Расчет автоматической линии осуществляющей процесс никелирования

Размещено на http://www.allbest.ru/

Аннотация

В данном дипломном проекте представлен расчет гальванического участка защитно-декоративного покрытия стальных деталей. Участок представлен автоматической линией, осуществляющей процесс никелирования. Достоинство состоит в том, что автооператорный автомат позволяет легко переходить на другой технологический процесс.

Наносим двухслойное никелевое покрытие: матовое и блестящее. Для этого используем сернокислый электролит никелирования, т.к. он не токсичен, дешев и наиболее распространен в практике для защитно-декоративной обработки. гальванический стальной напряжение

В проекте выбрана технологическая схема процесса и составы электролитов, произведены конструктивные расчеты. На основании этого построена циклограмма процесса и чертежи автооператорной линии. В проекте также произведены материальные и энергетические расчеты, включающие в себя расчеты расхода воды, химикатов, сжатого воздуха и напряжения на ваннах, также разработана схема очистки сточных вод, план участка, схемы вытяжной и приточной вентиляций. Произведен экономический расчет технико-экономических показателей.



Введение

Под действием окружающей среды на поверхности изделий протекают коррозионные процессы. Для защиты изделий от коррозии применяются металлические покрытия. По назначению покрытия делятся на защитные, защитно-декоративные и специальные.

Цель защитного покрытия-уберечь поверхность детали от атмосферной кор-розии. Специальные покрытия применяются для придания деталям поверхност-ной твердости, износостойкости, жаростойкости, электропроводности и ряда других свойств. Защитно-декоративные покрытия применяются для декоративной отделки деталей с одновременной защитой от коррозии.

В качестве защитно-декоративного покрытия, применяются покрытия никелем( матовым и блестящим).

В практике применяются следующие способы нанесения никелевых покрытий.

Химический способ. В водный раствор, содержащий растворенную соль металла и восстановитель, помещают покрываемое изделие. На поверхности изделия высаживается слой металла. Этот способ применяется в радиотехнике и электронике. Недостатком является малый срок службы растворов и высокая температура (96 - 98⁰С).

Гальванический способ. Нанесение никелевых покрытий на поверхность изделия из электролита под действием постоянного электрического тока. Преимущество способа - четко контролируется толщина покрытия, минимальный расход покрывающего металла. Кроме того, подбирая вид электролита и режим осаждения, можно получать осадки нужной структуры, внешнего вида и с различными механическими свойствами.

Выбираем гальванический способ нанесения покрытия.

Никель - серебристо-белый металл, хорошо полирующийся до зеркального блеска. Стандартный потенциал никеля е=-0,25В электроположительнее, чем железа е=-0,440В, и поэтому никелевые покрытия защищают железо от коррозии в основном лишь в случае отсутствия пор и других дефектов покрытий.

Никелевое покрытие очень стойкое на воздухе и, будучи отполированным, сохраняет свой блестящий вид. Никелирование широко применяется для защитно-декоративного покрытия наружных частей деталей машин, различных приборов, изделий домашнего обихода.



1. Техникоэкономическое обоснование

В данном проекте разработан участок нанесения защитно-декоративного покрытия на крупные детали. Покрытие, получаемое на разрабатываемом участке, обладает высоким качеством, повышенной коррозионной стойкостью и декоративным внешним видом.

В целом, месторасположение проектируемого участка можно охарактеризовать как выгодное. Муром является крупным железнодорожным узлом, находится на реке Оке, через него проходят главные автомобильные магистрали. Близость к транспортным артериям позволяет снизить расходы на перевозки сырья, материалов и готовой продукции.

Технологический процесс выполняется автоматически, что повышает производительность труда и позволяет избежать контакта работающих лиц с вредными веществами.

Разработанная в данном проекте автооператорная линия позволяет уменьшить количество работающих на участке в связи с тем, что весь процесс нанесения многослойного покрытия выполняется в одном автомате. Данная компоновка автомата также позволяет экономить средства, затрачиваемые на предварительную обработку деталей (обезжиривание, активацию) в случае разделения процесса на несколько автоматов.

Конструктивно, компоненты автоматических линий выполнены из коррозионностойких материалов: ванны, бортовые отсосы и воздуховоды вентиляции выполнены из полипропилена, трубопроводы также выполнены из полимерных материалов, что позволяет увеличить ресурс использования данных линий по сравнению с имеющимися на ОАО “ Муромский радиозавод ” автоматами.

Автоматическое регулирование технологических параметров и контроль процессов (с использованием вычислительной техники), использование современных составов растворов и электролитов (а также контроль и регулирование их составов, обеспечение чистоты посредством фильтрации и локальной очистки) позволяют снизить потери от брака, и обеспечить получение высококачественного покрытия деталей.

В качестве мер по обнаружению брака предусмотрено использование выстоев подвесок с деталями после ванн нанесения покрытия, перед нанесением следующего слоя покрытия (длительностью 15 секунд). При обнаружении брака производится отключение линии, транспортировка деталей на позицию загрузки-выгрузки, съём бракованных деталей с подвесок, возобновление работы линии (перезапуск программы автооператоров с момента остановки).

В технологической схеме применяется холодное обезжиривание. Применяемый раствор позволяет достигать высокого качества обезжиривания деталей при цеховой температуре, что позволяет экономить энергоресурсы на нагрев раствора. Применяемый обезжириватель “КХ” вводится в раствор в небольших количествах, при этом раствор обладает большей маслоёмкостью по сравнению с обычными растворами обезжиривания, обеспечивает полное удаление остатков пасты ГОИ, что увеличивает время службы раствора и позволяет уменьшить затраты на химикаты операций обезжиривания.

В состав используемых электролитов никелирования входят современные блескообразующие добавки (1,4-бутиндиол (RADO-5M),антипитинговая добавка ( RADO-57M), «Прогресс»), обладающие выравнивающим действием, толерантностью к загрязнениям, уменьшающие пористость осадков. В результате совместного действия этих блескообразователей осадки получают интенсивный блеск, высокую твёрдость и хорошую пластичность.

В целях экономии дорогостоящих химикатов после операций никелирования (матового и блестящего) установлены ванны улавливания. Наряду с общезаводской очисткой сточных вод, используется локальная очистка, позволяющая снизить расходы на очистку, и позволяющая регенерировать из сточных вод цветные металлы. В целом, разработанная схема очистки сточных вод позволяет вернуть в работу до 80% воды, расходуемой на промывки и приготовление электролитов и растворов. В системе вытяжной вентиляции предусмотрена фильтрация воздуха, отсасываемого от ванн. Вследствие чего воздух, выбрасываемый в окружающую среду, не содержит в своём составе вредных компонентов, что положительно сказывается на экологической обстановке района, в котором находится проектируемый участок.

В технологической схеме предусмотрены каскадные промывки, что позволяет уменьшить расход воды и улучшить качество промывки деталей.



2. Технологическая часть

2.1 Выбор толщины покрытия

Для придания изделиям защитно-декоративных и специальных свойств используются многослойные покрытия из различных металлов, либо из слоев одного металла. Толщина покрытия устанавливается в зависимости от условий эксплуатации и назначения покрытия по отраслевой нормативно-технической документации.

Наши детали не подвержены большим механическим воздействиям и воздействиям агрессивных сред, то условия эксплуатации можно определить как средние, а покрытие как защитно-декоративные.

Наносимое покрытие представляет собой последовательно нанесенные слои матового и блестящего никеля.

Зная назначение покрытия, условия эксплуатации и климатические условия в соответствии с ГОСТ 1515-68 выбирается толщина покрытия. Климатические условия 3 у, ух, ухл, тс, 1, 1.1 2.3: у- для макроклиматического района с умеренным климатом, ухдля макроклиматического района с умеренно-холодным климатом, ухлдля макроклиматического района с умеренным и холодным климатом, 1- для эксплуатации на открытом воздухе, 1.1для хранения в процессе эксплуатации в помещении категории 4 и для работы как в условиях категории 4, так и в условиях так и в других условиях (на открытом воздухе), 2для эксплуатации в качестве встроенных элементов внутри комплексных изделий категорий 1, 1.1, 2, конструкция которых исключает возможность концентрации влаги на встроенных элементах. Согласно ГОСТ 9.303-84 «Покрытия металлические и неметаллические неорганические принимаем общую толщину никелевых покрытий 18 мкм: с толщинами слоев матового 12 мкм, блестящего-6 мкм.



2.2 Выбор и обоснование технологической схемы гальванопокрытия, вида применяемых электролитов

Нанесение гальванических покрытий является процессом многооперационным, иногда он включает более тридцати операций, которые должны проводится в определенной последовательности. Проведение операций в выбранной последовательности должно обеспечить высокое качество получаемого покрытия при минимальных трудоматериальных и энергетических затратах.

При выборе надо руководствоваться следующим:

необходима тщательная подготовка изделия перед нанесением покрытия;

интенсификация процесса осаждения;

получение высоко качественных блестящих покрытий;

для промывок использовать меньшее количество воды, но с большей интенсивностью;

улучшение коррозионной стойкости покрытия.

Перед нанесением защитно-декоративного покрытия детали подвергаются механической обработке на шлифовально-полировальных станках. Шлифование заключается в механическом снятии зернами абразива тонкого слоя металла для устранения царапин, забоин, рисок и других дефектов поверхности. Полированием называется процесс получения блестящей зеркальной поверхности путем сглаживания мельчайших неровностей. Паста для полирования содержит абразив (окислы железа, алюминия, хрома) и связующие вещества (стеарин, парафин, жирные синтетические кислоты). После механической обработки детали промываются, с целью удаления с их поверхности жировых масел [1]

С целью получения качественного покрытия предлагается следующая технологическая схема:

1) обезжиривание химическое;

2) промывка проточная в теплой воде;

3) обезжиривание электрохимическое (катодно-анодное);

4) промывка проточная в теплой воде;

5) промывка проточная в холодной воде;

6) активация;

7) каскадная двухступенчатая промывка холодной водой;

8) никелирование матовое;

9) никелирование блестящее;

10) улавливание;

11) промывка проточная в холодной водой;

12) промывка проточная в теплой воде;

13) сушка [9].

2.2.1 Химическое обезжиривание

Перед нанесением покрытия на стальной поверхности присутствуют остатки шлифовальных паст, жиры животного и растительного происхождения, попавшие на деталь как во время проведения подготовительной операции шлифования, так и во время загрузки деталей на подвески. Для качественного нанесения покрытия данные виды загрязнений необходимо удалить.

Щелочные растворы обеспечивают удаление с поверхности металла животные и растительные жиры в результате химического или физико-химического взаимодействия с ними. При этом, хотя жиры не участвуют в реакции, при определенных условиях под воздействием щелочных растворов, но они могут образовывать водные эмульсии, что облегчает их последующее отделение от поверхности металла. Вводя в щелочные растворы поверхностно-активные вещества (ПАВ), можно усилить их эмульгирующее действие и тем самым активное влияние на жировые загрязнения. Под воздействием щелочного раствора, содержащего эмульгаторы и вещества, понижающие межфазное натяжение на границе раствор-жир и раствор-металл, происходит разрыв жировой пленки, уменьшение её толщины, образование отдельных капель масла и отрыв их от поверхности металла. При этом одновременно отделяются также мелкие механические загрязнения [1].

Механизм удаления жиров растительного и животного происхождения в щелочных растворах сводится к их омылению и эмульгированию. Процесс омыления может быть проиллюстрирован на примере взаимодействия стеарина с едким натром

(С₁₇H₃₅COO)₃C₃H₅ + 3NaOH = 3C₁₇H₃₅COONa + C₃H₅(OH)₃ (1)

Образующийся в результате этой реакции стеарат натрия образует с водой коллоидный раствор. Вводимый в обезжиривающий раствор эмульгатор адсорбируется на поверхности двух фаз (жировая пленка раствор) и понижает поверхностное натяжение на границе (металл жировая пленка), способствуя отлипанию жировых капель от поверхности металла и переходу их в состояние эмульсии [3].

В раствор обезжиривания вводится фосфат натрия. Он подвергается гидролизу, повышает щёлочность раствора обезжиривания и поддерживает её на определённом уровне. Он также обладает поверхностно-активными свойствами: пептизируют загрязнения. Фосфаты уменьшают жёсткость воды, кроме того, в присутствии фосфатов лучше смываются с поверхности деталей едкий натр и карбонат натрия при последующей промывки [3].

В настоящее время существуют растворы холодного обезжиривания, обладающие высоким качеством подготовки поверхности деталей, не требующие затрат на нагрев раствора.

Исходя из вышеизложенного, и учитывая ГОСТ 9.305-84 [4], выбирается раствор следующего состава:

обезжириватель “КХ”………………………….……….5-7 г/л;

температура 18-30 ⁰С;

время обезжиривания 1-5 мин.

2.2.2 Электрохимическое обезжиривание

Электрохимическое обезжиривание применяется для очистки поверхности деталей от тонких жировых пленок, оставшихся после химического обезжиривания и в основном для удаления минеральных масел.

Под влиянием поляризации металла уменьшается прочность сцепления с ним жировой пленки, происходит ее разрыв и образование отдельных капель. Мелкие пузырьки газа, выделяющиеся на электроде, задерживаются каплями жира. По мере протекания электролиза мелкие пузырьки соединяются, образуя более крупные, которые постепенно вытягивают капли и, наконец, отрывают их от поверхности металла. Электролиз проводится в щелочных растворах, состав которых аналогичен применяемому при химической очистке. Но при электрохимическом обезжиривании электролит выполняет роль проводника тока и является лишь вспомогательным средством для удаления с поверхности металла загрязнений. Поэтому концентрация в нем солей и ПАВ может быть ниже, чем в растворах для химического обезжиривания [5].

При электрохимическом обезжиривании на катоде происходит выделение водорода, а на аноде -кислорода по реакциям:

катод: 2H₂0 + 2e = H₂ + 2OH^- (2)

анод: 2OH2e = Ѕ O₂ + H₂O (3)

Катодная обработка деталей из стали, в особенности, если она длительная, может привести к их наводораживанию, что ухудшает механические свойства деталей. Электрохимическое обезжиривание черных металлов начинают при катодной поляризации, но незадолго до окончания процесса изменяют полярность, заканчивая процесс анодным обезжириванием.

Для электрохимического обезжиривания выбирается электролит состава:

обезжириватель “КХ”………………………….………..…5-7 г/л;

натр едкий (NaOН)………………….…………….………5-10 г/л;

температура 18-30 ⁰С;

время обезжиривания 0,5-5 мин;

плотность тока 2-8 А/дм²;

материал электрода - листовая нержавеющая сталь

2.2.3 Активация

Активацию проводим с целью удаления с поверхности деталей тончайшего слоя окислов, которые могли образоваться в промежутках между операциями. При декапировании одновременно происходит легкое протравливание верхнего слоя материала детали и выявление кристаллической структуры, что благоприятствует прочному сцеплению покрытия с основой.

Предлагается следующий состав, г/л :

Серная кислота (Н₂SO₄) ………………………………………. 60-80 г/л;

Режим работы: температура 15ч25 ^оС,

продолжительность 0,5ч1,5 мин.

FeO + H₂SO₄=FeSO₄ + H₂O (4)

2.2.4 Никелирование электрохимическое матовое

а) Сернокислые электролиты [1]

Сернокислый электролит в настоящее время нашел преимущественное применение. Он устойчив, не разлагается, нетоксичен, позволяет получать зеркально-блестящие осадки, позволяет применять достаточно высокие плотности тока (до 7-10 А/дм²), но имеет низкую рассеивающую способность (13-17 %).

Так как перенапряжение выделения водорода на никеле очень низкое, то выход по току никеля в большей степени зависит от концентрации водородных ионов в растворе: чем ниже рН раствора, тем меньше выход металла по току, особенно при низкой температуре. При никелировании в холодном (18-25оС) растворе значение рН поддерживают от 4,5 до 5,5, выход по току при этом составляет 90-96% в рабочем интервале плотностей тока. С увеличением температуры до 60-80^оС катодная поляризация заметно снижается, что позволяет вести электролиз при низких рН и высоких плотностях тока с достаточно большим выходом по току, равным 80-90%. Такой электролит состоит из сернокислого никеля NiSO₄ (1,7-2,0 н) и H₂SO₄. Осадки получаются менее пористыми, более пластичными и коррозионностойкими, чем из многокомпонентного электролита с повышенным значением рН при комнатной температуре.

Превышение допустимого верхнего предела рН, который зависит от температуры и плотности тока, может вызвать образование осадка основной сернокислой соли никеля, накапливающейся у катода, что ухудшает качество осадка. Поэтому кислотность никелевых электролитов устанавливается в зависимости от выбранного режима электролиза и поддерживается по возможности постоянной. Для этой цели в сернокислый никелевый электролит, работающий при невысокой температуре (до 40-50^оС) добавляют слабодиссоциированные кислоты или растворы солей, сообщающие ему буферные свойства (борная, уксусная, аминоуксусная кислоты, уксуснокислый аммоний и др.).

Борная кислота наиболее широко используется в качестве буферной добавки к сернокислым никелевым электролитам, хотя буферные свойства таких электролитов при рН 4-5 сравнительно невелики. Буферные свойства электролита с борной кислотой сильно выражены при более высоких значениях рН, близких к рН гидратообразования. Установившееся значение рН прикатодного слоя в растворе, содержащем 0,5 моль/л H₃BO₃ составляет 6,5-6,8. При совместном присутствии борной кислоты и фтористого натрия электролит имеет более высокие буферные свойства, особенно при высоких плотностях тока на катоде.

В присутствии солей щелочных металлов значительно ускоряется подщелачивание прикатодного слоя, особенно в электролите без буферных добавок: значение рН прикатодного слоя за 10 мин достигает 9-10. В результате у катода выпадают гидроокиси никеля, качество осадка резко ухудшается, и допустимый верхний предел плотности тока уменьшается.

Борная кислота увеличивает катодную поляризацию при электроосаждении никеля, способствуя образованию более мелкозернистых осадков. Предполагается, что борная кислота образует с никелевыми солями сложные комплексные соединения.

Хорошими буферными свойствами обладают никелевые электролиты, содержащие уксуснокислый никель, аминоуксусную кислоту и одну из дикарбоновых кислот (адипиновую, глутаровую, янтарную).

Наиболее высокие буферные свойства электролитов с уксуснокислым никелем и дикарбоновыми кислотами обнаружены при рН 3,0-4,0. С увеличением концентрации этих соединений возрастает буферная емкость электролита.

Наибольшую буферную емкость при рН 3,0-4,5 имеет электролит с добавкой янтарной кислоты, рН прикатодного слоя изменяется меньше, чем в электролите с борной кислотой. Поэтому допустимый верхний предел плотности тока (jдоп.) в никелевых электролитах, имеющих температуру 50^оС, увеличивается при добавлении буферных добавок оптимальной концентрации янтарной кислоты до (20-25) х 10² А/м², адипиновой, глутаровой кислот и уксуснокислого никеля примерно до 15 х 10² А/м² по сравнению с (2-3) х 10² А/м² в электролите с добавкой борной кислоты без перемешивания.

Чем ниже рН, тем выше j_доп., но тем меньше выход по току никеля. Наиболее широкий диапазон плотностей тока соответствует рН 2,0-2,5. Увеличению j_доп. способствует также перемешивание прикатодного слоя выделяющимся водородом, выход по току которого 10-25%.

Катодный выход по току никеля при 50^оС в электролитах с янтарной кислотой изменяется от 80 до 90% при jк=(5-10) х 10² А/м² и с уксуснокислым никелем - от 75 до 95% при jк=(2-15) х 10² А/м².

В сернокислый электролит никелирования часто добавляют сернокислые и хлористые соли щелочных металлов до 100 г/л, которые при относительно небольшой концентрации соли никеля заметно повышают электропроводность раствора. Кроме того, хлористые соли являются активаторами никелевых анодов.

Нужно иметь ввиду, что в присутствии ионов щелочных металлов значение рН прикатодного слоя во время электролиза при высоких плотностях тока быстро возрастает, так как образуется щелочь в результате частичного выделения водорода на катоде. При этом из раствора выделяется гидроокись или основные соли никеля и осадки на катоде получаются темными и рыхлыми, допустимый предел плотности тока резко снижается.

В никелевый электролит вводить соли аммония, особенно в больших количествах, не следует, так как они образуют с никелем малорастворимую двойную никель-аммониевую соль.

Для получения блестящих осадков никеля из сернокислого электролита предложено очень большое число добавок различных классов органических соединений: сульфосоединения ароматического ряда (2,6(2,7)-нафталиндисульфокислота), ненасыщенные спирты и гликоли, содержащие двойную или тройную связь (1,4-бутиндиол, пропаргиловый спирт и их производные), лактоны (кумарин и его производные), азотсодержащие соединения (хинолин, хинальдин, пиридин и др.), аминозамещенный тиокарбомид, алкилзамещенные нитрилы и т.п. Многие из этих веществ (кроме некоторых ароматических сульфосоединений) оказывают выравнивающее действие - сглаживают микропрофиль поверхности и уменьшают пористость осадков.

Часто вводят в электролит одновременно две-три добавки, из которых одна, например, сахарин, паратолуолсульфамид и другие из группы сульфосоединений ароматического ряда наряду с приданием блеска, снижает внутреннее напряжение в осадке, вызываемое выравнивающими агентами. Кроме блескообразующих и выравнивающих агентов к никелевому электролиту добавляют ПАВ-смачиватели, например, моющее средство «Прогресс» (0,01-0,3 мл/л), лаурилсульфонат натрия, изопропилнафталинсульфонат натрия, сульфирол 8 (0,1-0,3 г/л), алкилзамещенные бензолсульфонаты и другие алкилсульфонаты (0,005-0,1 г/л). Они уменьшают поверхностное натяжение раствора и облегчают отрыв пузырьков водорода, предотвращая или снижая тем самым образование питтинга.

б) Борфтористоводородные электролиты

Содержат в основном борфторид никеля ( 300-400 г/л ), небольшое количество свободной борфтористоводородной кислоты до рН 2,5-3,5 и борную кислоту (15-30 г/л). Они отличаются хорошими буферными свойствами, большей устойчивостью состава по сравнению с некоторыми сернокислыми, и при температуре 50^оС позволяют вести электролиз при высоких плотностях тока - до 20 *10² А/м², выход по току около 100%. Избыток Н₃ВО₃ необходим для предотвращения гидролиза борфтористоводородной кислоты и образования плавиковой. Измерение pH прикатодного слоя методом металловодородного электрода показали, что борфтористоводородные электролиты обладают более высокими буферными свойствами, чем сернокислые. Водородный показатель прикатодного слоя рН в борфтористоводородном электролите за 10 мин электролиза не достигал гидратообразования даже при высоких плотностях тока, около 20*10² А/м², причем значение рН сохраняется постоянным ( ~ 5,75 ) даже в присутствии ионов щелочных металлов. В сернокислых небуферированных электролитах гидроокись никеля выпадает у катода за то же время уже при j_к = 2ч3*10² А/м², вследствии возрастания значения рН до 7,5. [2]

Итог : Борфтористоводородный электролит имеет высокую буферную емкость, плотность тока до 20 А/дм², с выходом по току около 100%, но имеет низкую рассеивающую способность, меньшую, чем у сульфатного. Он дорог и применяется, когда большие толщины и высокая скорость.

в) Сульфаматные электролиты

Содержат соль никеля сульфаминовой кислоты, которая получается при взаимодействии углекислого никеля с сульфаминовой кислотой по уравнению :

NiCO₃ + 2NH₂SO₃H = Ni(SO₃NH₂)₂ + CO₂ + H₂O (5)

Температура раствора не должна превышать 60^оС во избежание гидролиза и разложения сульфаминовой кислоты.

Кроме сульфаминовокислого никеля в состав электролита входят борная кислота в качестве буферной добавки, хлориды для активирования никелевых анодов и органические добавки.

Никелевые покрытия из сульфаминовых электролитов отличаются низкими внутренними напряжениями, вследствие чего их применяют для нанесения толстых осадков никеля на неметаллы по проводящему слою или на металлы по разделительному, а также для осаждения специальных ( например, магнитных ) сплавов.

Итог : Сульфаматные электролиты применяются в радиоэлектронной промышленности и гальванопластике. Осадки получаются пластичными, что важно в электронной технике. Осадки имеют малые внутренние напряжения. При повышении температуры свыше 60^оС этот электролит гидролизуется и образуется NiSO₄. Имеет не очень большую рассеивающую способность и используемые плотности тока до 5 А/дм². [2]

г) Твердый электролит никелирования

Применяется для придания твердости никелевым покрытиям. В этом электролите необходимо поддерживать значение рН, температуру и плотность тока в очень узких пределах. Сопротивление растяжению возрастает, а пластичность уменьшается при повышении значений рН и снижении температуры. Для сохранения твердости температура отжига не должна быть выше 232^оС. К недостаткам электролитов твердого никелирования относится склонность к образованию наростов на краях и наличие в осадках больших внутренних напряжений.[3]

д) Хлоридный электролит

При высокой температуре имеет определённые преимущества и применяется в ряде случаев, хотя они не лишены определённых недостатков. Покрытия из этих электролитов получаются гладкими, мелкокристаллическими и прочнее, чем из ванны Уоттса, но напряжение в них больше. Хотя твердость таких покрытий при определённых условиях равна 400 по Виккерсу, но напряжения в покрытиях столь велики, что внезапно в них появляются трещины. Все хлористые электролиты имеют высокую электропроводность и, следовательно напряжение на клеммах меньше, чем в сульфатных электролитах, что даёт определённую экономию расхода электроэнергии. В этих электролитах допускается высокая плотность тока, анодный и катодный выходы по току имеют высокие значения. В покрытиях наблюдается меньшая тенденция к питтингообразованию и наростов. В основном применяются при толстом никелировании.

е) Хлоридно-сульфатный электролит

Свободны от недостатков присущих чисто хлоридным электролитам, но не имеют и всех преимуществ этих электролитов. Помимо применения для получения декоративных покрытий в присутствии определенных добавок их также используют для защиты от износа некоторых деталей машин.[3]

ж) Хлоридно-ацетатный электролит

Обладает низким электросопротивлением и получающиеся в них покрытия имеют умеренную твёрдость и большую прочность на разрыв. Эти покрытия применяют в производстве стереотипов, для защиты различных деталей машин и покрытия стальных заготовок в качестве связки перед их прокаткой или волочением.[3]

з) Никель-кобальтовый электролит

Покрытия из таких электролитов имеют разнообразное техническое применение. Осадки отличаются твёрдостью и достаточной пластичностью, чтобы противостоять разрушительному действию различного рода деформации. Покрытия применяют в производстве вычислительных машин и другого рода электронных устройств. Для этих целей обычно используют покрытия, состоящие из 20 % никеля и 80 % кобальта. Электролит содержит сульфаты никеля и кобальта в присутствии хлоридов при рН~3 и температуре 61єС. Для обеспечения необходимых магнитных характеристик и равномерности толщины покрытия прибегают к наложению переменного тока на постоянный. Высокие внутренние напряжения также способствуют получению покрытий с заданными магнитными свойствами.[3]

Процесс никелирования сопровождается значительной катодной поляризацией. Выход металла по току обычно близок к 100 процентам, однако выделение небольшого количества водорода всегда сопровождает осаждение никеля.

Повышение плотности тока, уменьшение рН ванны, а также уменьшение концентрации ионов никеля в электролите приводят к повышению катодной поляризации и увеличению выделения водорода. Соответственно снижается выход металла по току [4].

Основным компонентом сернокислого электролита является сернокислый никель, эта соль хорошо растворяется в воде.

В качестве депассиваторов анодов в эти растворы вводим хлористый никель.

Введение ионов Cl в электролит снижает анодную поляризацию, так как ионы Cl разряжаются на аноде и растворяют тем самым пассивную пленку анода, снижая анодную поляризацию. Обеспечивает нормальную растворимость никелевых анодов. Кроме того, этот компонент повышает электропроводность электролита [4].

В роли буферного соединения обычно используют борную кислоту. Она регулирует рН не только в общем объеме электролита, но и в прикатодном слое, который вследствие разряда и выделения водорода непрерывно защелачивается.

В электролит блестящего никелирования добавляются следующие современные блескообразующие добавки: 1,4-бутилдиол (RADO-5M), антипитинговая добавка(RADO-11), которые оказывают выравнивающее действие, уменьшают пористость осадков, обладают большой толерантностью к загрязнениям посторонними металлами и органическими примесями. В результате совместного действия этих блескообразователей осадки получают интенсивный блеск, высокую твердость и пластичность. Концентрацию добавок легко корректировать (их всего две в каждом электролите), кроме того, их использование позволяет поддерживать концентрации основных составных компонентов электролита, а также плотность тока и температуру в более широком диапазоне по сравнению с обычно принятыми оптимальными значениями.

В процессе никелирования протекают следующие реакции:

К: Ni²⁺ + 2е = Ni° , Вт = 95-98 %; (6)

2H⁺ + 2e = H₂; (7)

А: Ni° -2е = Ni²⁺ , Вт = 100 %. (8)

Все электролиты требуют перемешивания и непрерывного фильтрования, и селективной очистки.

Исходя из выше изложенного, для матового никелирования выбирается следующий состав электролита:

никель сернокислый (NiSO₄•7H₂O)…………………….180-250 г/л;

сульфат натрия (Na₂SO₄•10H₂O)…….……......................80-100 г/л;

никель двухлористый

6-водный (NiС1 ₂•6Н₂О) .................................................7 20 г/л;

борная кислота (Н₃ВО₃) ...................................................25 40 г/л;

антипиттинговая добавка (RADO-11)……………….....0,5 1 г/л;

температура .......................................................................40 60 °С;

плотность тока ...............................................................1,5-5,5 А/дм²;

рН ........................................................................................5,4 5,8;

аноды никелевые, кусочки;

Для блестящего никелирования выбирается следующий состав электролита:

никель сернокислый (NiSO₄•7H₂O)……………………250-300 г/л;

никель двухлористый

6-водный (NiС1 ₂•6Н₂О) ................................................20 25 г/л;

борная кислота (Н₃ВО₃) ..................................................30 40 г/л;

хлорамин Б………………………………………………..1 - 2 г/л;

1,4бутилдиол RADO-5M…............................................0,2 3 мл/л;

антипиттинговая добавка (RADO-11)………………….0,1 - 0,3 г/л;

температура ......................................................................45 55 °С;

плотность тока .................................................................2 6 А/дм²;

рН ....................................................................……………4 5;

аноды никелевые, кусочки;

Основные неполадки и способы их устранения при никелировании представлены в таблице 1.

Таблица 1 Основные неполадки и способы их устранения при никелировании

Характеристика неполадок	Причина	Способ устранения
Покрытие не осаждается, обильное газовыделение на катоде Покрытие не осаждается, детали покрываются темным мажущимся налётом Низкая скорость осаждения покрытия и значительное выделение водорода на катоде 1	Повышенная кислотность; низкая температура электролита; электролит загрязнён азотной или хромовой кислотой Неправильное включение полюсов на ванне Низкая температура электролита. Малая электропроводность электролита	Откорректировать величину рН; повысить температуру электролита; сменить или «проработать» электролит током Проверить правильность подключения ванны к источнику тока Подогреть электролит; добавить проводящие соли
Отсутствие покрытия на отдельных деталях Шелушение осадка Низкая рассеивающая способность электролита Тёмный пятнистый осадок, покрытие плохо полируется Матовые осадки в электролите блестящего никелирования Слой никеля блестящий с продольными трещинами	Отсутствие контакта деталей на подвеске или подвески со штангой; детали экранируют друг друга; неправильное расположение анодов или нарушение их контакта с анодной штангой Присутствие в электролите окислителей Плохая электропроводность; заниженная плотность тока; недостаточная поверхность анодов Электролит загрязнён примесями меди, железа, цинка; завышенное значение величины рН Низкая концентрация блескообразователей; несоответствие температуры и кислотности электролита Накопление железа более 0,1 г/л	Улучшить контакты; изменить расположение деталей; улучшить контакт и расположение анодов Обработать электролит активированным углем и прокипятить Откорректировать содержание проводящих солей; повысить плотность тока; увеличить площадь анодов Провести селективную очистку; откорректировать рН электролита Добавить блескообразователь; довести кислотность и температуру до заданных пределов Обработать электролит перекисью водорода, довести до рН 6 и отфильтровать

2.2.5 Промывки

Промывка предназначена для удаления с деталей и подвесок остатков переносимого раствора и продуктов после предыдущей операции. Её проводят после каждой технологической операции. Вода должна быть как можно меньшей жесткости. Промывку проводят обычно в течение 1-3 мин.

После химического и электрохимического обезжиривания проводится промывка проточная в теплой воде; она необходима для снятия загрязнений, осевших на деталях после выхода подвески из ванны обезжиривания. Именно теплая промывка способствует лучшему снятию с поверхности деталей омыляемых жиров, которые в холодной воде могут затвердеть и остаться на поверхности. Температура теплой воды 40-50^оС.

Холодная промывка после электрохимического обезжиривания обеспечивает полное удаление с поверхности деталей электролита и их охлаждение. Если детали придут в следующую ванну (ванну активации) горячими, то это может вызвать перетрав металла детали, нагрев раствора, что в свою очередь вызовет испарение серной кислоты, пары которой опасны для обслуживающего персонала. Температура холодной воды не нормируется.

После блестящего никелирования проводят процесс улавливания. Улавливание проводят в ванне с раствором непроточной холодной воды (температура воды 18-30 ^оС), в которую детали должны погружаться для первичной промывки сразу же после их извлечения из ванны никелирования.

Далее следует холодная каскадная промывка.

2.2.6 Сушка конвективная

Последней операцией в технологической схеме гальванопокрытия является сушка. Эта операция проводится с целью удаления влаги с поверхности детали. Процесс сушки осуществляется горячим воздухом в течение 2-6 минут.

Составы растворов и электролитов в технологической схеме никелирования сведены в таблицу 2.

Таблица 2 Составы растворов и электролитов в технологической схеме никелирования.

Наименование Операций	Состав раствора	Режим работы	Примечание
	Наименование химиката	Хическая формула	Кон цент-рация,г/л	Темпе атура oC	Плот Ность тока A/дм2
1	2	3	4	5	6	7
Химическое обезжиривание Промывка в теплой воде Электрохимичес-кое обезжиривание Каскадная промывка в теплой и холодной воде Активация Каскадная промывка в холодной воде Никелирование матовое Никелирование блестящее Улавливание Каскадная промывка в холодной воде 1	Обезжириватель «КХ» ТУ 6-13429874-001-95 Вода ГОСТ 9.314-90 Едкий натрий технический Обезжириватель «КХ» ТУ 6-13429874-001-95 Вода Вода Серная кислота ГОСТ 4204-77 Вода Сернокислый никель ГОСТ 4465 Сернокислый натрий Борная кислота Хлористый натрий Сернокислый никель Борная кислота Хлористый натрий Хлорамин Б ОСТ 6-0,1-76-79 1,4-бутилдиол ТУ 6-45-52-79 Антипиттинговая добавка “Прогресс” ТУ 38-10719-77 Вода Вода 2	--------- Н2О NaOH -------- Н2О Н2О Н2SO4 Н2О NiSO4· ·7H2O Na2SO4·10H2O H3BO3 NaCl NiSO4· ·7H2O H3BO3 NаCl Н2О Н2О 3	5ч7 5ч10 5ч7 60ч80 180ч250 80ч100 25ч40 7-20 250ч300 30ч40 10ч50 1 ч2 0,2ч3 0,1ч0,2	18ч30 50ч70 18ч30 45ч55 45ч55	2ч3 2ч4 3ч5
Промывка в тёплой воде Сушка	Вода Горячий воздух	Н2О		40 -50 80



2.3 Выбор и обоснование основного оборудования для гальванопокрытия

По современным требованиям цех или участок металлопокрытий должен быть максимально механизирован. При малой программе выпуска для операции покрытия, а также для подготовительных и заключительных операций, при обработке деталей на подвесках применяются механические линии и стационарные ванны.

В крупносерийном и массовом производстве для покрытия деталей при больших программах применяются автоматы с жестким циклом. В цехах с часто меняющейся номенклатурой деталей и видами покрытия применяются автоматические линии с программным управлением.

В проекте для никелирования стальных деталей предложен автооператорный автомат с программным управлением. Выбор данного аппарата можно обосновать:

стабильные технологические процессы;

стабильная загрузка линии, отсутствие перебоев с сырьем;

данная линия занимает минимальную удельную площадь;

все операции механизированы.

Для никелирования стальных деталей предложена автоматическая автооператорная линия с консольным автооператором. Консольные автооператоры перемещаются по направляющим путям, установленным сбоку ряда ванн. Грузозахватный орган автооператоров в виде консоли, проходящей над поверхностью ванн.

Загрузочная ведомость защитно-декоративного покрытия стальных деталей представлена в таблице 3.



Таблица 3 Загрузочная ведомость защитно-декоративного покрытия стальных деталей

№ п/п	Наименование деталей	Масса, кг	Покрываемая поверхность, дм2	Количество деталей на одну подвеску	Количество подвесок в катодном комплекте	Суммарная масса деталей, кг	Суммарная покрываемая площадь, дм2
1	Стенка	0,245	12,5	3	2	1,47	37.5
2	Крышка	0,15	6,9	5	2	1.5	34.5
3	Крышка	0,42	6,4	5	2	4.2	32
4	Корпус	0,79	12,8	3	2	4.74	36.6

Используется подвеска с габаритами 1100х50х650 .

2.4 Расчёт фондов времени работы оборудования

Номинальный фонд времени работы оборудования T₀,ч, вычисляется по формуле

T₀ = (365 - t₀ - t_П) t_{ПП 1}, (4.1)

где t₀ - число выходных дней в году( за 2013 год);

t_П - число праздничных дней в году;

t_ПП - число предпраздничных дней в году;

- продолжительность работы оборудования в сутки, ч;

₁ - число часов, на которое сокращён рабочий день в праздничные дни.

T₀ = (365 - 110 - 8)18 6 2 = 4434 ч

Действительный фонд времени работ T_д , ч вычисляется по формуле



T_д = T₀ T₀ K_п , (4.2)

где K_п - коэффициент простоя оборудования (для автоматов 0,08).

T_д = 4434-4434 0,08 = 4079 ч

Эффективное время работы автоматов Т_эф, ч, определяется по формуле

Т_эф=Т_д-250t_маш, (4.3)

где t_маш - время прохождения первой подвески через весь автомат, мин.

tмаш=tтехн+tгор.перед+(tпод +tопуск+t выст) (4.4)

где tтехнтехнологическое время на каждой операции (3309сек) по циклограмме,

tгор.перед - время движения сборки от позиции загрузки до позиции разгрузки по всей автооператорной линии( 16*6*2=192 сек),

tпод+tопуск+tвыст - время подъёма, опускания, верхнего выстоя ((8+8+5)*16=336 )

tмаш=3309+192+336 =3837сек=1,06ч

Т_эф=4079-250•1,06=3814 ч.

Расчёт автоматической линии с программным управлением

Длительность никелирования _ник, мин, вычисляется по формуле

_ник = , (4.5)

где _П - толщина покрытия, мкм;

d_ник - плотность никеля, г/см³;

j_К - катодная плотность тока, А\дм²;

Вт - выход по току, %;

q_ник - электрохимический эквивалент двухвалентного никеля, г/Ач.

q = , (4.6)

где Мr-молекулярная масса никеля г.;

F - число Фарадея, А·ч;

Z - число электронов, участвующих в реакции.

q = = 1,095 г/A·ч

Время покрытия слоя матового никеля:

при j_к=3,5 А/дм²

_{ник.мат} = = 17,6 мин=1056 с

Время покрытия слоя блестящего никеля

при j_к=4 А/дм²

_{ник.блест} = = 7,7 мин=462 с

Необходимое количество ванн рассчитывается по формуле

n=t/R, (4.7)

где R - ритм выдачи,с.

Ориентировочно принимаем ритм выдачи R=600 секунд.

Количество ванн матового никелирования:

t=17,6 мин. n=1056/600=1,8 шт.

Количество ванн блестящего никелирования:

t=7,7 мин. n=462/600=0,8 шт.

Принимаем 2 ванны матового никелирования и 1 ванну блестящего.

По циклограмме ритм выдачи 609 с.

По уточненному времени на никелирование рассчитываем плотность тока на ванне:

; (4.8)

Также по циклограмме уточняется технологическое время по каждой операции, и заносится в таблицу 4.

Таблица 4 Технологическое время обработки деталей по операциям

Наименование операции	Технологически заданное время,сек	Технологическое время по циклограмме,сек
Хим. обезжиривание	100-150	129
Промывка горячая	60-180	60
ЭХ обезжиривание	60-120	70
Промывка горячая	60-180	128
Промывка холодная	60-180	460
Активация	30-80	50
Промывка холодная	60-180	57
Промывка холодная	60-180	60
Никелирование матовое	300-1200	1092
Никелирование блестящее	200-600	496
Улавливание	100-400	197
Промывка холодная	60-180	140
Промывка горячая	60-180	140
Сушка	150-300	230

Производительность автооператорной линии

Согласно циклограмме ритм выдачи R=609 секунды или 10,15 минуты.

Количество сборок, которое может обработать автомат за год Х равно

Х=[(Т_эф•3600)/R]+250 (4.9)

Х=[(3814•3600)/609]+250=22796 шт.

Годовая производительность линии рассчитывается на 2 автомата.

S_год=nfХ, (4.10)

где n - количество подвесок в катодном комплекте, шт.;

f - обрабатываемая поверхность одной подвески, м².

S_год=(2•0,35•22796) •2•0,95=30318 м²

2.4.1 Расчет габаритов автомата

Размеры подвески: высота - 1100 мм, толщина - 100 мм, ширина - 650 мм.

Расчет ширины основных ванн

Внутренняя ширина ванны, W_внутр, мм, в соответствии с рисунком 1 рассчитывается по формуле

W_внутр = 2W₁+(n₁+1)·d+2n₁·W₂+n₁· d₂, (4.11)

где W₁ - расстояние от анода до внутренней стенки,мм (W₁=50 мм);

n₁ - количество катодных рядов в ванне (n₁ = 1);

d - толщина титановой корзины с анодами, мм (d =55 мм);

W₂ - расстояние от края подвески до анода ( W₂ = 150 мм );

d₂ - толщина подвески с деталями, мм (d₂ = 100 мм).

W_внутр = 2·50+2·55+2·150+1•100 = 610 мм;

Внешняя ширина ванны W_вн, мм, рассчитывается по формуле



W_вн = W_внутр+2·', (4.12)

где ' - толщина стенки ванны с ребром жёсткости(60 мм)

W_вн = 610+2•60 = 730 мм.

Расчет длины ванны

Внутренняя длина ванны, L_внутр, мм, в рассчитывается по формуле

L_внутр = l_п•n_п+2W₃+W₄(n_п-1) (4.13)

где l_п -ширина подвески, мм (l_п=650мм);

n_п - число подвесок на штанге;

W₃ - расстояние от подвески до края ванны, мм (W₃=150мм);

W₄ - зазор между подвесками на штанге, мм (W₄=100мм) [4].

L_внутр=650•2+2•150+100(2-1)=1700мм

Внешняя длина ванны L_вн, мм, рассчитывается по формуле

L_вн = L_внутр +2·', (4.14)

где ' - толщина стенки ванны с ребром жёсткости

L_вн =1700+2·60=1820мм

Расчет высоты ванны

Высота ванны Н_внутр, мм, в соответствии с рисунком 3, рассчитывается по формуле

Н_внутр=h₁+h₂+h₃+h₄, (4.15)

где h₁ - высота подвески, мм;

h₂ -расстояние от нижнего края подвески до дна ванны, мм (примем h₂=200 мм);

h₃ - высота столба электролита над верхним краем подвески, мм

(примем h₃=50мм);

h₄ - расстояние от зеркала электролита до верхнего края ванны, мм

(примем h₄=150мм );

Н_внутр= 1100+200+50+150=1500 мм

Расчет объема электролита в ванне V_эл-та , л, рассчитывается по формуле

V_эл-та=L_внутр·W_внутр·(h₁+h₂+h₃), (4.16)

V_эл-та=1700 · 610 · (1100+250+100) = 1500 л

Расчёт ширины вспомогательных ванн

Ванны обезжиривания, улавливания, активации, проточной промывки имеют одинаковые размеры (внутренние). Для них расчёт аналогичен.

Ванны двухкаскадной промывки принимаем ,как 2 проточные ванны промывки, соединённые шлангом.

(4.17)

где толщина подвески;

расстояние от стенки ванны до подвески.

толщина стенки ванны с ребром жёсткости(60 мм)

Ванна обезжиривания снабжена сливным карманом ().

Внешняя ширина ванны обезжиривания

(4.18)

Ванны улавливания, и активации не снабжены сливным карманом.

Внешняя ширина ванн улавливания, и активации равна:

(4.19)

Ширина ванны проточной промывки такая же, как у ванны химического обезжиривания.

V_эл-та =1700 ·400(1100+250+100)=986 л.

Расчёт силы тока, подаваемого на ванну.

Поверхность деталей на одной подвеске S = 35,15 дм².

Площадь катодной поверхности Sk, дм², рассчитывается по формуле

Sk= 2* S*( 1+Кк) (4.20)

где Кккоэффициент,учитывающий покрываемую поверхность контактов

Sk=2*35,15*(1+0,05)=73,8 дм2

Ток подаваемый на ванну I, A, рассчитывается по формуле

I = jk * Sk (4.21)

где jkкатодная плотность тока, А/ дм2

Для ванны электрохимического обезжиривания

I =73,8*3 =221,4 А

Для ванны матового никелирования

I =73,8 * 3,38 =249,4 А

Для ванны блестящего никелирования

I = 73,8 * 3,7 =273,06 А

Коэффициент использования ванны



К_исп=, (4.22)

где t - время нахождения катодного комплекта в ванне, сек;

n - количество ванн, шт.

Для ванны матового никелирования

К_исп= 1092/609*2 =0,9

Для ванны блестящего никелтрования

К_исп=496/609 =0,81

Для ванны электрохимического обезжиривания

К_исп=70/609=0,11

2.5 Материальные расчеты

2.5.1 Расчет расхода химикатов

Общий расход химикатов складывается из расхода на единовременное приготовление электролита, расхода на работу .

Расчёт расхода химикатов на единовременное приготовление электролита.

Расход химикатов на приготовление считается по верхнему пределу концентрации

m_хим, кг, и рассчитывается по формуле

m_хим= , (4.23)

где С - концентрация химиката, г/л;

n_в - число ванн, шт.;

Расход химикатов для ванны матового никелирования

m(NiSO₄•7Н₂О) = = 750 кг

m(Na₂SO₄•10Н₂О) = = 300 кг

m(H₃BO₃) = = 120 кг

m(NiCl₂•6Н₂О) = = 60кг

Расчёт расхода химикатов на работу за год

Расчет расхода химикатов на работу Q_хим кг/год, рассчитывается по формуле

Q_хим = , (4.24)

где r_хим = 0,115 - удельная норма расхода электролита;

C_cр - средняя концентрация, г/л;

S - годовая программа по покрываемой поверхности; м².

Расчет расхода химикатов на работу для ванны матового никелирования

Q(NiSO₄•7Н₂О) = = 750 кг/год

Q(Na₂SO₄•10Н₂О) = = 314 кг/год

Q(H₃BO₃) = = 113 кг/год

Q(NiCl₂•6Н₂О) == 47 кг/год

Расход блескообразующих добавок на разложение

m=, (4.25)

где g - расход блескообразующей добавки, г;

I - ток, подаваемый на ванну, А.

m(хлорамин Б)== 49 кг ( 98 кг для двух автоматов)

m(1,4-бутилдиол)==26.5 кг (53 кг для двух автоматов)

m(прогресс)==10 кг (20 кг для двух автоматов)

Аналогично рассчитываем для других ванн с учетом норм расхода электролита для различных операций.

Таблица 3 Расход химикатов на никелирование для двух автоматов.

Наимено- вание операции	Компонен-ты	Концент- рация, г/л	Удель- ный расход, л/м2	Расход химикатов, кг
				На при-готов-ление	На рабо-ту	Всего		итого
Химичес-кое Обезжири-вание	Обезжириватель «КХ»	5-7	0,4	14	73
Электро-химичес-кое Обезжири-вание	Обезжириватель «КХ» NaOH	5-7 5-10	0,4	21 30	73 91
Активация	H2SO4	60-80	0,4	158	849
Никелиро-вание матовое	NiSO4•7Н2О Na2SO4• •10Н2О H3BO3 NiCl2*6H2O	180-250 80-100 25-40 7-20	0,115	1500 600 240 120	750 314 113 47
Никелиро-вание блестящее	NiSO4•7Н2О H3BO3 NiCl2*6H2O Хлорамин Б 1,4-бутилдиол “Прогресс”	250-300 30-40 10-15 1-2 0,2-3,0 0,1-0,2	0,115	900 120 75 6 9 0.6	959 122 78 5 5.6 0.5



2.5.2 Расчет расхода анодов

Расход анодов складывается из расхода на единовременную загрузку и расхода на покрытие.

Расчет расхода анодов для электрохимического обезжиривания

Используем листовые катоды (нержавеющая сталь марки 12Х18Н9Т). Принимаем соотношение Sa:Sk, как 1:1. Выбираем параметры катода ширина 130, высота 1150, толщина 5.