Основные сведения о процессе нанесения никелевого покрытия

     
     Введение
     
     
     Одной из важнейших задач в настоявшее время является повышение надежности машин и механизмов. Среди основных факторов, влияющих на надежность, значительное место занимают вопросы износостойкости деталей и их способностью противостоять воздействию коррозийно-агрессивных сред.
     Для повышения надежности машин и механизмов и предохранения изделий от коррозии наряду с использованием химически стойких материалов широко применяются различные виды защитных покрытий: лакокрасочные, металлические, оксидные и другие. 
     Лакокрасочные покрытия получают путем нанесения на поверхности деталей или изделий пленки лака или краски. Лакокрасочные покрытия могут либо механически изолировать поверхность металла от вредного действия внешней среды, либо могут содержать активные пигменты – пассиваторы, оказывающие пассивирующее действие на металл и затормаживающее процесс коррозии. Лакокрасочные покрытия составляют около 65 – 70% от всех антикоррозионных покрытий. Недостаток этих покрытий – их малая механическая прочность и обгорание при высоких температурах.
     Оксидированием называет образование на поверхности металлических изделий защитных окисных пленок. Некоторые процессы носят специальные названия. Так, например, процессы нанесения на сталь окисных пленок иногда называют воронением, а электрохимическое оксидирование алюминия – анодированием. Процесс химического или электрохимического образования на поверхности металла защитной плёнки, состоящей из фосфатов металлов, называется фосфтированием.
     Наиболее широкое применение в промышленности получили лакокрасочные, гальванические и горячие покрытия.
     Гальванические покрытия по механическим свойствам, чистоте, коррозионной стойкости и экономичности являются одним из наилучших. Возможность регулирования толщины слоя путем измерения продолжительности процесса и плотности тока, возможность уменьшения цветных металлов на покрытие поверхности выгодно отличают гальванический метод от других.
     Гальванические покрытия могут применяться не только для защиты деталей от коррозии, но и для придания поверхностной твердости, износостойкости, улучшение антифрикционных свойств, электропроводности, высокой отражательной способности и т.д.. нанесение гальванических покрытий используют для восстановления изношенных деталей, для облегчения пайки и т.д.. гальванические покрытия позволяют во многих случаях заменить цветные металлы черными.
     

     1. Техническое задание на проект
     
     1.1 Основные сведения о процессе нанесения никелевого покрытия
     
     
     Основные операции технологического цикла: подготовка поверхности основного металла; нанесение гальванического покрытия; обработка гальванических покрытий.
     Подготовка поверхности основного металла к покрытию является наиболее трудоемкой операцией, от которой зависит качество полученных покрытий. При наличии на поверхности деталей даже тонкой жировой или оксидной пленки покрытие будет плохо соединяться с поверхностью основного металла, т. е. могут образовываться пузыри и вздутия. Некачественная подготовка поверхности особенно заметна при нанесении защитно-декоративных покрытий. Даже небольшие загрязнения могут служить причиной дефекта. Особенно вредны органические загрязнения, способные включаться в поверхность деталей. Эти загрязнения являются причиной различных дефектов покрытий (пузыри, отслоения и др.) Прочность сцепления покрытий значительно зависит от шероховатости поверхности. Чем ниже шероховатость поверхности основного металла, тем качественнее покрытия (меньше пористость и выше защитные свойства).
     Перед нанесением никелевых покрытий производя следующие подготовительные операции:
     1. Химическое обезжиривание. Обезжиривание поверхности деталей производится растворе и параметрах, представленных в таблице 1.1.
     
     
     
     

Таблица 1.1 – Состав и температура раствора химического обезжиривания 
     
     2. Промывка в тёплой воде производится при температуре 40 … 50°С
     3. Промывка в холодной проточной воде
     4. Активация. Процесс активации, предшествующий золочению, служит для микро травления, удаления оксидных отложений, создания микро шероховатостей на поверхности детали для улучшения адгезионных свойств наносимого металлического покрытия. Параметры процесса активации представлены в таблице 1.2.
     
Таблица 1.2 – Параметры процесса активации
     
     5. Промывка в холодной проточной воде
     6. Нейтрализация. Процесс нейтрализации производится при параметрах представленных в таблице 1.3
     
     
     
Таблица 1.3 – Параметры процесса нейтрализации

     
     7. Промывка в холодной проточной воде
     
     Нанесение гальванического покрытия – осаждение слоя металла на поверхность деталей. При нанесении гальванических покрытий детали завешивают на катодную штангу гальванической ванны, а на анодную – пластины из того металла, которым покрывают детали. 
     Осаждение никелевого покрытия производится, при параметрах представленных в таблице 1.4.
     
Таблица 1.4 – Параметры процесса осаждения никелевого покрытия
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     1.2 Анализ факторов, влияющих на качество покрытий и существующей системы автоматизации
     
     1.2.1. Влияние состава электролита
     
     
     Качество покрытия и его структура зависят от многих факторов. Одним из основных факторов, влияющих на структуру металлического покрытия, является состав электролита и концентрация ионов осаждающегося металла. 
     Концентрация ионов осаждающегося металла сказывается на величине образующихся кристаллов. Чем больше концентрация ионов, тем меньше поляризация, тем больше величина кристаллов. Тем не менее, разбавление электролита, способствующее измельчению структуры, как правило, оказывается нецелесообразным.
     Каждой концентрации в данном электролите соответствует определенное значение максимально допустимой плотности тока. Чем меньше концентрация, тем меньше допустимая плотность тока и тем медленнее протекает процесс.При этом укрупнение структуры, связанное с высокой концентрацией ионов, компенсируется измельчением структуры, вызванным применением высокой плотности тока.
     При больших концентрациях могут применяться более высокие плотности тока. При этом укрупнение структуры, связанное с высокой концентрацией ионов, компенсируется измельчением структуры, вызванным применением высокой плотности тока.
     Выделение никеля протекает при потенциалах, более отрицательных, чем потенциал водородного равновесного электрода. Однако разряд и выделение водорода сопровождается значительным перенапряжением, что позволяет осуществлять выделение с высокими выходом по току.
     При изменении рН раствор солей на одну единицу (в области рН=1 … 6) потенциал выделения водорода металла становится отрицательнее приблизительно на 0,1 В.
     Если потенциал выделения металла близок к потенциалу выделения водорода, то происходит их совместное выделение.
     Величина pH электролита играет существенную роль при электроосаждения из растворов простых солей ряда металлов, обладающих более отрицательным потенциалом, чем водород (никеля, кадмия, цинка). Наряду с разрядом ионов указанных металлов происходят разряд и выделение водорода, в результате защелачивается прикатодная зона электролита и образуется гидроокись металла. Небольшое количество взвеси высокодисперсной гидроокиси в ряде случаев оказывает благоприятное влияние на качество осадков, способствуя возникновению блеска. При большой концентрации гидроокиси и меньшей степени ее дисперсности качество осадков заметно ухудшается. Включаясь в осадок, гидроокись ухудшает его внешний вид, вызывает повышение внутренних напряжений, образование трещин.
     Выделение – водорода способствует повышение хрупкости осадков. Атомы водорода, абсорбируясь на растущей поверхности осадка, вызывают деформацию кристаллической решетки, рост внутренних напряжений и увеличение твердости электролитических осадков. Именно поэтому твердость электролитических осадков всегда больше (часто значительно) твердости такого же металла, полученного термическим путем. Проникновение водорода в основной металл ухудшает его физико-механические свойства.
     Таким образом, состав электролита и концентрация ионов осаждающегося металла, являются одним из наиболее значимых факторов оказывающих влияние на качество покрытий. На сегодняшний день контроль содержания основных компонентов электролита производится в центральной заводской лаборатории (ЦЗЛ), в соответствии с установленным графиком, раз в неделю, что является недостаточным, так как состав электролита изменяется, вследствие, расходования на осаждение покрытия, уноса электролита с деталями, загрязнения и прочих факторов.
     
     1.2.2. Плотность тока
     
     
     Повышение плотности тока в большинстве случаев способствует образованию на катоде мелкозернистых кристаллических осадков, вследствие увеличения поляризации и превышения скорости образования центров кристаллизации над скоростью их роста. Однако повышать плотность тока можно лишь до определенного значения. При очень высоких плотностях тока наблюдается быстрое обеднение прикатодного слоя разряжающимися ионами металла и происходит образование рыхлых осадков в форме порошков и дендритов. Образующиеся порошкообразные осадки, дендриты продолжают расти вдоль линии поступления разряжающихся ионов - в основном по направлению к аноду - и достигают иногда поверхности анода, вызывая короткие замыкания. При очень высоких плотностях тока возникают и другие осложнения в катодном процессе: выделение водорода и резкое снижение выхода по току, а также образование гидроокиси следствие обеднения раствора ионами водорода и подщелачивание среды.
     Вследствие этого катодная плотность тока должна выбираться в зависимости от состава электролита (концентрации ионов металла и водорода), от температуры и степени перемешивания электролита. Чем выше концентрация соли металла, температура электролита и интенсивность перемешивания, тем больше допустимая плотность тока и, следовательно, производительность гальванических ванн.
     Влияние катодной плотности тока. Чем выше плотность тока, тем больше скорость образования кристаллических зародышей и тем более мелкокристаллическим получается покрытие. При низких плотностях тока образуется небольшое число кристаллов, которые, даже несколько разрастаясь вдоль фронта роста, не покрывают сплошным слоем поверхность. Этому способствует пассивация непокрытых участков и экранирование их растущими кристаллами.
     Высокие плотности тока позволяют получать сплошные равномерные компактные металлические покрытия. Вместе с тем при высоких плотностях тока часто получаются шероховатые осадки, а при чрезмерно высоких плотностях происходит образование дендритов, губчатых покрытий, порошкообразных осадков.
     Шероховатость осадков, получаемых при высоких плотностях тока, может быть обусловлена наличием в электролите взвешенных частиц. Поэтому предусматривают меры для удаления их из электролита, проводят непрерывную или частую периодическую фильтрацию электролита, помещают анод в специальные чехлы для сбора анодного шлама. Шероховатость осадка может быть связана с заметным различием концентраций на микровпадинах и на микровыступах вследствие различных условий диффузии. Это создает неравномерный характер распределения осадка по микрорельефу, приводящий к шероховатости.
     Образование дендритов тем вероятнее, чем больше затруднена диффузия, чем выше плотность тока и чем меньше концентрация осаждаемого металла в электролите. Поэтому выбор рабочей плотности тока должен согласовываться с выбором концентрации электролита и условиями электролиза (температурой, интенсивностью перемешивания и другими факторами), должен исключить чрезмерное защелачивание прикатодной зоны электролита.
     На сегодняшний день на АО «КумАПП» в цехе №3 сила тока, при осаждении никелевого покрытия устанавливается работниками гальванического цеха в ручную. Контроль силы тока производится килоамперметром М 381. При установки силы тока не учитывается концентрация компонентов электролита, температура и интенсивность перемешивания, а так же управления силой тока в процессе осаждения никеля.
     
     1.2.3. Температура и перемешивание электролита
     
     
     Для получения покрытий высокого качества требуется соблюдение определенного температурного режима. При повышении температуры возрастает скорость диффузии, уменьшается перенапряжение, необходимое для выделения металла, и осадки получаются более грубокристаллическими. Повышение температуры, уменьшая адсорбцию, снижает также эффективность влияния поверхностно-активных веществ и коллоидов, которые вводятся в ряде случаев для улучшения качества покрытий.
     Вместе с тем при повышенной температуре можно применять более высокие плотности тока и соответственно увеличивать скорости процесса электроосаждения. Повышение плотности тока соответствует получению металокристаллических осадков.
     При повышении температуры уменьшаются наводороженность осадков и соответственно внутренние напряжения. В то же время при повышенной температуре возрастает интенсивность работы микрогальваноэлементов основной металл – покрытие, образующихся в порах.
     Температура электролита оказывает двойное влияний:
     - с одной стороны повышение температуры увеличивает электропроводность электролита, уменьшает пассивность анодов.
     - с другой стороны повышение температуры, улучшая условия диффузии ионов и уменьшая перенапряжение, снижает катодную поляризацию и тем самым способствует образованию более крупно кристаллических осадков.
     Это нежелательное влияние может быть компенсировано применением более высоких плотностей тока, что повышает производительность электрохимических ванн. Аналогичное влияние на процесс оказывает перемешивание электролита, увеличивая скорость диффузии, снижая концентрационную поляризацию, способствует образованию более крупно кристаллических осадков. Вместе с тем перемешивание позволяет применять более высокие катодные плотности тока, увеличивая интенсивность процесса с получением удовлетворительных по структуре покрытий. Перемешивание осуществляется механическим и пневматическим способами.
     Перемешивание электролита создает конвекционные потоки, способствует повышению концентрации разряжающихся на катоде ионов в прикатодном пространстве. Это позволяет повысить плотность тока и ускорить процесс осаждения металла.
     Перемешивание должно сочетаться с непрерывной фильтрацией электролита, так как конвекционные потоки увлекают шлам, осевший на дно ванн, вследствие чего электролит становится мутным. Наиболее рационально осуществлять перемешивание сжатым воздухом. Реже применяют механическое перемешивание.
     На сегодняшний день на АО «КумАПП» в цехе №3 контроль температуры технологических растворов производится в начале смены, что является недостаточным, так как на изменение температуру может влиять множество факторов, которая оказывает значительное влияние на качество осаждаемого покрытия, кроме того непрерывный контроль и управление температурой технологических растворов позволит сократить расход электроэнергии
     
     
     Разработка модели.
     
     
     
     
.......................