Методика и оборудование для нанесения гальванического покрытия

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

покрытие защитное электролит ванна

Гальванотехника - это область прикладной электрохимии, посвященная главным образом процессам нанесения металлических и неметаллических покрытий на поверхность изделий химическими способами и при прохождении тока через электролиты.

Гальванические покрытия являются одним из эффективных методов защиты от коррозии, они также применяются для придания поверхности деталей ряда ценных свойств и для улучшения внешнего вида изделий.

Наряду с покрытиями, имеющими улучшенные антикоррозионные и механические свойства, требуются покрытия с высокими оптическими (блеск) и особыми магнитными свойствами, сверхпроводимостью, жаростойкостью, способностью сохранять паяемость после длительного хранения на воздухе и др. Необходимы также интенсификация и автоматическое регулирование процесса, автоматизация управления и контроля электролитических процессов и т. д.

В настоящее время часто используют электрохимический метод обработки изделий вместо других более трудоемких и дорогостоящих методов.

Кроме электролитического существуют и другие методы нанесения металлопокрытий:

- погружение изделий в расплавленную массу металла, так называемый горячий способ, применяемый только для цинкования, лужения;

- пульверизация или распыление расплавленного металл а (в пламени газовой смеси ацетилена и кислорода или с помощью электрической дуги) -- цинка, алюминия, свинца, хрома, железа, нержавеющей стали и других -- в обычной атмосфере и в вакууме;

- термическая диффузия металла в порошкообразной или парообразной формах в поверхностные слои изделия при высоких температурах--диффузионный способ, применяемый для цинкования, алюминирования, хромирования,

- плакирование -- сущность метода состоит в совместной горячей прокатке покрываемого и покрывающего (тонкой пластины) металлов;

- химическое восстановление без наложения тока;

- контактный способ, основанный на вытеснении металла из раствора его соли другим более электроотрицательным металлом.

Наряду с некоторыми достоинствами: простота выполнения (горячий, контактный способы и пульверизация), равномерность распределения металла по поверхности изделий эти способы имеют много недостатков. Преимущества электролитического метода заключается в следующем: возможность получения осадков различной структуры с разной легко регулируемой толщиной на металлических и неметаллических изделиях; получение осадков одного и того же металла с различными свойствами (твердые и мягкие, матовые и блестящие, различной окраски); возможность получения сплавов металлов без применения высоких температур с разнообразными составом и фазовым строением. Одним из основных недостатков электролитического метода является неравномерность осадков по толщине на изделиях сложного профиля.

Основные требования к покрываемой поверхности и покрытию следующие:

- покрываемая поверхность должна быть незагрязненной, без грубых неровностей, заусенец, трещин, раковин, глубоких царапин и видимых пор;

- покрытие должно быть мелкозернистым, плотным, гладким, достаточной толщины, беспористым или минимально пористым (в допустимых пределах), хорошо сцепляющимся с основой или легко отделяющимся от нее (в гальванопластике), в некоторых случаях блестящим и выравнивающим микрорельеф поверхности, твердым или мягким (в зависимости от назначения). Толщина покрытий определяется условиями и характером эксплуатации изделий и регламентируется ГОСТ или техническими условиями.[1]

Аннотация

В дипломном проекте дается характеристика изделий и условия их эксплуатации, выбор вида покрытия и его толщины; теоретические основы технологических процессов нанесения покрытий и обоснование выбора механической обработки, операций, электролитов и режимов нанесения покрытия; технологическая часть; расчетная часть; выбор конструкции ванн и материалов для изготовления, защиты корпусов, нагревательных устройств; оборудование для механической обработки.

В первой части представлено описание своего изделия, условия эксплуатации и выбор толщины покрытия.

В технологической части приводится обоснование выбора механической обработки изделия, выбор электролита для нанесения защитного покрытия.

В расчетной части приведены технологические расчеты, а также и тепловые расчеты.

Произведен выбор ванны, а также выбор ее материала и конструкции.

1.Характеристика изделия и условия его эксплуатации. Выбор вида покрытия и его толщины

1.1 Характеристика изделия и условия его эксплуатации

Алюминий и его сплавы по масштабам производства и применения занимают первое место среди цветных металлов и сплавов, так как алюминий и многие его сплавы имеют низкую плотность и температуру плавления, хорошо поддаются сварке, прокатке, ковке, резанию, волочению, устойчивы на воздухе и в ряде агрессивных сред.

Стандартный электродный потенциал алюминия (Аl - Аl³⁺ + 3е) равен --1,66 В, что указывает на его высокую активность, однако практически он обладает высокой коррозионной стойкостью во многих агрессивных средах, так как на его поверхности при взаимодействии с кислородом воздуха образуется защитная оксидная пленка.

Коррозионная стойкость алюминия зависит от чистоты поверхности, содержания примесей, свойств агрессивной среды, ее концентрации, температуры, скорости движения потока. Алюминий устойчив на воздухе и в средах, содержащих Н₂S, SO₂, NH₃ и другие газы, в воде при нагревании, а также в растворах сульфата магния, натрия, аммония. Многие органические кислоты (уксусная, лимонная, винная) не действуют на алюминий, а муравьиная, щавелевая разрушают его. Алюминий стоек в концентрированной азотной кислоте и слабых растворах серной кислоты, в олеуме, ортофосфорной кислоте, в расплавах щелочных металлов.

В галогеноводородных кислотах, растворах щелочей алюминий легко корродирует, так как разрушается защитная пленка образуются растворимые продукты:

Аl₂O₃ + 2NaOH > 2NaAlO₂ + H₂O.

Сплавы алюминия -- дюралюмины, содержащие Cu 2,0--7,0, Мg 0,4--1,8, Мn 0,3--0,9 % (масс.), и силумины, содержащие Si 0,8--13,0, Сu 0,2--4,5,

Мg 0,5--13,0 % (масс.), менее стойки, чем алюминий, особенно дюралюмины.

Силумины устойчивы в окислительных средах, так как образуются пленки, состоящие из Аl₂O₃ и Si0₂. Однако эти пленки легко разрушаются в щелочах и плавиковой кислоте:

SiO₂ + 2NaOH > Na₂SiO₃ + H₂O;

SiO₂ + 4HF > SiF₄ +2H₂O.

При контакте с медью и ее сплавами, нержавеющими сталями алюминий и его сплавы легко разрушаются в растворах электролитов и в атмосфере на воздухе.

Алюминий широко используют при изготовлении проводов, кабелей, шинопроводов, конденсаторов, выпрямителей переменного тока, аппаратуры, для производства азотной кислоты, органических веществ, пищевых продуктов и т. д. Алюминиевые сплавы из-за высоких механических свойств находят применение в транспортном машиностроении, в автомобильной и авиационной промышленности. В химической промышленности алюминиевые сплавы применяются реже, так как они менее стойки к коррозии, чем чистый алюминий.

Таблица 1.1.1.Свойства сплава алюминия марки Д16

Марка сплава	Предел точности при растяжении, МПа	Относительное удлинение, %	Твердость по Бринеллю, МПа
Дюралюмины (Д16)	180	18	420

Эксплуатация. Вид и толщину покрытия выбирают в соответствии с требованиями конструкционно - технологической документации, определяемыми при разработке того или иного изделия, в зависимости от условий его эксплуатации.

Легкие условия характеризуются содержанием в атмосфере сернистого газа не более 0,02 мг/м³, хлористых солей не более 0,03 мг/(м² сет.); атмосфера не загрязнена газами промышленных объектов. Для средних условий эксплуатации характерна та же атмосфера, но возможно хранение изделий при холодном и умеренном климате под навесом или на открытом воздухе.

Жесткие условия эксплуатации характеризуются следующими параметрами: температура максимальна +85⁰С и минимальна -60⁰С; относительная влажность 98 % при температуре 25⁰С; содержание коррозионно-активных агентов; наличие воздействия солнечных лучей, атмосферных осадков, ветра, песка, пыли и конденсации влаги.

Особо жесткие группа эксплуатации характеризуется следующими параметрами: максимальная температура +85⁰С, минимальная -60⁰С; относительная влажность 98% при температуре 35⁰С; содержание коррозионно-активных агентов; наличие воздействия солнечного излучения, атмосферных осадков, ветра, песка, пыли, плесневых грибов и др.

Для нашего изделия выбираем средние условия эксплуатации. Изделия могут храниться в процессе эксплуатации. В помещениях (объемах) с искусственно регулируемыми климатическими условиями, например в закрытых отапливаемых или охлаждаемых и вентилируемых производственных и других, в том числе хорошо вентилируемых подземных помещениях (отсутствие воздействия прямого солнечного излучения, атмосферных осадков, ветра, песка и пыли наружного воз духа, отсутствие или существенное уменьшение воздействия рас сеянного солнечного излучения и конденсации влаги); для эксплуатации в помещениях (объемах) с повышенной влажностью (например, в неотапливаемых и невентилируемых подземных помещениях, в том числе шахтах, подвалах в почве, в таких судовых, корабельных и других помещениях, в которых возможно длительное наличие воды или частая конденсация влаги на стенах, воздухепотолке, в частности, в некоторых трюмах, в некоторых цехах текстильных, гидрометаллургических производств и т. п.), в том числе и на открытом воздухе [2].

1.2 Выбор вида покрытия и его толщины

Выбираем анодное оксидирование Al и его сплавов.

Алюминий имеет сильно электроотрицательный стандартный потенциал (-1,67 В), но вследствие сильно выраженной склонности к пассивации потенциал алюминия приобретает менее электроотрицательное значение (-0,5). Коррозионная стойкость алюминия и его сплавов зависит как от количества примесей или специально введенных в сплав добавок, так и от качества покрывающей его защитной пленки. Естественная окисная пленка не является достаточной для защиты основного металла (сплава) от коррозии, эту пленку искусственно утолщают в зависимости от требований, предъявляемых к изделиям. Процесс электрохимического оксидирования алюминия, иначе называемый анодированием, находят исключительно широкое применение не только для защиты алюминиевых изделий от коррозии, но и для защитно-декоративной отделки их, а также для защиты от механического износа.

Имеется несколько способов получения окисных пленок, но наибольшее распространение получил электрохимический способ анодного окисления.

Электролиты для анодного окисления алюминия принято подразделять на две группы.

1. Электролиты, в которых оксид алюминия практически нерастворим, например растворы слабых неорганических и органических кислот (борной, винной, лимонной) или их солей. Образующиеся в этих электролитах пленки барьерного типа толщиной до 1 мкм почти не имеют пор и являются диэлектриками. Они находят применение главным образом для изготовления электролитических конденсаторов. Толщина (d_пл) таких пленок пропорциональна напряжению U на электролизере: d_пл= аU, где а -- коэффициент пропорциональности, приблизительно равный 1,4•10^-7 см/В.

2. Электролиты, достаточно хорошо растворяющие оксид алюминия (растворы H₃PO₄, H₂SO₄, H₂C₂O₄ и некоторые другие -- более сложного состава). В них образуются пористые, проницаемые для раствора пленки, толщина которых в зависимости от условий электролиза составляет 1--500 мкм. Такие пленки получают с целью защиты от коррозии, декоративной отделки, повышения твердости и износостойкости, электроизоляции.

Анодное оксидирование алюминия в электролитах 2 группы. Реакция анодного окисления может быть выражена следующим уравнением:

2Аl + 3H₂O -- Al₂O₃ + 6Н⁺ + 6e. (1)

При протекании электрического тока на границе металл-- раствор образуется тонкая плотная пленка барьерного типа (Рис.1.2.1.), рост которой происходит в результате миграции в ней ионов алюминия навстречу ионам кислорода.

Рис. 1.2.1. Схема образования оксидной пленки на алюминии: 1 - плотная часть; 2 - пористая часть пленки.

Рис. 1.2.2. Теоретические зависимости массы оксида (1), увеличения массы образца (2); массы прореагировавшего алюминия (3) от количества прошедшего электричества: 1' и 2' - схематические кривые изменения (1) и (2) в реальных условиях электролиза.

Толщина барьерного слоя (0,01 - 0,1 мкм) остается приблизительно постоянной в течение электролиза, так как внешняя его сторона подвергается растворяющему воздействию электролита по химической реакции:

Аl₂O₃ + 6Н⁺ -- 2Аl³⁺ + 3Н₂O (2)

При этом образуется и растет пористая часть оксидной пленки. Поскольку образование оксида представляет собой электрохимическую реакцию (1), то, с точки зрения расхода электричества, реакцию (2) можно рассматривать как реакцию анодного растворения алюминия, т. е. для (1) и (2) суммарное уравнение:

Аl ---- Аl³⁺ + Зе. (3)

Таким образом, следует считать, что на аноде протекают параллельно реакции (1) и (3), которым сопутствует так же реакция выделения кислорода; каждый из этих трех процессов характеризуется своим выходом по току.

Схематические кривые (рис. 1.2.2.) 1' и 2' для реальных условий электролиза показывают, что, вследствие растворения пленки и выделения кислорода, существует некоторая предельная масса оксида (толщина пленки), которая не может быть превышена за счет увеличения продолжительности процесса. Для деталей с точными допусками по размерам практический интерес представляет характер объемных изменений при анодном оксидирования. Теоретическое соотношение масс негидратированного оксида и расходуемого на его образование алюминия соблюдается, если пленка не растворяется, хотя выход по току оксида может изменяться в зависимости от выхода по току кислорода.

С ростом концентрации кислоты (при постоянных температуре и плотности тока) и при повышении температуры увеличивается скорость растворения оксида, уменьшается толщина пленки, образующаяся за определенное время электролиза, и увеличивается ее пористость. Поэтому наращивание толстых пленок в растворе серной кислоты проводят при низкой температуре (около 0°С) или в комбинированных электролитах, менее агрессивно действующих на пленку.

Скорость образования оксида должна возрастать пропорционально плотности тока. Однако с повышением плотности тока вследствие выделения джоулевой теплоты температура в зоне роста пленки повышается. Это, в свою очередь, приводит к повышению скорости растворения оксида, а следовательно, и к замедлению ускорения его роста.

Щавелевая кислота обладает, в сравнении с серной, меньшим растворяющим действием, что позволяет наращивать более толстые пленки без понижения температуры электролита. Путем сочетания сильной неорганической кислоты (серная) с более слабыми органическими кислотами (щавелевая, сульфосалициловая, борная) в различных пропорциях разработаны оптимальные составы электролитов, в которых можно получать достаточно толстые пленки с заданными свойствами.

Напряжение на электролизере при анодном оксидировании алюминия значительно выше, чем во многих процессах электроосаждения металлов. Вследствие высокого омического сопротивления пленок основное падение напряжения сосредоточено на аноде и зависит от толщины и пористости оксида.

Свойства оксидных пленок. 1. Оксидные пленки обладают хорошим сцеплением с основой. Эластичность же пленок невелика (при изгибе оксидированного образца появляются трещины) и большей частью ухудшается с понижением температуры процесса.

2. Оксидные пленки отличаются высокой твердостью и износостойкостью. С понижением температуры процесса твердость получаемых покрытий возрастает.

3. Электроизоляционные свойства пленок, характеризуемые значением пробивного напряжения, зависят от их толщины и пористости.

4. Оксидные пленки пористы и обладают большой адсорбционной способностью. Эти свойства используют для повышения защитной способности пленок путем так называемого наполнения пленок: их обрабатывают пассиваторами, паром или горячей водой, вызывая гидратацию оксида, уменьшение его плотности и, следовательно, увеличение его объема, что приводит к уменьшению пористости. Особенно эффективна пропитка растворами хроматов и бихроматов при повышенной температуре, во время которой происходит не только гидратация оксида, но и адсорбция хромата с образованием соединений типа (AlO)₂CrO₂. Способность пленки окрашиваться также связана с ее пористостью.

Высокая прозрачность пленок необходима, если анодное оксидирование проводят с целью сохранения отражательной способности рефлекторов или блеска различных деталей, а также для декоративного окрашивания.

Окрашивание бесцветных пленок органическими красителями и неорганическими соединениями по реакции двойного обмена не позволяет получить светостойкую окраску, так как красители отлагаются лишь в верхней части пор. В связи с распространением строительных конструкций из сплавов алюминия, эксплуатируемых в жестких условиях наружной атмосферы, проводят светостойкое окрашивание путем электрохимической обработки переменным током частотой 50 Гц. В катодный период происходит разряд присутствующих в растворе ионов с образованием мелко дисперсных частиц металлов и нерастворимых оксидов -- в основном на дне пор. Окрашенные таким образом пленки наполняют растворами солей металлов (например, никеля), которые взаимодействуют с веществом пленки и образуют гидроксиды.

2. Теоретические основы технологических процессов нанесения покрытий и обоснование выбора механической обработки, операций, электролитов и режимов нанесения покрытия

2.1 Механическая подготовка поверхности изделия

Целью механической обработки является очистка поверхности от продуктов коррозии, внешних дефектов (царапин, вмятин, заусениц и пр.), уменьшение шероховатости поверхности, придание определенной фактуры, декоративного блеска.

В зависимости от природы металла, назначения, размеров и формы изделия, а также от особенностей покрытия механическая подготовка осуществляется различными способами.

Основными способами механической обработки являются шлифование, полирование, крацевание, галтование, виброабразивная обработка, струйно-абразивная и гидроабразивная обработка.

2.1.1 Шлифование и полирование абразивными кругами и лентами

Шлифование -- это операция, при которой режущими гранями шлифовального материала снимается тонкий слой металла, преимущественно на участках микровыступов поверхности, сглаживается поверхность. Съем металла при этом составляет 0,01 -- 1,03 мм, а при использовании крупнозернистого абразивного материала-- 0,1 --0,2 мм.

В зависимости от состояния поверхности детали шлифование проводят в несколько стадий с постепенным уменьшением зерна абразива. Так, шлифование эластичными абразивными кругами позволяет достигнуть шероховатости поверхности, соответствующей R_a = 1,60 -- 1,10 мкм, а последующее полирование с помощью паст - R_a= 0,05 -- 0,0 12 мкм.

Шлифование проводится с помощью твердых и эластичных кругов. Твердые круги применяют для грубой обработки с целью удаления толстого слоя термической окалины или продуктов коррозии. Эластичные круги, на поверхность которых наносится абразивный порошок различной зернистости, широко используют для сглаживания микрошероховатостей, удаления мелких рисок, раковин. Абразивным материалом при обработке чугуна и сталей служат электрокорунд, наждак, корунд, при обработке хрупких материалов-- карборунд.

Шлифование кругами осуществляется на одношпиндельных и двухшпиндельных станках, оборудованных местной вытяжкой. Круги закрепляются на шпинделях. Важное значение имеет правильный выбор круга. Универсальными кругами являются эластичные круги из сукна, фетра, войлока, кожи, фибры, брезента, парусины, хлопчатобумажных, синтетических и других материалов. На рабочую поверхность кругов нанесены (сцементированы) абразивные зерна. Структуру таких кругов регулируют изменением зернистости абразива и консистенции клея. Чем мягче обрабатываемый материал, тем эластичнее должен быть круг. Но профилированные детали рекомендуется шлифовать мягкими кругами независимо от твердости металла.

При декоративном шлифовании детали дополнительно обрабатывают кругами с мелкозернистым абразивом, смазанным специальными пастами. Этот процесс обработки называется матированием, иногда этот процесс называют «салкой» или «засалкой». Детали сложной формы обрабатывают специальными дисковыми щетками - кругами, изготовленными из морской травы или полимерными материалами (перлон, нейлон, капрон и др.). При матировании используют пасты, содержащие в качестве абразива маршалит, наждак, корунд, или безабразивные (жировые) пасты, изготовленные, например, на основе солидола.

Шлифование можно проводить абразивными лентами. Это довольно эффективный метод обработки поверхности, обеспечивающий достаточно высокую чистоту поверхности. Основные преимущества способа: возможность шлифования фасонных поверхностей, хорошее «облегание» лентой контура детали, благодаря чему увеличивается режущая поверхность и предотвращается перегрев металла. Применяют его для разных целей: при плоском шлифовании, при зачистке литых и кованных деталей, труб и листового металла, при отделке деталей сложной конфигурации и др. Шлифование лентами проводят в два приема: сначала применяют крупнозернистый абразивный материал, а затем - мелкозернистый. Скорость движения ленты выбирают в зависимости от конфигурации и материала деталей.

Абразивным шлифованием можно сгладить грубые неровности, шероховатости, но нельзя достигнуть блеска поверхности. Интенсивное сглаживание и декоративный блеск удается получить лишь с помощью полирования. Этот процесс выполняется с использованием специальных паст, наносимых на мягкие эластичные круги, и сопровождается небольшим съемом металла.

Сглаживание микрошероховатостей при полировании происходит не за счет срезания выступающих участков микрорельефа абразивными зернами, а за счет перераспределения металла по поверхности, втирания его на участках микровпадин. При этом большую роль играет не механическое воздействие обрабатывающего инструмента на металл, а химические и термохимические процессы, развивающиеся под действием полировочных паст. Поверхность металла под влиянием содержащихся в пастах активных компонентов и происходящего при полировании нагрева покрывается тонкими солеными или окисными пленками. При механическом воздействии полирующего инструмента эти

пленки разрушаются, но на обнаженных участках металла пленки сразу же вновь образуются. Твердость зерен абразива при полировании не играет большой роли как при шлифовании, так как они воздействуют на тонкие пленки, значительно менее прочные, чем металл.

Полирование металлических поверхностей проводят на том же оборудовании, что и шлифование.

Полировочные пасты содержат тонкие шлифовальные порошки, связующие вещества и поверхностно-активные добавки, например олеиновую кислоту и серу, оказывающие активирующее действие на поверхностный слой металла. Состав паст подбирается с учетом свойств металла деталей, материала круга. Пасты должны легко удаляться с поверхности детали при последующем обезжиривании. Обычно пасты содержат 60 - 70% абразивного материала и 30 -- 40% связки.

Абразивным материалом являются окись хрома, окись железа (крокус), окись алюминия (глинозем), венская известь (окись кальция с небольшой примесью магния), окись кремния. Связующими веществами являются парафин, стеарин, церезин, техническое сало, а активирующими добавками сера, олеиновая кислота. Хорошими полирующими свойствами обладают пасты ГОИ на основе окиси хрома.

Режим полирования эластичными кругами с пастами определяется твердостью обрабатываемого металла.

2.1.2 Крацевание

Крацевание применяют для очистки стальных деталей от остатков окалины после травления, травильного шлама, ржавчины, а также для снятия заусенцев. Крацевание проводят также после нанесения покрытий большой толщины (например, серебряных, цинковых, кадмиевых) для уплотнения их и придания им декоративных качеств. Этот процесс повышает износостойкость, усталостную прочность и защитные свойства изделий.

Крацевание черных металлов осуществляют с помощью дисковых или фигурных щеток из стальной проволоки диаметром 0,15 - 0,25мм. Обработку латунных, медных, серебряных деталей, а также гальванических покрытий производят медными, латунными или мельхиоровыми щетками. Щетки периодически смачивают в специальных растворах (например, в мыльном растворе или охлаждающей эмульсии).

При крацевании в начальный период обработки происходит интенсивное сглаживание шероховатой поверхности. Далее обработка ведет к полному удалению следов от предшествующей обработки и к образованию «бархатистой» поверхности.

Крацевание обычно выполняют на станках или с помощью ручного пневматического или электрического инструмента.

2.1.3 Шлифование и полирование деталей насыпью незакрепленным абразивом

К способу шлифования и полирования деталей насыпью незакрепленным абразивом относятся галтование, подводное галтование (шлифование - полирование), виброабразивная (виброгалтование) и анодно-абразивная обработка.

Галтование и анодно-абразивная обработка производятся во вращающихся барабанах или колоколах, виброабразивная обработка - в специальных установках с вибрирующими контейнерами. Перед обработкой детали должны быть тщательно обезжирены, а твердые наполнители, имеющие острые грани, - предварительно обкатаны. Обработка насыпью используется при подготовке деталей перед покрытием для сглаживания неровностей, рисок, снятия окалины, грата, грубых заусенцев и достижения необходимой шероховатости поверхности до R_z = 1,6 - 0,4 мкм (9 --10 класса шероховатости) и с целью придания им блеска.

Галтование. В процессе обработки (галтования -- шлифования - полирования) загруженные во вращающийся герметически закрытый многогранный барабан детали, перемещаясь, взаимно трутся своими поверхностями, в результате чего удаляются окалина, ржавчина, заусенцы и другие поверхностные дефекты. Такую обработку применяют в основном для металлоемких и толстостенных механически прочных деталей из черных металлов и сплавов цветных металлов при исходной шероховатости поверхности не больше R_z = 40 -- 10 мкм (4 -- 5 класса). Класс шероховатости поверхности может быть повышен на два класса при шлифовании и на два-три класса при полировании.

Основные преимущества способа галтования следующие: возможность одновременной обработки большого количества деталей, недефицитность применяемых материалов и сравнительная несложность конструкции оборудования, исключение прижогов и нежелательных фазовых превращений, часто возникающих при обработке шлифовальными кругами.

Различают сухое и мокрое (с применением различных растворов) галтование. Сухой способ галтования может быть безабразивным и абразивным. В последнем случае в барабан вместе с деталями загружают абразивные материалы, и если необходимо, наполнители, выполняющие функции амортизаторов - полировальников.

Барабаны заполняются на 1/3 -- 2/3 объема. При шлифовании на один объем деталей загружается от 2 до 8 объемов абразива, при полировании - 2 объема абразива и 1 объем металлических рабочих тел.

При шлифовании используют бой шлифовальных кругов, специальные абразивные материалы треугольной формы с округленными вершинами, абразивное зерно корунда или карбида кремния, бой гранита, базальта, фарфора.

Рабочими телами при полировании служат металлические шарики и цилиндрики, дробь, фарфоровые шарики, обрезки кожи, фетра, войлока, резины, древесные опилки, кукурузные початки и пр.

Шероховатость обработки может быть доведена при шлифовании до R_z= 10 --3,2 мкм (6 - 7 класс), при полировании до R_z = 1,6 -- 0,4 мкм (9-10 класс).

Продолжительность обработки для стальных деталей составляет 2 -- 40 ч, для латунных -- 1-- 8 ч, для деталей из алюминиевых сплавов - 0,5 -- б ч.

Подводное галтование (шлифование -- полирование). Обработку деталей проводят в перфорированных барабанах или колоколах. Барабаны с деталями, абразивными материалами и наполнителями погружают в ванну с нейтральным раствором. В жидкой среде происходят механическое снятие микронеровностей и обкатка поверхностного слоя металла. Жидкая среда ослабляет шлифующее действие абразива, повышает степень блеска полируемых деталей в результате химического воздействия и непрерывного вымывания из рабочей емкости отделенных от абразива и наполнителя мелких частиц.

Барабан вращается со скоростью 25 -- 60 об/мин. В раствор барабан погружается на 50 -- 80 % объема. Уровень раствора в ванне устанавливается на 25 --30 мм выше уровня загруженного барабана.

Жидкой рабочей средой служит 0,2 -- 0,5 % раствор мыла, 10 -- 15 % раствор кальцинированной соды или их смесь, часто вводится еще 20 -- 30 г/л тринатрийфосфата. Обработка ведется при комнатной температуре, при шлифовании температура может быть 60 --70 °С. Время обработки зависит от обрабатываемого металла и составляет 8 --24 часа.

При подводном шлифовании (исходная шероховатость R_z = 10 -- 6,3 мкм) шероховатость снижается до R_z = 6,3 -- 3,2 мкм, при подводном полировании (исходная шероховатость R_z = 6,3 - 3,2 мкм) шероховатость достигает R_z 1,6 -- 0,8 мкм.

Преимущества подводного шлифования и полирования:

- высокая производительность;

- меньшая трудоемкость, чем при обработке шлифовальными и полировальными кругами;

- возможность обработки изделий различных размеров: от ювелирных украшений до изделий весом до 1 кг.

Недостатком такой обработки является сильный шум. Для снижения шума применяют специальные гидроглушители.

Виброабразивная обработка (виброгалтование). Сущность метода обработки состоит в том, что деталям и абразивной среде, загруженным в контейнер (барабан или колокол), сообщают колебательные движения, имеющие различную частоту (1500 - 2000 колебаний/мин) с амплитудой 1,5 -- 4 мм. В результате детали подвергаются вибрации, обеспечивающей интенсивное их перемещение в абразивной среде по сложным траекториям вокруг горизонтальной и вертикальной оси установки. При этом происходит интенсивный съем металла, шлифование и полирование.

Емкость контейнеров обычно составляет 0,075 -- 0,2 м³ контейнеры заполняются на 70 -- 80 % объема. Соотношение рабочей среды и обрабатываемых изделий может колебаться в широких пределах от 1:2 до 5:1, это соотношение зависит от вида работ, конфигурации и жесткости изделий, от требований к качеству обработки. Время обработки обычно составляет 0,5 --4 часа.

Виброгалтованием можно получить высокий класс декоративной отделки (R_z = 0,8 -- 0,4 мкм) на деталях сложного профиля, на деталях с криволинейными поверхностями, на пружинах, деталях с внутренними полостями, а также тонкостенных и хрупких, легко деформирующихся. Это связано с тем, что детали находятся во взвешенном состоянии и не повреждаются.

Виброабразивную обработку производят тремя способами: сухим, влажным и мокрым.

При мокром способе в рабочую смесь (детали и твердый наполнитель) непрерывно подается рабочая жидкость со скоростью 3,5 - 5 л/мин. Это самый эффективный метод, при такой обработке отходы удаляются потоком раствора.

При влажном методе в контейнер с деталями и твердым наполнителем одновременно вносится рабочая жидкость (до 20 % объема).

При сухом методе вибрационной обработки в барабане находятся только детали и твердые наполнители.

Твердые наполнители могут быть самые разнообразные:

- абразивные материалы в виде трехгранных и ромбических призм, цилиндриков;

- металлические рабочие тела в виде звездочек, шариков, цилиндриков;

- материалы органического происхождения (кубики из древесины лиственных пород, кусочки кожи, косточки абрикосов и пр., на поверхности которых находятся абразивные порошки, пасты).

В зависимости от природы металла, исходной поверхности и необходимого качества обработки рабочими жидкостями служат нейтральные, кислые и щелочные растворы с добавками поверхностно-активных веществ.

Вибрационная обработка характеризуется высокой производительностью и высоким качеством отделки.

Анодно-абразивная обработка. Анодно-абразивная обработка сочетает механическую обработку с электрохимическим растворением. Она применяется для деталей размерами 10 - 100 мм, имеющих участки, недоступные для обработки способом галтования, и при наличии на поверхности дефектов больших размеров, острых кромок и заусенцев.

Детали помещают в барабан, заполненный электролитом. В электролит погружены жестко закрепленные пластины электроды, подключенные к источнику переменного тока напряжением 25 В. Детали выполняют функцию биполярных электродов. В качестве электролитов используют водные растворы хлористого натрия (для черных и цветных металлов), азотнокислого натрия (для сплавов алюминия и меди), азотной кислоты (для сплавов алюминия).

2.1.4 Струйно-абразивные методы обработки

Сущность струйно--абразивной обработки состоит в том, что на обрабатываемую поверхность под определенным давлением струей подается воздух со взвешенными абразивными частицами (в сухом виде или в виде пульпы), в результате чего поверхность очищается.

Струйно--абразивную обработку выполняют с целью:

- удаления окалины и ржавчины;

-снятия заусенцев;

- зачистки швов после сварки и пайки;

- удаления загрязнений и различных включений, мешающих прочному сцеплению гальванических, химических и лакокрасочных покрытий;

- уменьшения шероховатости поверхности;

- выполнения матирования поверхности деталей, изготовленных из металла, пластмассы, стекла;

- получения рисунков и надписей на любых материалах (с помощью шаблонов);

Существует большое количество струйно--абразивных методов обработки поверхности. Наиболее часто применяют следующие методы: пескоструйный, гидропескоструйный, дробеструйный.

Пескоструйная обработка. Пескоструйной обработкой придают шероховатость поверхности, чем обеспечивают хорошее сцепление покрытий с основным металлом. Оптимальные результаты достигаются при обработке поверхности кварцевым песком, но такой песок вредно воздействует на здоровье рабочих (заболевание силикозом), поэтому применяют кварцевый песок только при специальном разрешении. Обычно поверхность деталей обрабатывают увлажненным песком, т.е. гидропескоструйным методом или используют другие абразивные материалы.

Гидропескоструйная обработка. При этой обработке на поверхность металла воздействуют струей воды, содержащей во взвешенном состоянии зерна абразивного материала. Такая обработка во многом сходна с обработкой сухим песком, т.к. в обоих случаях обрабатываемая поверхность испытывает ударное действие непрерывного потока абразивных зерен.

Соотношение песка и воды принимают в пределах 1:2 - 1:6 (по объему). Кроме кварцевого песка применяют оксид алюминия, карбид кремния, карбид бора и другие материалы с размером частиц 0,8 -- 1,0 мм. Для достижения незначительной шероховатости с целью получения сатинированной поверхности применяют стеклянные шарики диаметром 4 мкм.

В суспензию (абразивную жидкость) вводят химические реактивы, ускоряющие процесс съема металла, повышающие качество поверхности и предохраняющие обработанную поверхность от коррозии. В качестве добавок в суспензию вводят: для черных металлов -- карбонат натрия, нитрит натрия, триэтаноламин и др.; для медных сплавов - моноэтаноламин, бихромат калия и др., а также ПАВ.

Струю направляют на обрабатываемую поверхность под углом 30 - 45?.

С целью повышения коррозионной стойкости обработанные суспензией детали пассивируют в растворах, содержащих нитрит натрия, карбонат натрия при 65 --75? в течение 1,5 --2 мин.

Дробеструйная обработка. Дробеструйная обработка принципиально не отличается от пескоструйной обработки. Применяют ее для упрочнения поверхности деталей, снятия окалины, ржавчины и других поверхностных дефектов.

В качестве абразива при дробеструйной обработке применяют материалы, близкие по электрическим характеристикам обрабатываемому металлу Оптимальная величина шероховатости достигается при размере металлического песка не более 0,8 мкм.

Процесс состоит в том, что металлический песок или дробь, вылетая из сопла с определенной скоростью, ударяется об обрабатываемую деталь и вызывает пластическую деформацию ее поверхностного слоя. В этом слое возникают остаточные напряжения сжатия, проникающие на глубину примерно 0,15 -- 0,4 мм.

Размер металлического песка или дроби влияет на внешний вид обрабатываемой поверхности. Чем меньше дробь, тем меньше шероховатость поверхности, тем более высокий класс декоративной отделки.

Для очистки поверхности широко применяют металлический песок, при этом используют пескоструйные аппараты, дробеструйные и дробеметные установки. Для очистки деталей из сплавов цветных металлов (алюминия и др.) применяют литую алюминиевую дробь, дробленные фруктовые косточки, дробленную пластмассу, стеклянные шарики и т.п. Применение стеклянных шариков (диаметром 44 - 590 мкм) позволяет значительно быстрее и качественнее очищать самые разнообразные детали от коррозии нагара, краски и других загрязнений.

Все операции механической обработки должны сопровождаться мощной вентиляцией.

Выбираем механический способ подготовки поверхности алюминия и его сплавов к покрытию - подводное галтование (шлифование - полирование), т. к. преимуществами этого способа:

- возможность одновременной обработки большого количества деталей;

- недефицитность применяемых материалов и сравнительная несложность конструкции оборудования;

- исключение прижогов и нежелательных фазовых превращений, часто возникающих при обработке шлифовальными кругами;

- высокая производительность;

- меньшая трудоемкость, чем при обработке шлифовальными и полировальными кругами;

- возможность обработки изделий различных размеров: от ювелирных украшений до изделий весом до 1 кг.

А недостаток лишь в том, что происходит сильный шум, но его можно предотвратить специальными гидроглушителями.

Состав раствора для подводного галтования:

Раствор мыла - 0,2-0,5%,

Раствор кальцинированной соды - 10-15%,

Тринатрийфосфат - 20-30 г/л,

Температура ⁰С - 50-55

2.2 Выбор способа обезжиривания

Включает химические и электрохимические процессы обезжиривания, травления полирования и активации.

Подготовку деталей перед покрытием начинают с процесса химического обезжиривания поверхности для удаления следов минерального масла, консервационных смазок, полировочных паст и т. д. Жировые загрязнения могут быть животного и растительного происхождения (омыляемые жиры) и минеральные масла.

Из негорючих органических растворителей для обезжиривания обычно применяют хлорированные углеводороды: тетрахлорэтилен или трихлорэтилен. Обезжиривание проводят, обрабатывая деталь последовательно в жидкой (погружением) и паровой фазах при 87?С для трихлорэтилена. Эти процессы ведут в специальном герметизированном оборудовании, так как при высокой температуре хлорированные углеводороды разлагаются с выделением токсичных соединений. Трихлорэтилен гидролизуется влагой с образованием соляной кислоты, поэтому в него вводят триэтаноламин и др. в количестве 0,01г/л растворителя. Трихлорэтилен может взаимодействовать при высокой температуре с алюминием и его сплавами, поэтому поверхности этих металлов рекомендуется обрабатывать при температуре не выше 70?С.Тетрахлорэтилен более устойчив и его можно применять для обезжиривания всех металлов, кроме титана.

Обезжиривание поверхностей, загрязненных жирами растительного и животного происхождения, можно проводить также растворами щелочей. Алюминий и его сплавы легко растворяются в растворах щелочей. Поэтому для обезжиривания их применяют менее концентрированные щелочные растворы, содержащие жидкое стекло, в присутствии которого на металле образуется пленка, предохраняющая поверхность от разрушения. Время обезжиривания от 5 до 20 мин в зависимости от характера загрязнений и металла изделий.

Электрохимическое обезжиривание - способ обезжиривания металлов на катоде или на аноде в щелочном растворе под действием электрического тока.

Травление - процесс удаления продуктов коррозии и оксидных соединений с поверхности металла путем растворения их в кислотах или растворах щелочей.

Химическое травление проводят после обезжиривания деталей путем погружения их в травильный раствор. С повышением температуры скорость травления возрастает, особенно в серной кислоте, поэтому рекомендуется поддерживать температуру раствора 40 - 80?С. Для снижения количества выделяемого водорода в ванны травления добавляют специальные замедлители или ингибиторы травления (поверхностно-активные вещества).

Для травления алюминия и его сплавов применяют 10 -15 %-ные растворы щелочи, содержащие 20 - 25 г/л NaCl. Для последующего осветления поверхности алюминия изделие погружают в концентрированную азотную кислоту на несколько секунд.

Травление поверхностей металлов может осуществляться электрохимическим способом на катоде и на аноде.

Химическое и электрохимическое полирование применяются для отделки очищенных металлических изделий для получения блестящей гладкой поверхности. При полировании в отличии от процесса травления растворяется не слой оксида, а внешний слой металла, в результате чего сглаживаются микронеровности поверхности.

Для химического полирования поверхностей детали из алюминия и его сплавов погружают в смесь ортофосфорной, серной и азотной кислот при 60 -100?С на 1 -5 мин. Этот способ прост, но не обеспечивает получения зеркально-блестящей поверхности.

Электрохимическое полирование более эффективно, чем химическое, и менее трудоемко, чем механический способ обработки.

Изделия из алюминия и его сплавов обрабатывают в смеси ортофосфорной кислоты (500 - 1100 г/л), триоксида хрома (30 - 80 г/л), серной кислоты (250 - 500 г/л); плотность раствора 1063 - 1,72 г/см³.

При непосредственном осаждении на эти металлы электрохимических покрытий добиться прочного сцепления их с основой затруднительно из-за наличия на поверхности легко образующихся на воздухе прочных оксидных пленок. Помимо этого, алюминий, титан и магний, являясь сильно электроотрицательными металлами, активно взаимодействуют со многими электролитами и подвергаются разрушению. Поэтому перед нанесением электрохимических покрытий проводят специальные подготовительные операции, чтобы не только освободить травлением покрываемую поверхность от естественной оксидной пленки, но и предупредить повторное ее образование.

На поверхности изделий из алюминия и его сплавов практикуется нанесение дополнительного защитного слоя цинка, никеля или железа (с последующим меднением из цианидного электролита) или создание пористой оксидной пленки электрохимическим способом.

Промежуточный слой цинка обычно наносится путем обработки изделия в концентрированном цинкатном растворе ZnО + NaOH. При этом алюминий, вытесняя цинк из раствора, покрывается плотной тонкой пленкой цинка, которая защищает его от окисления и агрессивного действия электролитов. Затем наносится слой меди толщиной 1--2 мкм из цианидного электролита с малым содержанием свободного цианида (чтобы не повредить слой цинка), и далее осаждается требуемое покрытие.

Оксидный промежуточный слой можно наносить способом анодного оксидирования в фосфорной, щавелевой или серной кислоте с последующей обработкой покрываемого металла в горячем растворе (50-- 60 °С) соды для получения пористой и шероховатой поверхности.

Разработаны способы никелирования и меднения алюминиевых сплавов из специальных электролитов без нанесения промежуточных слоев; при этом для обеспечения надежного сцепления покрытия с основой после осаждения никеля и меди необходимо прогревать детали в течение 30 мин при 200°С.

Активация - операция, проводимая непосредственно перед нанесением металлических покрытий для удаления тонких пассивирующих пленок, появляющихся в процессе подготовки изделий.

После каждой подготовительной операции детали тщательно промывают в водопроводной воде, чтобы освободить их поверхность от остатков загрязнений и химических веществ. Для промывки применяют теплую воду (40 - 59?С) - после операций обезжиривания, хроматирования, горячую воду (60 - 90?С) - перед сушкой деталей (кроме хроматированных цинковых и кадмиевых покрытий) и воду комнатной температуры - во всех остальных случаях.

2.3 Выбор электролита

Стандартный потенциал алюминия - 1,67 В, но вследствие его склонности к пассивации он приобретает меньший отрицательный потенциал (-0,5 В). Коррозионная стойкость алюминия и его сплавов зависит от количества примесей или специально введенных в них добавок, а также от качества и вида окисного покрытия. Процесс получения эмаль - покрытий находят все более широкое применение для защиты от коррозии, защитно - декоративной отделки или придания алюминию и его сплавам специальных свойств (электроизоляция, светопоглощение и др.).

2.3.1 Анодирование в сернокислом электролите

Детали, изготовленные из Д16, АМгI, АВТ-1 и других сплавов методом штамповки или точения, а также методом литья из сплавов АЛ9, АЛ11, АЛ22, АЛЗ2 с целью повышения коррозионной стойкости и улучшения товарного вида, анодируют в растворах серной кислоты. Подготовка деталей под анодирование в основном ведется по технологии, применяемой в гальванотехнике при покрытии изделий из алюминия и его сплавов.

Сернокислый электролит анодирования содержит 170--250 г/л Н₂SO₄ (1,8-- 1,82). Режим анодирования: температура электролита 13 - 26°С, i_a = 0,5 -- 1,5 А/дм²; напряжение 10--25 В; S_a:S_к изменяется от 1:1 до 1:5; катод -- из свинца; S_a = 0,5 ? 1,0 дм²/л, время анодирования 30--50 мин. В процессе анодирования по мере роста окисного покрытия плотность тока самопроизвольно падает. После соответствующей промывки в холодной, а затем в горячей воде, детали загружают в ванну с целью гидратирования окисла и замыкания пор в результате увеличения объема окисла. Раствор состоит из К₂Сr₂O₇ (100 г/л) и Nа₂CO₃ (18 г/л). Температура раствора 90-- 95°С, рН = 6 ? 7, продолжительность наполнения до 10 мин. Далее детали промывают в сборнике для улавливания хромпика в горячей воде и сушат в специальных камерах, обогреваемых калорифером или теплоэлектронагревателями с принудительной циркуляцией горячего воздуха. Окисное покрытие можно гидратировать в горячей воде без добавок наполнителя.

С увеличением концентрации серной кислоты пленка растет медленнее, так как более концентрированный раствор быстрее растворяет растущую пленку. Такие пленки отличаются большей пористостью и лучше заполняются хроматом или красителем.

После включения тока за 1--2 мин напряжение достигает предельного значения, причем с увеличением силы тока напряжение увеличивается незначительно. Это указывает на то, что при более высоких значениях а получаются пленки с меньшим сопротивлением вследствие нагревания электролита, находящегося в порах. Поэтому в процессе анодирования необходимо постоянное охлаждение электролита. Оптимальную плотность тока надо выбирать с учетом температуры (Рис. 2.3.1.1.).

Рис. 2.3.1.1. Зависимость между напряжением и плотностью тока при сернокислом анодировании чистого алюминия.

При повышении температуры электролита от 20 до 50°С толщина оксидной пленки уменьшается более чем в 10 раз.

Примеси хлоридов в электролите приводят к местным разрушениям пленки и результате концентрации тока и разъеданию металла в этих местах. Определенное влияние оказывает состав окисляемого металла (сплава), дюралюминий и чистый алюминий анодируются легче, чем кремнистые сплавы. На силумине образуется более тонкая и менее пористая пленка, чем на чистом алюминии. Цвет пленки на силуминах темно-серый. Она не может быть окрашена в светлые тона. С увеличением содержания меди и кремния в сплавах получаются более тонкие и плотные пленки. В процессе анодирования концентрация серной кислоты в электролите естественно уменьшается, и ее добавляют согласно результатам химического анализа.

Окисные покрытия образованы в результате окисления основного металла и в отличие от металлических или лакокрасочных покрытий обладают надежным сцеплением.

Твердость анодизационных покрытий на алюминии и его сплавах зависит от химического состава основного металла (сплава), а также от способа их нанесения. Наибольшую твердость имеют покрытия, получаемые на чистом алюминии в сернокислом электролите. Твердость окисных твердых покрытий близка к твердости естественного кварца и топаза (наждачная бумага не оставляет на них следов). Так, твердость окисного электроизоляционного покрытия, полученного из сернокислого электролита при 2,5 А/дм² составляет 770 кгс/мм² (при 14°С), а при 30°С и переменном токе 185--225 кгс/мм².

2.3.2 Анодирование в сульфосалициловом электролите

Детали, изготовленные методом точения и имеющие посадочные места, анодируют в трехкомпонентном электролите (в г/л):

Сульфасалициловая кислота

(С₆Н₆О₆S•2H₂O) ………………………….80 - 100

Щавелевая кислота (С₂H₂O₄) ……………30 - 40

Серная кислота ……………………………3 - 5

Режим анодирования: температура электролита 10 ± 5°С, i_а = 1,5 А/дм², напряжение 70--85 В, время выдержки 100 мин. Микротвердость таких пленок 350--650 кгс/мм², а толщина 20 мкм.

2.3.3 Анодирование в хромовокислом электролите

Детали из алюминиевых сплавов АЛ9, АЛ11, отлитые в землю или по выплавляемым моделям, а так же из деформируемых сплавов АМг и АМц анодируют в электролите, содержащем 100--150 г/л СrО₃. Режим анодирования: температура электролита 34--38°С, i_а = 0,5 ? 2,5 А/дм²; S_a:S_к = 1:5, напряжение в начале процесса 40 В, время выдержки 1 ч. Детали, анодированные в таком электролите, наполнению в хромпике не подвергают. Повышенная температура хромовокислого электролита приводит к утолщению пленки. В качестве катодов при нанесении окисных покрытий в хромовокислом электролите используют алюминий А0, сталь 12Х18Н9Т или графит. Для уменьшения побочного процесса катодного восстановления шестивалентного хрома отношение S_к:S_а не должно превышать 5: 1.