинковым так и с хромовым покрытием  эксплуатируются в умеренном  климате под навесом, а именно при следующих условиях: отсутствие воздействия атмосферных осадков. Атмосфера загрязнена небольшим  количеством промышленных газов. Температура  воздуха от –60 до +60˚ С, относительная влажность 95 ± 3% при температуре +30˚ С [4 ].

Поэтому согласно ГОСТ 9.303 – 84 выбираем: Цинковое покрытие Ц15хр с последующим хроматированием и хромовое покрытие Хтв30 [1].

 

1.5 Сравнительная характеристика электролитов

 

Электролиты цинкования

Электролитическое выделение  цинка из растворов нашло широкое  применение в металлургии и нанесении  гальванических покрытий. Для того чтобы получить компактный осадок цинка  на катоде, в электролит добавляют  коллоидные добавки (клей, мыльный корень, крахмал, лакрицу и другие высокомолекулярные органические добавки), называемые выравнивающими добавками. Применение их позволяет увеличить плотность тока, уменьшить межэлектродное расстояние и, в конечном счете, снизить напряжение на ванне и повысить основной показатель процесса – выход по току [5].

Из числа кислых электролитов для цинкования наиболее простым  являются сульфатные. Они дают возможность  получать светлые матовые покрытия на деталях относительно простой  формы, так как рассеивающая способность таких электролитов не велика. Цинковые покрытия, получаемые в сульфатных ваннах, имеют более крупнокристаллическую структуру, чем покрытия осаждённые из цианистых электролитов, что обусловлено незначительной катодной поляризацией. Кислотность электролита имеет большое значение для правильного ведения процесса цинкования: при повышенной кислотности до рН 2–3 заметно снижается выход металла по току, падает рассеивающая способность и возникает ряд других неполадок при цинковании; снижение кислотности (повышение величины рН до 5) приводит к выпадению нерастворимых гидроокисей вследствие гидролиза сульфатов цинка и алюминия, которые, включаясь в покрытие, делают его шероховатым.

Применение цианистых  электролитов обеспечивает получение  более мелкозернистых покрытий, чем покрытия из кислых электролитов. Цианистые электролиты обладают высокой рассевающей способностью и по этому используются для покрытия деталей сложной формы. В таких электролитах избыточное количество цианидов необходимо для уменьшения диссоциации цинковой соли и увеличения катодной поляризации, что обеспечивает повышение рассеивающей способности электролита и улучшение структуры осадка. При чрезмерно большом содержании цианидов наблюдается интенсивное выделение водорода и ничтожно малая скорость осаждения цинка. Поэтому соотношение количества цианистого натрия к количеству цинка в электролите должно быть NaCN / Zn =2,0¸2,75.

В заводской практике широкое применение получили так  называемые аммиакатные электролиты  в большей степени, чем другие приближаются к цианистым и являются более устойчивыми чем аммиакатно-сульфатный, очень слабо диссоциирует в водных растворах, поэтому процесс электролиза протекает с большой катодной поляризацией. Таким образом, аммиакатный электролит лишь немного уступает по рассеивающей способности цианистому. Большим преимуществом аммиакатных электролитов является их высокая электропроводность, что позволяет особо эффективно использовать аммиакатные электролиты для покрытия мелких деталей в барабанах, так как достигается возможность получения высоких плотностей тока при сравнительно небольшом напряжении на ванне. Аммиакатные электролиты содержат большое количество ионов хлора, что следует учитывать в производственной практике, обращая особое  внимание на качество промывки деталей после цинкования. При плохой промывке даже самые незначительные остатки электролита на поверхности детали могут служить причиной ускоренной коррозии цинка в условиях эксплуатации.

Несколько меньшее распространение  в промышленности получили цинкатные и пирофосфатные электролиты. Они требуют для нормальной их эксплуатации подогрева до температуры 50˚ С, что усложняет конструкцию ванн и удорожает их эксплуатацию. Для обеспечения стабильной работы этого электролита и получения светлых осадков цинка без губчатых и дендритных отложений в электролит вводятся в небольших количествах соединения олова, ртути или свинца. Рассеивающая способность цинкатных электролитов занимает промежуточное значение между цианистыми и кислыми, уступая в этом аммиакатному электролиту. Катодная поляризация в цинкатных электролитах незначительна и хорошая рассеивающая способность обусловлена исключительно высокой электропроводностью [4].

Электролиты хромирования

Большое количество электролитов, предложенных для хромирования, в качестве основного компонента имеют в своём составе хромовый ангидрид и отличаются лишь различными добавками. В промышленности наиболее широкое применение получили три электролита: стандартный, саморегулирующийся и тетрохроматный. Стандартный электролит отличается простотой состава и удобен при эксплуатации. Он допускает большие колебания состава и режима. При корректировании такого электролита следует поддерживать постоянство соотношения компонентов равным 100:1, так как этим обеспечиваются оптимальные условия осаждения хрома. Что же касается выбора режима осаждения, то в каждом конкретном случае он определяется условиями производства. Электролит после приготовления требует проработки током не менее 4–6 ч на случайных катодах. При наличии целого ряда ценных свойств, стандартный электролит обладает и некоторыми недостатками. Так, он чувствителен к колебаниям температуры, допуская отклонения от рабочего интервала температур лишь в пределах ± 2 ˚С в течение всего времени процесса хромирования, длящегося обычно несколько часов. Если отклонение от заданной температуры превысит норму во время осаждения, то возникнут внутренние напряжения в хромовом покрытии, которые могут привести к его отслаиванию. Аналогичное действие оказывают и колебания плотности тока. Катодный выход по току весьма низок 12 – 13%.

Саморегулирующийся электролит не имеет недостатков стандартного. Характерной особенностью этого  электролита является прежде всего  постоянная концентрация аниона ,составляющая 2,5 г/л. Это явление объясняется тем, сернокислый стронций и кремнефтористый калий имеют весьма ограниченную растворимость в воде и в рабочем диапазоне температур поддерживают в растворе заданную концентрацию аниона . Несмотря на свои высокие достоинства, саморегулирующиеся электролиты не получили широкого применения, так как имеют весьма существенные недостатки, основным из которых является наличие агрессивного аниона F^– в составе электролита. Это обстоятельство приводит к быстрому разрушению свинцовой футеровки хромовых ванн. В результате, взамен рольного свинца футеровку ванн необходимо производить керамикой, винипластом, пентапластом и прочими материалами. По этой же причине непригодны и свинцовые аноды. Взамен их приходится применять аноды из свинцово-оловянного сплава. Кроме того, происходит растравливание участков деталей, не подлежащих покрытию. Особенно это относится к деталям из цветных металлов и сплавов.

Из электролитов, не требующих  подогрева, некоторое промышленное применение получил тетрохроматный электролит. Электролит отличается повышенной рассеивающей и кроющей способностями, но хромовые покрытия имеют серый, матовый вид и в 2-3 раза меньшую твёрдость, чем осадки из стандартного электролита. Поэтому хромовые покрытия из тетрахроматного электролита применяют лишь в качестве защитного покрытия с использованием меди, никеля или цинка в качестве подслоя. Низкая износостойкость и внутренние напряжения в толстых слоях не позволяют использовать серый хром для восстановления размеров изношенных деталей. Электролит менее агрессивен, чем стандартный, и в нем можно непосредственно хромировать детали из латуни, цинковых сплавов и других химически нестойких металлов. В связи с тем, что плотности тока при хромировании весьма велики, электролит может перегреваться выше допустимых температур (23-24˚ С). Чтобы этого не произошло, конструкция ванны хромирования должна предусматривать интенсивное охлаждение электролита путём непрерывной подачи воды в водяную рубашку ванны [2].

Для осаждения твёрдых  износостойких покрытий значительной толщины существует  сверхсульфатный электролит хромирования. Режим осаждения аналогичен стандартным сульфатным электролитам. Выход по току достигает 20-25%. Осадки – блестящие, характеризуются низкими внутренними напряжениями и имеют микротвёрдость до 15,7·10⁵ Н/м² [6].

 

1.6 Выбор режима и особенности процессов

 

Процесс цинкования

Цинк на катоде обычно осаждается с водородом при этом протекает следующий процесс:

Zn(OH)₄^2– + 2e ® Zn + 4 OH^– .

Побочным процессом  на катоде является разряд ионов водорода:

2 H₂О + 2e ® H₂­ + 2 OH^– .

 

Аммиакатно-уротропиновый  электролит:

        Состав, г/л;

                окись цинка ………………………………50-60

                хлористый аммоний ……………………250-260

                          аммиак 25-процентный…………………100мл/л

                          уротропин…………………………………..60

                          клей столярный (экстра)…………………..3-4

       Режим  осаждения ;

                температура, ºС…………………………..15-30

                катодная плотность тока, А/дм²……….....1-3

                выход по току……………………………96-99%.

                величина рН……………………………..8,2 –  8,3

Следует отметить, что  электролиты на основе хлористого аммония  содержат агрессивный ион хлора. Поэтому промывка деталей в воде после цинкования должна быть тщательной, особенно для деталей со сложным профилем, глухими отверстиями и щелевыми зазорами. Пренебрежительное отношение к операции промывки может привести к ускорению коррозии [2].