Автоматизированные системы управления химико-технологическими процессами

По пластичности осадки из щелочных электролитов к которым  и относится аммиакатный уступают полученным из кислых.

Процесс хромирования

В процессе катодного  восстановления хрома происходит несколько  электрохимических реакций. Конечными  продуктами электролиза хромовой кислоты  являются соединение трёхвалентного хрома, водород и металлический хром. Таким образом на катоде одновременно проходят реакции;

Сr⁶⁺ + 3е ® Сr³⁺, 2H⁺ + 2e ® H₂;

Сr³⁺ + 3е ® Сr, Сr⁶⁺ + 6е ® Сr.

На свинцовом аноде  протекают два процесса;

Н₂О – 2е ® 0,5 О₂ + 2Н⁺; Сr³⁺ – 3е ® Сr⁶⁺

Катодные пленки, образующиеся при осаждении блестящих хромовых покрытий, имеют компактную структуру и покрывают всю поверхность катода сплошным слоем. При этом потенциал разряда Н⁺ на хромовом электроде при средних и высоких i_к должен быть менее –0,75 В. Быстрое накопление газообразного водорода на микровыступах способствует микровыравниванию и возникновению блеска осадков.

Хромоцинковый электролит:

        Состав, г/л;

                хромовый ангидрид……………………140-160

                серная кислота…………………………… 4-5

                цинк (металлический)…………………..5,5-6,5

       Режим  осаждения ;

                температура, ºС…………………………..40-50

                катодная плотность тока, А/дм²………...50-70

                выход по току……………………………20-25%.

Температура электролиза  оказывает решающее влияние на выход по току и свойства получаемых покрытий. Плотность тока незначительно влияет на эти показатели процесса. В покрытии содержится 0,1-0,2 % Zn.

Особенностью процесса является чрезвычайно низкий катодный выход по току. В основном электрический ток, проходящий через электролит, расходуется на побочные процессы, главным образом на разложение воды на водород и кислород. При этом водород, выделяясь совместно с хромом на катоде, проникает в покрытие и создаёт так называемую “водородную хрупкость” – явление, с которым приходится бороться путём последующего прогревания деталей до 200 – 300 ˚С. На анодах происходит выделение кислорода. Оба газа способствуют образованию большого количества ядовитого тумана, так как увлекают с собой мельчайшие пузырьки хромового электролита, унося в бортовые отсосы не менее половины всего расходуемого хромового ангидрида.

В качестве эффективной меры борьбы с уносом электролита используем на поверхности зеркала электролита сплошной слой поплавков из полиэтилена или другого химически стойкого вещества. Пузырьки газов лопаются на поверхности поплавков, что существенно снижает унос электролита. Кроме того, применение поплавков снижает расход энергии на подогрев электролита, предохраняя зеркало испарения от остывания. Выделение тепла во время электролиза также помогает поддержанию рабочей температуры. Однако если сила тока чрезмерно велика по отношению к емкости ванны, то происходит слишком большое выделение тепла и электролит перегревается. В этом случае его необходимо охлаждать подачей холодной воды в пароводяную рубашку ванны.

Следующей особенностью процесса является применение высоких катодных плотностей тока, доходящих в отдельных случаях  до 80 – 100 А/дм². Поэтому даже при сравнительно небольшой площади покрываемых деталей общая сила тока на ванну может доходить до нескольких тысяч ампер, при напряжении на клеммах ванн 12 – 18 В.

Ещё одной особенностью процесса является весьма низкая рассеивающая способность электролита. Вследствие этого хромирование профилированных деталей следует производить с применением фигурных анодов, повторяющих профиль покрываемых деталей и создающих более равномерное распределение тока на поверхности детали.

Также особенностью процесса является возможность получения хромовых покрытий с различными свойствами из одного и того же стандартного электролита за счет изменения температуры электролита. Так, при низких температурах, порядка до 30 ˚С, осаждаются серые хромовые покрытия с низкой твёрдостью. В интервале температур 30 – 40 ˚С хромовые осадки светлеют, становятся серебристо – матовыми и повышают свою твёрдость. При 45 – 60 ˚С хромовые покрытия приобретают зеркальный блеск и наивысшую твёрдость. Они имеют весьма слабо выраженную сетку трещин, которую можно увеличить специальными приёмами, что используется в промышленности для пористого хрома. И, наконец, при 65 – 80 ˚С происходит осаждение так называемого молочного хрома, эластичного и беспористого покрытия с более низкой твёрдостью, чем зеркальный хром.

Не маловажной особенностью процесса является подготовка деталей к осаждению хрома в самой ванне хромирования. Для получения высокой прочности сцепления следует сначала выдержать детали в ванне без тока, чтобы их поверхность имела температуру электролита, при которой будет происходить хромирование. Затем производят включение тока так, чтобы поверхность деталей сначала подверглась анодной обработке в течении 15-30 с, а затем производят хромирование, переключая детали на катод. При этом в начальные моменты осаждения следует дать так называемый “толчок” тока на 0,5 – 1 мин, т.е. повысить плотность тока в 1,2 – 2 раза по сравнению с рабочей, а затем плавно снизить ее до расчётной величины.

Наконец, последней особенностью  процесса является применение нерастворимых  свинцовых анодов. При покрытии наружных поверхностей хромом отношение площади анодов к площади покрываемых деталей следует придерживать равным 2:1 [2].

По мере работы хромовой ванны в  электролите могут накапливаться  железо, медь и некоторые другие металлы.

Железо по мере накопления в электролите (главным образом вследствие анодного декапирования стальных и чугунных деталей), подобно трехвалентному хрому, суживает интервал получения блестящих осадков. Допустимое содержание железа в электролите 8-10 г/л. На практике иногда содержание железа в электролите достигает 20-250 г/л, но при этом сильно снижается выход хрома по току. Удалить из хромового электролита чрезвычайно сложно. Поэтому электролит с большим содержанием железа обычно заменяют новым.

В настоящее время имеются указания на возможность осаждения железа желтой кровяной солью. Предполагается, что реакция между желтой кровяной солью и железом, находящимся в хромовом электролите в виде окисной сернокислой соли, протекает по следующему уравнению:

3K₄Fe (CN)₆ + 2Fe₂ (SO₄)₃ = Fe₄ [Fe (CN)₆]₃ + 6K₂SO₄

Безусловно вредное действие на процесс хромирования оказывает азотная кислота. Даже при малых количествах HNO₃ в электролите, около 0,1-0,2 г/л, осадки хрома получаются темные. Поэтому примесь азотной кислоты в электролите не допускается.

 

1.7 Технологические схемы нанесения покрытия

 

Таблица 1

Схема технологического процесса цинкования

Наименование операции	Состав растворов, г/л	Режим обработки	Дополнительные параметры
1. Электрохимическое  обезжиривание на катоде и  аноде	Тринатрийфосфат 20 – 40 Сода кальцинированная техническая 20 – 40	IК 1,6-1,8А/дм2 t  5-8 мин. IА 1,6-1,8А/дм2 t  3-6 мин. t 70-80ºС	Напряжение постоянного  тока 3-6 В
2. Промывка в теплой  воде		t 45-50оС t 1-1,5 мин.
3. Промывка в холодной  воде		t цеховая t 1 мин.
4. Травление	Кислота соляная, техническая синтетическая 150 – 350 Уротропин технический 40 – 50	t цеховая t 4–9 мин.
5. Промывка в холодной  воде		t цеховая t 13 мин.	Двухкаскадная ванна

продолжение таблицы 1

6. Цинкование	Окись цинка 50-60 Хлористый аммоний 250-260 Аммиак 25-процентный 100мл/л Уротропин 60 Клей столярный (экстра) 3 – 4 Величина рН 8,2 – 8,3	IК 1–3 А/дм2 t  40–60 мин. t  15–30ºС	Напряжение постоянного  тока 3–6 В
7. Промывка-улавливание		t цеховая t 1–1,5 мин.
8. Промывка в холодной  воде		t цеховая t 1–1,5 мин.	Двухкаскадная ванна
9. Пассивирование	Хромовый ангидрид 4–10 Натрий или калий  технический двухромовокислый 25–35 Кислота азотная 3–7 Натрий сернокислый  технический 10–15	t цеховая t 0,5–1 мин.
10. Промывка в холодной  воде		t цеховая t 1 мин.	Двухкаскадная ванна
11. Промывка в теплой  воде		t 45–50оС t 1–1,5 мин.
12. Сушка		t не более 60 t опред. расчетами

 

1. Электрохимическое обезжиривание

Электрохимическое обезжиривание  поверхности деталей применяют  главным образом для удаления незначительных жировых загрязнений, оставшихся после других видов обезжиривания, следов от захвата руками деталей при монтаже на подвески или другие приспособления и т. д. Электрохимическое обезжиривание производят особо тщательно, так как даже самые незначительные загрязнения и тончайшие жировые пленки, оставшиеся на поверхности деталей, могут быть причиной дефектных покрытий.

Электрохимическое обезжиривание  стальных деталей осуществляют последовательным переключением полярности (катод-анод), причем анодную обработку ведут  кратковременно.

В процессе электрохимического обезжиривания жиры эмульгируются  выделяющимися пузырьками водорода (при катодном обезжиривании) или  кислородом (при анодном обезжиривании) на поверхности обезжириваемых деталей. При этом они в течение первых же секунд разрывают и удаляют пленку жировых загрязнений, а роль щелочного раствора является вспомогательной и заключается в обволакивании частиц масел с образованием эмульсии, а также в омылении органических и животных жиров.

2. Промывка в теплой воде

Промывка деталей является важной операцией в технологическом процессе гальванического производства. Недостаточная промывка может привести к браку покрытий, а также вывести из строя ряд последующих ванн. Нельзя допускать скопление загрязнений в ваннах промывки. Эффективность промывки во многом зависит от качества воды. Если в ней содержится значительное количество солей жесткости, то на поверхности деталей может образоваться пленка труднорастворимых карбонатов. При взаимодействии ионов солей кальция и магния с мылами образуется труднорастворимая пленка. По этим причинам воду следует очищать и умягчать. Температура воды в ванне до 50^оС.

Промывка предназначена  для наилучшего удаления с поверхности  обрабатываемых деталей загрязнений  и остатков растворов после обезжиривания.

3. Промывка в холодной воде

Промывка предназначена  для наилучшего удаления с поверхности  обрабатываемой детали загрязнений  и остатков растворов после операций нанесения покрытий, обезжиривания, травления и т. д.

4. Травление

При изготовлении, транспортировке и хранении металлические изделия и полуфабрикаты подвергаются воздействию окружающей среды – их поверхность покрывается окалиной, ржавчиной, оксидами и другими продуктами коррозии.

Для травления стальных деталей применяется смесь соляной  и серной кислоты, а также ингибитор коррозии, который не только способствует экономии металла и кислоты, но и значительно удешевляет весь цикл подготовки поверхности металлов к нанесению покрытий. Соляная кислота удаляет оксиды с поверхности металла преимущественно вследствие их растворения. В серной кислоте удаление оксидов происходит главным образом из-за подтравливния самого металла и механического удаления разрыхленного слоя оксидов выделяющимся водородом.

Травление меди производят последовательно: вначале в нитрате  натрия в течении 30 секунд, а затем в концентрированной серной кислоте. Присутствие нитрата натрия интенсифицирует процесс травления.

5. То же, что и п.3
6. Цинкование

7. Промывка-улавливание

Эта операция служит для  сбора остатков электролитов, уносимых обрабатываемыми изделиями и технологическими спутниками, и устанавливаются после ванн покрытий. Применение ванн улавливания позволяет сократить расход дорогостоящих электролитов и рационально использовать мощности обезвреживающих устройств и очистных сооружений.

8. То же, что и п.3

9. Пассивирование

Пассивирование цинковых покрытий является кратковременной, но весьма эффективной операцией повышения  химической стойкости цинковых покрытий и придания им декоративной внешности. Для этой цели оцинкованные детали после промывки в холодной воде погружают в раствор, содержащий азотную кислоту, сульфат натрия и хромовый ангидрид. Так как в состав введена азотная кислота, операция осветление совмещается с хроматным пассивированием. В результате на поверхности покрытия образуются цветные пленки радужных оттенков, состоящие из трудно растворимых гидроксохроматов хрома и цинка. После пассивирования рекомендуется промывка в холодной воде.

10. То же, что и п.3

11. То же, что и п.2

12. Сушка

Сушильные агрегаты предназначены  для сушки деталей горячим воздухом и состоят из корпуса с теплоизолированными стенками, парового или электрического калорифера, вентилятора и заслонки для регулирования подачи и отсоса воздуха.

Таблица 2

Схема технологического процесса хромирования

Наименование операции	Состав растворов, г/л	Режим обработки	Дополнительные параметры
1. Электрохимическое  обезжиривание на аноде	Тринатрийфосфат 20 – 40 Сода кальцинированная техническая 20 – 40	IА 1,6-1,8А/дм2 t  3–6 мин. t 70–80ºС	Напряжение постоянного  тока 3–6 В
2. Промывка в теплой воде		t 45–50оС t 1–1,5 мин.
3. Промывка в холодной  воде		t цеховая t 1 мин.	Двухкаскадная ванна
4. Травление	Кислота соляная, техническая синтетическая 150 – 350 Уротропин технический 40 – 50	t цеховая t 4–9 мин.
5. Промывка в холодной воде		t цеховая t 1 мин.	Двухкаскадная ванна
6. Активирование	Хромовый ангидрид 140–160 Кислота серная 4–5 Цинк (металлический) 5,5-6,5	Iк 25–40 А/дм2 t 40–50оС t 40 – 60 сек	Проводится в ванне  хромирования
7. Хромирование	Хромовый ангидрид 140–160 Кислота серная 4–5 Цинк (металлический) 5,5-6,5	Iк 50–70 А/дм2 t 40–50оС t 30 – 40 мин.	Напряжение постоянного  тока 12–18 В
8. Промывка-улавливание		t 50–55оС t 1–1,5 мин.
9. Промывка в холодной воде		t цеховая t 1 мин.	Двухкаскадная ванна
10. Промывка в теплой воде		t 45–50оС t 1–1,5 мин.
11. Сушка		t 40–50 t опред. расчетами