Анодное оксидирование алюминия

Размещено на http://www.allbest.ru//

Введение

Металлические и неметаллические неорганические покрытия с каждым годом находят все более широкое и разностороннее применение в промышленности. Это связано с изменением условий эксплуатации и созданием новых видов изделий, особенно в электронной промышленности, возникновением новых, подчас непростых технических требований, для удовлетворения которых не всегда можно идти традиционным путем. Еще сравнительно недавно основной задачей при нанесении покрытий являлась защитно-декоративная отделка деталей для предотвращения их разрушения от атмосферной коррозии. В настоящее время с их помощью решается большой комплекс специальных, функциональных задач.

К группе конверсионных относят неметаллические неорганические покрытия, которые не наносятся извне на поверхность деталей, а формируются на ней в результате конверсии (превращений) при взаимодействии металла с рабочим раствором, так что ионы металла входят в структуру покрытия. Основой их являются оксидные или солевые, чаще всего фосфатные пленки, которые образуются на металле в процессе его электрохимической или химической обработки. Наиболее широкое распространение получили оксидные покрытия алюминия и его сплавов. Это связано с тем, что по разнообразию своего функционального применения, определяемого влиянием на механические, диэлектрические, физико-химические свойства металла основы, такие покрытия почти не имеют равных в гальванотехнике. Полученные оксидные пленки надежно защищают металл от коррозии, повышают твердость и износостойкость поверхности, создают электро- и теплоизоляционный слой, легко подвергаются адсорбционному окрашиванию органическими красителями и электрохимическому окрашиванию с применением переменного тока, служат грунтом под лакокрасочные покрытия и промежуточным адгезионным слоем под металлические покрытия. Эти характеристики относятся к оксидным покрытиям, полученным электрохимической, прежде всего анодной обработкой металла. Хотя выполнение химического оксидирования проще, не нуждается в специальном оборудовании и источниках тока, малая толщина получаемых покрытий, их низкие механические и диэлектрические характеристики существенно ограничивают область его применения.

Электрохимические процессы нанесения покрытий имеют широкое промышленное применение. Это защита изделий от коррозии, защитно-декоративная отделка, повышение износостойкости и твердости поверхности, сообщение антифрикционных свойств и отражательной способности, изготовление металлических копий. В технологической последовательности гальванического производства главной операцией, основанной на электрохимических превращениях, является процесс нанесения покрытий.

Теперь я расскажу о непосредственно том покрытии, которое будет рассматриваться в данной работе. Это анодное оксидирование алюминия и его сплавов или анодирование.

Покрытие может применяться как самостоятельная защита от атмосферной коррозии алюминия и его сплавов, или же, как основа под покраску. Оксидная пленка легко растворима в щелочах, но обладает достаточно высокой стойкостью к некоторым минеральным кислотам и воде.

Состав защитного слоя на алюминии: аморфный оксид алюминия, кристаллическая г- модификация Al2O3.

Твердость оксидного слоя: на техническом алюминии - порядка 5000 - 6000 МПа, на сплавах алюминиевых от 2000 до 5000 МПа.

Слои, полученные методом оксидирования, отличаются хорошими электроизоляционными свойствами. Удельное электросопротивление составляет 1014 - 1015 Ом·м.

Анодированием можно получать на алюминии слои с различными заранее заданными свойствами. Можно получать твердые и мягкие защитные слои, беспористые, пористые, эластичные, хрупкие. Различные свойства получают при варьировании составом электролита и режимами электролиза.



1. Литературный обзор

1.1 Теория анодного оксидирования

Гальванический метод нанесения покрытия имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами. Покрытия получаются блестящими в процессе электролиза, характеризуются хорошими физико-химическими и механическими свойствами: повышенной твердостью и износостойкостью, малой пористостью, высокой коррозионной стойкостью. При гальваническом методе имеется возможность точно регулировать толщину покрытия. Это особенно важно в целях экономии цветных, драгоценных и редких металлов. Наконец при электролизе водных растворов можно нанести покрытия таких металлов и сплавов, которые другими способами получить не удается. По сравнению с другими методами нанесения металлических покрытий электролитический метод имеет явные преимущества, хотя и не лишен определенных недостатков. В отличие от горячих методов электролитические покрытия не образуют с основным металлом промежуточного сплава, по крайней мере, без дополнительного нагрева покрытых деталей.

В своей работе я буду рассматривать процесс анодного оксидирования алюминиевых сплавов. Оно является весьма эффективным методом защиты алюминия от коррозии в агрессивных средах, также этот процесс придает его поверхности новые, весьма ценные свойства. Как было сказано выше, анодирование предполагает искусственное наращивание оксидных плёнок на поверхность металла. Формирование оксида происходит в условиях одновременного воздействия на процесс двух противоположно направленных реакций - электрохимического окисления металла в глубине пор и химического растворения оксидного слоя на его внешней поверхности, подвергающейся активному воздействию электролита. Результат процесса, структура, толщина и свойства оксидного покрытия в большой мере зависят от соотношения скоростей этих реакций. Если химического растворения формирующегося оксида практически не происходит, то образуется тонкая, беспористая пленка барьерного типа. В случае примерного равенства скоростей электрохимической и химической реакций на металле непрерывно возникает и сразу же растворяется тонкая пассивирующаяся пленка, которая за короткий период своего существования способна предотвратить травление. Такие условия реализуются при электрохимическом полировании металлов. Оксидные покрытия, обладающие антикоррозионными и другими функциональными свойствами, должны иметь значительную толщину, что возможно лишь в том случае, когда скорость электрохимического процесса заметно выше, чем скорость химического растворения пленки [1].

Однако неограниченный рост пористой части оксидного покрытия, учитывая его электро- и теплоизоляционные свойства, невозможен. С увеличением толщины возрастает интенсивность тепловых процессов в зоне реакции, что приводит к повышению температуры электролита в порах у поверхности оксида. Следствием этого будет увеличение скорости растворения покрытия. Скорость электрохимического процесса определяется плотностью тока, химического процесса - составом электролита и температурой в зоне реакции.

Механизм образования и роста анодно-оксидных покрытий поверхность алюминия и его сплавов из-за склонности к пассивации постоянно покрыта естественной оксидной пленкой, толщина которой зависит от температуры окружающей среды и составляет 2--5 нм. Коррозионную стойкость и механическую прочность алюминия и его сплавов можно увеличить в десятки и сотни раз, подвергая поверхность металла анодному оксидированию (анодированию) в растворах кислот или щелочей.

При прохождении тока через электролит в зависимости от его состава образующиеся продукты реакции на алюминиевом аноде могут полностью растворяться, образовывать на поверхности металла прочно сцепленное компактное и электроизоляционное оксидное покрытие толщиной 1,4 нм/В или частично растворяться в электролите и образовывать пористое оксидное покрытие толщиной в десятки и сотни мкм [2].

Существуют две теории образования и роста анодно-оксидных покрытий: структурно-геометрическая и коллоидно-электрохимическая.

С позиций структурно-геометрической теории при наложении на алюминиевый электрод анодного напряжения сначала формируется компактная оксидная пленка, наружная часть которой в электролитах, растворяющих оксид, начинает растворяться в дефектных местах и переходить в пористое покрытие. Дальнейший рост анодно-оксидного покрытия происходит на дне образовавшихся пор за счет превращения все более глубоких слоев металла в оксид. Покрытие состоит из гексагональных ячеек. Прилегающий к металлу барьерный слой толщиной 1--1,1 нм/В состоит из беспористых ячеек. Ячейки пористого слоя в середине имеют одну пору. Под действием электролита оксид, образующий стенки ячеек, гидратируется. При этом происходит адсорбция воды, анионов электролита и продуктов анодной реакции.

С позиций коллоидно-электрохимической теории образование анодно-оксидных покрытий начинается с возникновения мельчайших частиц оксида, происходящего в результате встречи потока ионов. Адсорбция анионов и воды обусловливает отрицательный заряд частиц. С увеличением числа частиц они превращаются в полиионы -- палочкообразные мицеллы, которые образуют скелет ориентированного геля оксида алюминия. В него внедряются анионы электролита. Под действием отрицательного заряда мицеллы подходят к поверхности и сращиваются с металлом. Наряду с процессами образования мицеллярных слоев с участием анионов протекают сопряженные процессы растворения образующегося анодного оксида [3].

Наиболее положительные результаты в отношении антикоррозионных и других свойств покрытий, а также максимально достижимой его толщины получаются при обработке алюминия и его гомогенных сплавов. Включение в пленку кремния, который не поддается оксидированию и не растворяется в электролите, придает ей темную, пятнистую окраску. Значительное содержание в обрабатываемом сплаве меди приводит к увеличению пористости оксидных пленок. На сплавах, содержащих магний или марганец, формируются покрытия с более хорошими электроизоляционными свойствами, чем на сплавах алюминия с медью [4].

Тепловые процессы при оксидировании алюминия определяются теплотой реакции образования оксида и джоулевой теплотой. Основное количество теплоты выделяется в порах пленки, у их основания, где происходит реакция образования оксида. Следовательно, успешное получение покрытий большой толщины, зависит от того, насколько интенсивно удается отводить теплоту из зоны реакции. Наиболее высокое качество покрытий при толстослойном оксидировании достигается на алюминии и его сплавах с магнием или марганцем. При толстослойном оксидировании принимают, что размер обрабатываемых деталей увеличивается примерно на половину толщины покрытия. Важным показателем покрытия является его пористость. При ее увеличении уменьшается коррозийная стойкость.

Поверхность деталей, на которых получают электроизоляционные оксидные покрытия, должна быть обработана не ниже 9 класса шероховатости. Радиус закругления острых граней - не менее 1 мм.

Микропористая структура, высокая адсорбционная способность оксидных пленок являются той базой, которая позволяет изменить цвет. Известно три таких способа: осаждение в порах оксидного слоя минерального красящего пигмента, адсорбционное окрашивание органическими красителями, электрохимическое окрашивание путем обработки оксидного покрытия переменным током в разбавленных растворах минеральных солей. Для реализации первого из них оксидные покрытия последовательно пропитывают двумя растворами солей металлов, которые, взаимодействуя, образуют в порах пленки окрашенное химическое соединение, являющееся своеобразным минеральным красящим пигментом [5].

Красящие минеральные пигменты сравнительно устойчивы к воздействию света, но с их помощью нельзя получить широкого спектра цветов и оттенков, как это достигается при использовании органических красителей. Указанное преимущество органических красителей, простота технологического процесса их использования сделали этот способ наиболее распространенным.

Наиболее подходящими для окрашивания органическими красителями являются оксидные покрытия, полученные в сернокислом электролите на алюминии и его сплавах с магнием и марганцем. На литейных сплавах типа силумина получается неравномерная, пятнистая окраска. Защитные свойства и цвет покрытий при толщине 20 мкм сохраняются более 10 лет. Срок этот может быть увеличен за счет повышения толщины оксидной пленки [6].

1.2 Влияние примесей на качество анодных пленок

Внешний вид, качество и свойства окисных пленок зависят от чистоты алюминия, состава сплава, природы электролита, а также от вида обработки поверхности до оксидирования и дополнительной обработки пленки.

Чистый алюминий лучше поддается анодированию, чем его сплавы. Примеси в сплавах в процессе анодирования могут растворяться, окисляться или оставаться неизменными. Кремний, входящий в ряд сплавов, не окисляется и не растворяется во времени анодирования, а остается в пленке в виде серо-черного порошка. На сплавах с большим количеством кремния не удается получить декоративных пленок. Медь, магний, железо, марганец находятся в алюминиевых сплавах в виде интерметаллических соединений типа CuAl2, FeAl3, Al-Fe-Si и др. Эти соединения при анодных процессах растворяются быстрее, чем алюминий, поэтому на сплавах, содержащих эти соединения, трудно нарастить толстые окисные пленки, и покрытие получается пористым и шероховатым. Значительное влияние на качество пленки оказывает также гетерогенность сплавов.

Самые толстые пленки можно получить на чистом алюминии. Чем больше легирующих добавок в сплаве, особенно тяжелых металлов, тем меньше толщина пленки, которую удается на них образовать. Максимальное содержание легирующих добавок в алюминиевых сплавах, используемых для декоративного анодирования, не должно превышать следующих величин:

Легирующие добавки	Содержание в сплаве, %
Железо	0,5
Кремний	2-3
Медь	1-2
Марганец	0,5-0,8
Магний	7
Цинк	6-8
Хром	0,3
Титан	0,3

Анодирование выявляет многие дефекты металла - нерегламентированный прокат, царапины и т.п. Поэтому материалы с такими дефектами нельзя подвергать декоративному анодированию;

Микротвердость оксидного покрытия на чистом алюминии достигается 1200-1500 кгс/мм2, на алюминиевых сплавах - 200-500 кгс/мм2. Чем выше толщина и твердость пленок, тем больше их хрупкость, при изгибе хрупкие пленки дают трещины, но не отслаиваются от металла.

В электролитах цветного анодирования получат коррозионно и светостойкие цветные покрытия золотых, бронзовых, коричневых, серых и черных тонов в зависимости от состава электролита, времени обработки, режимов обработки и состава сплава. Недостаток цветного анодирования - потребность в использовании мощных источников тока с выходным напряжением до 100 В.



1.3 Продолжительность проработки свежеприготовленных электролитов

Электролит для анодирования алюминия представляет собой 18-20% раствор серной кислоты. Свежеприготовленный раствор серной кислоты агрессивен по отношению к алюминиевым деталям, что может приводить к их растравливанию.

Для снижения агрессивности свежеприготовленного раствора серной кислоты в него вводят сернокислый алюминий в концентрации 15-20 г/л. После этой операции проработка не требуется.

Этого эффекта можно добиться и путем анодного растворения алюминия до концентрации 2-4 г/л (по Al3+). Собственно, это и есть проработка, продолжительность которой составляет время, необходимое для накопления в электролите 2-4г/л Al(III). Экономически и технологически эта процедура нецелесообразна.

1.4 Электролиты анодирования

На практике применяют несколько видов электролитов: хромовокислый, щавелевокислый, сернокислый, также существует электролит для эматалирования - он готовится на основе щавелевой кислоты с добавлением органических кислот и солей. Для каждого электролита применяют отдельный режим электролиза. Теперь немного о каждом.

Сернокислый электролит

Сернокислый электролит анодирования содержит 170-250 г/л H2SO4 (1,8-1,82). Режим анодирования: температура электролита 13-26°С; iа = 0,5 - 1,5 А/дм2; напряжение 10 - 25 В; Sа:Sк изменяется от 1:1 до 1:5; катод - из свинца; Sa = 0,5 ч 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 К2Cr2O7 (100 г/л) и Na2CO3 (18 г/л). Температура раствора 90 - 95°С, рН = 6 ч 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. При анодировании в сернокислом электролите пленки обладают высокой адсорбцией и коррозионной стойкостью. Это наиболее экономичный и доступный электролит анодирования, но процесс требует охлаждения и кислотоупорной футеровки ванн. В серной кислоте не рекомендуется проводить анодирования деталей с узкими зазорами, клепаными соединениями, от которых трудно отмыть кислоту.

Щавелевокислый электролит

Анодирование в щавелевокислом электролите проводят для получения электроизоляционных покрытий различной степени окраски в зависимости от толщины пленки: серебристый цвет при толщине 5мкм (t = 250C), желтый - при толщине 15мкм (t = 400C), коричневый - 100мкм (t = 500C). Содержание щавелевой кислоты при анодировании: 40 - 60 г/л, температура 15 - 25 0С, анодная плотность тока 2,5 - 5 А/дм2, время выдержки 90 - 120 минут, при этом напряжение на ванне достигает 120В.

Хромовокислый электролит

Хромовокислый электролит рекомендуется для анодирования деталей сложной формы. Его достоинство - сохранение чистоты обработки поверхности и размеров деталей при анодировании, высокая эластичность пленок, коррозионная стойкость без дополнительной обработки. Недостатки анодирования в этом электролите: высокая стоимость реактивов, необходимость нагрева, сложность контроля.

Выбор электролита

Для проведения анодного оксидирования в своей работе я выбираю сернокислый электролит, так как он достаточно прост в использовании и обслуживании, а также относительно недорог.



2. Технологическая часть

2.1 Технологическая схема процесса анодного оксидирования

2.2 Химическое обезжиривание

Состав ванны: едкий натр - 10-15 г/л; Na3PO4 - 40-50 г/л; стекло натриевое Na2SiO3 25 - 30 г/л; вода питьевая с электропроводностью ? 400 мкСм/см; Т = 65 ± 5?C. Все жировые загрязнения могут быть отнесены к двум основным группам: жиры минерального происхождения, удаляемые при помощи растворителей, и жиры животного и растительного происхождения, которые, взаимодействуя с водными растворами щелочей или солей щелочных металлов, образуют растворимые в теплой воде мыла. Растворителями минеральных жиров -- различного рода смазок, масел, парафинов, смол и т. п. -- являются хлорированные, невоспламеняемые углеводороды. Горячее обезжиривание (в парах) происходит при температуре, близкой к точке кипения растворителя, в специальном оборудовании, холодное обезжиривание осуществляется при комнатной температуре.

анодный оксидирование алюминий

2.3 Травление

Состав ванны: NaOH - 40-60 г/л.; Вода питьевая с электропроводностью ? 400 мкСм/см2; Т = 37, 5 ± 2,5?C. Удаление окислов с поверхности покрываемых изделий-- важнейшая операция подготовки поверхности перед нанесением металлических покрытий; она осуществляется по-разному в зависимости от природы металла и условий образования окислов. Даже тщательно отшлифованная и отполированная поверхность после обезжиривания подлежит легкому протравливанию с целью удаления тонкой окисной пленки. В процессах прокатки при высокой температуре и термической обработки образуется толстая неоднородная по составу пленка окислов (окалина), на удаление которой требуется затратить много времени и большое количество травителя.

Алюминий инертен в окислительных растворах, и активен в неокислительных. Смеси кислот обладают теми и другими свойствами, причем для травления в большинстве случаев применяют растворы, составленные из фосфорной, азотной, серной (иногда и уксусной) кислот. Концентрации отдельных кислот в смесях могут колебаться в широких пределах.

2.4 Осветление

Состав ванны: HNO3 - 300-350 г/л. Вода деминерализованная с электропроводностью ? 20 мкСм/см2. Т не менее 6?C. После щелочного обезжиривания в указанных смесях, обладающих значительным травящим действием, требуется кислотное осветление, которое проводят в 20-30 %-ном растворе азотной кислоты. Задача осветления - удаление травильного шлама, содержащего алюминаты и элементы, входящие в состав сплавов.

2.5 Анодирование

Состав ванны: H2SO4 180-200 г/л; Вода деминерализованная с электропроводностью 400 мкСм/см2; Т = 19 ± 6?C. Анодирование постоянным током обычно проводят при плотности тока 1,5 А/дм2 и температуре 20 °С. Для поддержания температуры ввожу интенсивное перемешивание раствора и охлаждение его с помощью специально смонтированных холодильных устройств. Время анодирования выбираю в зависимости от заданной толщины пленки из расчета скорости роста ? 0,20 мкм на 1 А-мин/дм2. Некоторые добавки, например 1-2% щавелевой кислоты, позволяют увеличить скорость роста пленки и повысить допустимую температуру анодирования до 30 °С.

В ванне анодирования важно регламентировать количество алюминия и примесей, особенно хлора. Концентрация последнего не должна превышать 0,02%. При больших концентрациях ионов хлора в ванне анодирования потенциал пробоя достигнет более отрицательных значений, чем потенциал окисления воды, вблизи которого происходит рост оксидной пленки. В результате большая часть тока затрачивается на зарождение и рост питтинга. В реальных условиях образование питтинга определяется не только концентрацией ионов хлора, но и многими другими факторами: плотностью тока, составом электролита, условиями перемешивания. Поэтому питтинг может развиваться и при меньших концентрациях хлора. В то же время в некоторых условиях хлор может оказывать и положительное действие.

2.6 Пассивация пленки в растворе хромпика

Состав ванны: K2Cr2O7 - 40 - 55 г/л; вода деминерализованная, с электропроводностью 20 мкСм/см2. Данная операция необходима для пассивации анодной пленки, увеличения ее коррозионной стойкости, уменьшения пористости и маслоемкости.

2.7 Промывка в холодной (горячей) воде

Вода деминерализованная с электропроводностью 20 мкСм/см2. Температура промывки должна составлять 6 - 7 ?C (92,5 ± 2,5 ?C). Промывка необходима для смывания химических веществ, продуктов реакции и препятствия их попаданию из одной ванны в другую.



2.8 Сушка

Сушка осуществляется на воздухе при Т = 65 ± 5 . Эта стадия необходима для удаления влаги с поверхности детали.



3. Расчетная часть

3.1 Расчет производственной программы

Расчет фондов рабочего времени производится с целью определение и планирования годовой производственной программы. В расчете оборудования цехов нанесения покрытий используется номинальный годовой фонд рабочего цеха, действительный годовой фонд времени и действительный годовой фонд времени рабочих.

Календарный фонд времени принимаем - 365 дней.

Выходных и праздничных - 114 дней.

Расчет ведем исходя из 5-ти дневной рабочей недели в две смены, продолжительностью каждой смены 8 часов.

Номинальный годовой фонд времени:

T = 365 - 114 = 251 день.

Z = T • 16 ч = 4016 ч.

где Z - количество рабочих часов в году.

Общие годовые потери времени на неизбежный простой оборудования, эти потери связаны с ремонтом оборудования (Tр) и возможным невыходом обслуживающего персонала, принимаем 10 %.

Т д = Z - (Z • Tp)

где Тд - действительный фонд работы оборудования.

Тд = 4016 - (4016 • 0,1) = 3614,4 ч



Исходя из общей годовой программы и на основании ведомости деталей, рассчитывается производственная программа цеха для каждой группы деталей. Для того чтобы учесть производственный брак, нужно годовое задание увеличить на такое количество деталей подлежащих переделке. Процент деталей, подлежащих переделке, составляет от 2 до 5% от программы. Принимаю 2,5 %

В соответствии с этим годовая программа определится:

P=Pг (1+0.01 б), м2

где Рг - годовая программа по заданию - 60000 м2:

б - брак продукции - 2,5 %

Р = 60000• (1+0,01•2.5)=61500 м

3.2 Расчет автоматической линии

Исходными данными для расчета являются: технологическая схема процесса с указанием времени на выполнение каждой операции и габаритные размеры деталей.

Ритм выдачи подвесок рассчитывается по формуле:

R = , мин,

где Т? - действительный годовой фонд работы оборудования, ч.

? - количество одновременно выдаваемых подвесок, 3;

y - единовременная загрузка деталей на подвеску, 0,493 =1,47 м2.

Для автооператорных автоматов R = 6-30 мин. Для отдельных процессов R составляет 50-60 мин.

R = = 46, 6 ? 47 мин

Количество ванн покрытия определится по формуле:

m = ,

где ф - продолжительность процесса, мин;

ф = ф1 + ф2, где

ф1-технологическое время мин;

ф2 - вспомогательное время, принимаем 2-3 мин.

ф = 37 + 2 = 39 мин,

m = = 0,82 ? 1

Количество полученных ванн округляется до целого числа в большую сторону

Количество промывных ванн и ванн с кратковременными операциями (до 1 мин) не рассчитывают. Их количество принимают согласно требованиям технологического процесса с учетом компоновки ванн в автомате.

Ритм выдачи подвесок при 100% загрузке ванн определится по формуле:

R` = , мин

где - продолжительность процесса анодирования; - количество ванн.



R` = = 37 мин

Производительность автомата определяется по выражению:

Q =, м2/ ч,

где ? - количество подвесок; г - единовременная загрузка деталей на подвеску; R` - ритм выдачи подвесок при 100% нагрузке.

Q = = 20, 35 м2/ ч

Потребное количество автоматов:

N =,

где R` - ритм выдачи при 100% нагрузке; R - ритм выдачи при ежедневных нагрузках.

N = = 0, 71 ? 1

Количество полученных автоматов округляется до целого числа в большую сторону.

Коэффициент загрузки автомата:

K =,

K = = 0, 91



3.3 Расчет размеров ванн

Внутренняя длина ванны определяется по формуле:

L = l1 + 2l2, мм

где l1 - длина подвески;

l2 - расстояние от подвески до стенки ванны, мм.

L = 2200 + 2 100 = 2400 мм.

Ширина ванны определяется по формуле:

W = , мм,

где na - количество анодных рядов, 3; W1 - расстояние между центрами катодных штанг, 300 мм; W2 - расстояние от катода до стенки ванны, 50 мм.

W = 3  300 + 2 50 = 1000 мм

Высоту ванны определяем по формуле

h = h1 + h2 + h3 + h4, мм

где h1 - расстояние от подвески до дна ванны, равное 200 мм; h2 - высота подвески, 650 мм; h3 - заглубление верхнего края подвески, равное 50 мм; h4 - расстояние от борта ванны до уровня электролита, равное 150 мм.

h = 200 + 650 + 50 + 150 = 1100 мм,

Ванны для химической обработки, промывочные ванны по длине и высоте имеют такие же размеры, что и ванны для электрохимической обработки. Ширина этих ванн на 170-200 мм меньше, чем ширина ванн для электрохимической обработки.

В ваннах промывок и обезжиривания имеются сливные карманы, которые устанавливаются, но длинной стороне ванны. Ширина сливного кармана составляет 100 - 125 мм и ее необходимо учитывать при расчете длины автоматизированной линии.

Схема компоновки линии анодирования

По разработанному технологическому процессу и количеству ванн составляю схему компоновки линии.

3.4 Расчет количества автооператоров

Количество автооператоров, необходимых для обеспечения выбранного технологического режима, определяем по формуле:

Z = ,

где К - коэффициент, учитывающий обратные и холостые ходы автооператора, приму для автоматической линии, работающей по жесткой циклограмме К= 1,5; фавт - суммарное время работы автооператора, мин; б коэффициент, учитывающий время выстоя автооператора с подвеской над ванной (б = 1,6 - 1,7), принимаю 1,6.

Z = = 0,43 ? 1

Расчет суммарного времени работы автооператора, мин.



фавт = фг + фв,

где фг и фв - суммарное время горизонтальных и вертикальных перемещений автооператора, мин.

фавт = 7,7 + 1,75 = 9,45

Рассчитываю время горизонтального перемещения автооператора:

фг = ,

где l - среднее расстояние между центрами соседних ванн, принимаем 1,5 м; m - количество ванн в линии, 14 штук, Ur - скорость горизонтального перемещения автооператора, принимаем 12 м/мин.

фг = = 1,75

Рассчитываю время вертикального перемещения:

фв = ,

где, H - высота подъема подвесок; Vв - скорость вертикального перемещения автооператора, принимаю равным - 9 м/мин; m - количество ванн в линии.

фв = = 3,4 мин



3.5 Расчет габаритных размеров автоматической линии

Длину автоматической линии рассчитаем по формуле:

L = ? n W + Wс + Wз/р + ? Wc + n0?W0 + n1?W1-n2?W2+Wб, мм;

где n -- количество ванн одного размера, 1; W -- ширина ванны принятого типоразмера, 1000 мм; Wс - ширина сушильной камеры для подвесок, принимаем 1200 мм; Wз/р - ширина загрузочно-разгрузочной стойки, 1115 мм; ?WC - зазор между сушильной камерой и загрузочно-разгрузочной стойкой (?WC = 200-300 мм), примем 200 мм; n0 - количество комбинаций соседних ванн без бортовых отсосов, 4; ?W0 - зазор между стенками ванн без бортовых отсосов, принимаем 390 мм; n1 - количество односторонних бортовых отсосов, 6; ?W1 - зазор между стенками ванн с односторонними бортовыми отсосами, принимаем 290 мм; n2 - количество двухсторонних бортовых отсосов, 1; ?W2 - зазор между стенками ванн с двухсторонними бортовыми отсосами, принимаем 160 мм; Wб - ширина одностороннего бортового отсоса по краю линии, принимаем 212 мм.

Значения Wз/р, ?W0, ?W1, ?W2, Wб, мм для ванн различной длины приведены в таблице 6.

L = 14 • 1000 + 1200 + 300 + 2 • 250 + 3 • 360 + 2 • 460 + 212 + 250 = 17890 мм

Ширину однорядной линии рассчитываю по формуле

W = lвн + W1 + W2,

где lвн - внутренняя длина ванны, 1200 мм; W1 - расстояние от внутренней части стенки ванн до наружной плоскости опорной стойки (для подвесочных автооператоров), принимаем 650 мм; W2 - расстояние от внутренней части стенки ванн до наружной плоскости площадки обслуживания, принимаем 1165 мм.

W = 2400 + 650 + 1165 = 4215

Высота автооператорной линии зависит от высоты ванн и вида автооператора. Принимаем по таблице 1, Н = 4450 мм.

Таблица 1 - Высота автооператорных линий

Внутренняя высота ванны, мм	Высота (Н) при автооператоре
	тельферном	портальном	консольным
800	4250/3650	3530/3380
1000	4450/3800	3980/3530	3300/3250
1250	4700/4250	4230/3780	3700/3400

3.6 Материальные расчеты

3.6.1 Расход химикатов

Расход химикатов на первоначальный пуск оборудования:

Gn =

где Gn - расход каждого компонента, С - содержание каждого компонента в растворе, г/л; V - рабочий объем ванны, л; В - количество ванн.

G (Na3PO4) = = 108 кг

G (NaOH) = = 21.6 кг

G (NaSiO3) = = 64.8 кг

G (NaOH) = = 129.6 кг

G (HNO3) = = 648 кг

G (H2SO4) = = 432 кг

Расход химикатов на выполнение годовой программы

Годовой расход химикатов рассчитываю по формуле:

Gпрог = ,

где Gпрог - расход каждого химиката;

- суммарные потери раствора;

- содержание каждого компонента в растворе;

- годовая покрываемая поверхность изделий;

- площадь поверхности покрываемой части подвесок.

= 0,06 + 0,065 = 1,125 л/ м2

Gпрог (Na3PO4) = = 403,5 кг

Gпрог (NaOH) = = 80,7 кг

Gпрог (NaSiO3) = = 242,1 кг

Gпрог (NaOH) = = 484,3 кг

Gпрог (HNO3) = = 2421,5 кг

Gпрог (H2SO4) = = 1614,3 кг

3.6.2 Расход катодов, анодов и других материалов

Ширину катода b принимают равной 0,1 - 0,2 м. Высота погруженной в электролит части электрода равна h1 = h k1. Коэффициент k1 - принимают равным 0,8.



h1 = 0,9 0,8 = 0,72 м

Следовательно, поверхность одного катода:

S1 = h1 b,

где h1 - высота погруженной в электролит части катода; b - ширина катода.

S1 = 0,72 0,15 = 0,108 м

Зная Sобщ катода и установив поверхность S1, рассчитываю число электродов:

Sобщ = 0,9 0,15 12 = 1,62 м2,

где b - ширина катода;

n = ,

n = = 15 шт.

Так как в моей ванне анодирования располагается 9 анодов, то размещение более 12 катодов нерационально. Поэтому я принимаю n = 12.

Полная высота катода:

hполн = h1 + h2

где h2 - выступающая часть катода над уровнем электролита;



hполн = = 0,82 м

Используя полученные данные, определим массу нерастворимых катодов:

Gн = n ? с ? hполн • b • d, кг

где с - плотность металла катода, кг/м3.

Gн = 12 • 0,82 • 0,1 • 0,01 • 11340 = 111,58 кг

Полученные данные по расходу химикатов и электродов свожу в таблицу 3.

Таблица 3 - Сводная ведомость расхода материалов и электродов

№ п/п	Наименование операции	Наименование материалов	Обрабатываемая поверхность, м2	Расход материалов на первоначальную загрузку, кг	Расход на годовую программу, кг
1	Обезжиривание	Na3PO4 - 40 - 50 г/л NaOH - 10- 12 г/л NaSiO3 - 25 - 30 г/л	61500	108 21,6 64,8	403,5 80,7 242,1
2	Травление	NaOH - 40- 60 г/л	61500	129,6	484,3
3	Осветление	HNO3 300 - 350 г/л	61500	648	2421,5
4	Анодирование	H2SO4 180 - 200 г/л, вода, катод - свинец	61500	432	1614,3



3.6.3 Расчет расхода воды

В цехе неметаллических покрытий вода расходуется на: приготовление и корректировку растворов для различных технологических операций, на промывку деталей после различных технологических операций, на охлаждение электролитов и выпрямителей тока, на промывку оборудования и помыв, пола, панелей и т.д.

В основном вода расходуется на промывку деталей, причем непрерывно. Вся вода после промывки поступает в соответствующие стоки. В целях экономии воды следует использовать многоступенчатую промывку - прямоточную и противоточную. Непрерывно расходуется также вода, идущая на охлаждение электролитов и выпрямителей, причем эта вода может быть повторно использована при оборотном водоснабжении.

Расход воды на приготовление электролитов определяется исходя из объема количества ванн, а также из продолжительности работы их до замены. Расход воды на корректировку растворов и промывку оборудования принимают 10 -- 20 % от расхода воды на промывочные операции. Расход воды на охлаждение электролитов определяют на основании теплового расчета ванн, на охлаждение выпрямителей -- по паспортным данным источника тока.

Температурный режим промывки: холодная - температура не нормируется; теплая 40 - 50єС и горячая - 70 - 90єС.

Расход воды на промывку определяется по формуле:

при одноступенчатой Q1 = kn • g • К0 • F , л/ч

где кп - поправочный коэффициент, учитывающий колебания расхода воды, равный 1 - 1,5; g -- удельный вынос электролита из ванны поверхностью деталей, л/м2 , К0 - критерий окончательной промывки деталей и F- промываемая поверхность деталей, м /ч.

Расход воды на две ванны после обезжиривания:

QNa3PO4 = 1 • 0,06 • 500 •4,41 = 132, 3 л/ч

QNaOH = 1 • 0,06 • 100 • 4,41 = 26, 46 л/ч

QNaSiO3 = 1 • 0,06 • 300 • 4,41 = 79, 38 л/ч

QNa3PO4 + QNaOH + QNaSiO3 = (132,3 + 26,46 + 79,38)• 2 = 476,3 л/ч

Расход воды на две ванны после травления:

QNaOH = 1 • 0,06 • 600 • 4,41 = 158,76 л/ч

QNaOH = 158,76 • 2 = 317,52 л/ч

Расход воды на одну ванну после осветления:

QHNO3 = 1 • 0,06 • 10000 • 4,41 = 2646 л/ч

Расход воды на две ванны после анодирования:

QH2SO4 = 1 • 0,06 • 3000 • 4,41 = 793,8 л/ч

QH2SO4 = 793,8 • 2 = 1587,6 л/ч

Общий расход воды на все ванны:

Qобщ = 476,3 + 317,52 + 2646 + 1587,6 = 5027,1 л/ч

Годовой расход воды:

Qгод = 5027,1 • 3614,4 = 18169950,3 л/год

Критерий окончательной промывки К0, показывающий во сколько раз следует снизить концентрацию основного компонента электролита, выносимого поверхностью деталей, до предельно допустимого значения в последней ванне данной операции промывки, вычисляю по формуле:

К0 = ,

где - концентрация основного компонента в электролите технологической ванны, после которой производится промывка, г/л; - допустимая концентрация того же компонента в последней ванне промывной операции, г/л.

К0 Na3PO4 = = 500

К0NaOH = = 100

К0 NaSiO3 = = 300

К0 NaOH = = 600

К0 HNO3 = = 10000

К0 H2SO4 = = 3000

За основной компонент принимаю тот, для которого критерий промывки является наибольшим. Полученные данные по расчету расхода воды свожу в таблицу 4.

Таблица 4 - Ведомость расхода воды

№ п/п	Наименование оборудования	Кол-во ванн	Промывная поверхность	Удельный вынос р-ра	Критерий промывки	Расход воды на ванну	Расход воды общ.	Годовой расход
1	Ванна теплой и холодной промывки	2	8,82	0,06	500	476,3	5027,1	18169950,3
2	Ванна теплой и холодной промывки	2	8,82	0,06	600	317,52
3	Ванна холодной промывки	1	4,41	0,06	10000	2646
4	Ванна холодной и одной горячей промывки	3	13,23	0,06	3000	1587,6



Заключение

В данной работе я спроектировал линию анодного оксидирования (анодирования) алюминия. В качестве детали я использовал часть крыла самолета с габаритными размерами 0,7Ч0,7Ч0,008 м. Также проанализировал используемые для анодирования электролиты и остановил свой выбор на сернокислом электролите, так как он не дорог, прост в изготовлении и обслуживании, не токсичен, обеспечивает необходимое по качеству покрытие. Этот электролит обладает небольшой рассеивающей способностью, но так как моя деталь простой геометрической формы, то для проведения анодирования мне полностью подходит. Для подвода тока выбрал свинцовые электроды, так как они обладают необходимой инертностью к электролиту. Также я привел технологическую схему процесса анодирования, в которой составил порядок ванн в линии и описал процессы, происходящие в них. Произвел расчеты габаритных размеров линии, количества необходимых химикатов в сутки и в год, рассчитал массы нерастворимых катодов. Рассчитал объем воды, необходимой для промывки.



Библиографический список

Ямпольский А. М. Гальванические покрытия: учебник для ПТУ - Л. Машиностроение Ленинградское отделение 1978

Ямпольский А. М., Ильин В. А. Краткий справочник гальванотехника. Машиностроение Ленинградское отделение. 1989 - 262 стр.

Мельников П. С. Справочник по гальванопокрытиям в машиностроении - Машиностроение 1979 - 296 стр.

Коротин А. И. Технология нанесения гальванических покрытий: учебное пособие для средних профессиональных технических училищ 1984 - 115 стр.

Технология электрохимических производств. Гальванотехника: Методические указания. Составители: Михайлов Б. Н., Немыкина О. В. - Иркутск: Издательство ИрГТУ, 2006 - 32 стр.

Размещено на Allbest.ru