Оборудование для процессов химического осаждения металлических покрытий

 

Для проведения процесса химического восстановления металлов весьма существенным является подбор материала ванны. Материал должен отвечать следующим требованиям, быть химически стойким к растворам с кислотностью в пределах рН 3—11 и выдерживать температуру до 100 °С без изменения физико-химических и механических свойств.

Поэтому наиболее приемлемыми материалами являются фарфор, эмали, стекло, полиэтилен.

В качестве источника тока применяют аккумулятор или батарею аккумуляторов али же используют питание от сети переменного тока через выпрямитель. Анодная плотность тока — 0,004 А/дм², катодная плотность тока не должна превышать 25—30 А/дм.

Поверхность катода (пластины и коррозионностойкой стали) рассчитывают исходя из заданной катодной плотности тока или силы тока, подаваемого на ванну из коррозионно-стойкой стали марки 1Х18Н9Т. Наложением на металлическую конструкцию слабого анодного тока можно длительное время поддерживать металл в пассивном состоянии, тормозя воздействие на него агрессивной среды.

Установка для одноразового покрытия деталей в непроточном растворе представляет собой сварную железную или фарфоровую ванну, помещенную в емкость большего размера термостат. Пространство между стенками обеих ванн заполняют водой или маслом, которые нагревают электронагревательными приборами или острым паром. В ванне устанавливают контактный термометр с терморегулятором для поддержания необходимой температуры рабочего раствора. При использовании в качестве ванн фарфоровых котлов, футерованных кобальтовой эмалью, необходимо соблюдать особую осторожность, чтобы при срыве детали с подвески фарфоровая ванна не была повреждена.

Рассмотрим несколько аппаратурных схем на примере химического никелирования. На рис 12 показана принципиальная схема установки для химического никелирования деталей в корректируемом непроточном щелочном растворе, подогрев которого осуществляют с помощью циркулирующей по специальной системе воды, подогреваемой в особом баке со змеевиком. Установка состоит из двух 100-литровых ванн / и //, представляющих собой железные баки, футерованные кобальтовой эмалью Э-1. Одна ванна предназначена для химического никелирования, другая для фильтрования и корректирования отработанного раствора. Баки обогреваются циркулирующей по замкнутому контуру водой, нагретой паровым змеевиком до 98 °С. Подогреватель 7 расположен ниже уровня пола для обеспечения непрерывности циркуляции за счет разности плотностей горячей и охлажденной воды, чтобы не использовать насос. Трубопровод горячей воды 9 и подогреватель имеют теплоизоляцию. Фильтруют и корректируют раствор один раз в сутки в начале рабочего дня. Корректировочные растворы содержат (г/л): первый – хлористого никеля 160; хлористого аммония 50; лимоннокислого натрия 45, второй –гипофосфита натрия 400-500. Количество корректировочных растворов устанавливается анализом или расчетным путем, рН 8-9 поддерживают добавлением 25 %-ного раствора аммиака. Средняя плотности загрузки ванны деталями - 40 дм². Детали завешивают на стальной проволоке или в корзине из стеклоткани.

 

Рис. 12. Принципиальная схема установки для химического никелирования в корректируемом непроточном щелочном растворе: 1 – ванна для никелирования, 2 – обогревающая рубашка, 3 – термоизоляция, 4 – линия цеховой канализации, 5 – трубопровод для охлаждения воды, 6 – бочок для слива воды, 7 – бак для подограва воды, 8 – термометр, 9 – трубопровод с термоизоляцией для горячей воды, 10 – расширительный бачок, 11 – ванна для корректирования, 12 – фильтр.

 

Принципиальная схема установки для химического никелирования в щелочном корректируемом проточном растворе показана на рис. 13. Горячий раствор из ванны никелирования / непрерывно перекачивается поршневым насосом 5, проходит через змеевиковый холодильник 4 и фильтр 7 после чего по трубопроводу 8 возвращается в ванну. В ванну необходимыми порциями из корректировочных баков 9 и 10 подается самотеком растворы хлористого никеля гипофосфита натрия и аммиака. Растворы поступают в смесительный бак 11, а из него в ванну никелирования. Трубопровод 8 соединен с емкостью, наполненной раствором для никелирования. Когда отработанный и отфильтрованный раствор изменяет окраску (становится зеленым, что не соответствует требуемой кислотности), в ванну добавляется раствор аммиака.

Рис. 13. Принципиальная схема установки для химического никелирования деталей в корректируемом проточном щелочном растворе:

1 – ванна для никелирования, 2 – термометр, 3 – контактный термометр, 3 – контактный термометр, 4 – змеевик, 5 – насос, 6 – электродвигатель, 7 – фильтр, 8- трубопровод, 9 – корректировочный бак с концентрированным раствором хлористого никеля и гипофосфита натрия, 10 – корректировочный бак с 25%-ным раствором аммиака, 11 – смесительный бак, 12 – водяная или масляная рубашка, 13 – змеевик, 14 – ванна-термостат, 15 – электронагревательный элемент.

 

Принципиальная схема автоматизированной установки для химического никелирования деталей в проточном регенерируемом кислом растворе показана на рис. 14. Раствор, нагретый до 88 °С, поступает из ванны 1 в теплообменник 2, где охлаждается водой до 55 °С и затем перекачивается насосом 3 в смесительный бак 8 через фильтр 7. С помощью датчика 4 автоматического электронного рН-метра 5 и исполнительного механизма открывается кран корректировочного бачка 6 с раствором гидроксида натрия для доведения до заданного значения рН раствора. В бак 8 из бачков 9, 10 и 11 при помощи автомата программного корректирования 12 поступают определенные порции концентрированных растворов солей никеля, гипофосфита и буферной добавки. Температура раствора поддерживается автоматическим терморегулятором 13 с электронагревателями, которые подогревают масляную рубашку реактора. Датчиком является контактный ртутный термометр 14. Включение электронагревателей осуществляется магнитным пускателем через промежуточное реле. Отфильтрованный и откорректированный раствор проходит через теплообменник 15, где подогревается до 88-90 °С, после чего поступает в ванну — фарфоровый котел с тубусами. Теплообменник 2 состоит из двух концентрически расположенных сосудов. Наружный сосуд соединен с ванной и насосом, по внутреннему сосуду протекает водопроводная вода.

Рис. 14. Принципиальная схема автоматизированной установки для химического никелирования деталей в проточном регенерируемом кислом растворе. 1 — ванна никелирования; 2 — теплообменник для охлаждения отработанного раствора; 3—насос. 4 — датчик ДКИ-1, 5 — электронный рН-метр. 6 — корректировочный бачок с раствором гидроксида натрия. 7 — фильтр 8 — смесительный бак. 9, 10, 11 — бачки с концентрированными растворами хлористого никеля, гипофосфита натрия и яблочной кислоты. 12 — автомат программного корректирования. 13 — автоматический терморегулятор 14 — контактный термометр: 15 — теплообменник для нагрева регенерированного раствора.

 

Коловратный насос 3 из коррозионностойкой стали или пластмассы имеет производительность 2—6 л/мин. Фильтрующий элемент бязь, корректировочные бачки представляют собой фарфоровые котлы с тубусами. Трубопроводы изготовлены из фторопласта или кислотостойкой резины. Автоматический электронный рН-метр позволяет замерять рН от 1 до 8. Автомат программного корректирования состава раствора основан на использовании электронного универсального реле времени. Дозировка количества добавляемых компонентов задается изменением соответствующих сопротивлений, которые подключаются в цепь при срабатывании реле. Через заданные промежутки времени шаговый искатель включает исполнительное реле, а его контакты (магниты исполнительных механизмов) открывают краны корректировочных бачков.

Техническая характеристика установки емкость реактора — 35 л; общий объем заливаемого раствора в установку — 55 л; емкость смесительного бака – 35 л; емкость бачков с растворами компонентов — 5—7 л, скорость прокачки растворов 2-6 л/мин; габаритные размеры установки — 180 X 700 X 1250 мм, площадь одновременно покрываемых изделий – 50 дм².

Для химического никелирования изделий различной номенклатуры разработана установка, приведенная на рис. 15. Установка состоит из бака 4 для приготовления и корректирования раствора химического никелирования, насоса 3 для перекачивания приготовленного и отфильтрованного через фильтр 2 раствора в напорный бак 1, нагревателей 7 для подогрева раствора, ванны б емкостью 100 л для химического никелирования и бачков с корректировочными растворами 5. Отработанный раствор непрерывно стекает в бак 4 для приготовления и корректирования раствора. Установка включает также пароводоподогреватель 8 и емкость для конденсата 9.

Рис. 12. Принципиальная схема автоматизированной установки химического никелирования деталей различной номенклатуры. 1 – напорный бак, 2 – фильтр, 3 – насос, 4 – бак, 5 –корректировочные баки, 6 – ванна-реактор, 7 – нагреватель, 8 – пароводоподогреватель, 7 – емкость для конденсата.

Установка имеет пульт управления и работает по автоматическому циклу. Что касается материалов, из которых сделаны отдельные узлы установки, то нагреватель 7 состоит из трубчатой греющей камеры и эмалированных съемных греющих труб. Отдельные части нагревателя, соприкасающиеся с раствором имеют лакокрасочное покрытие, состоящее из двух слоев клея БФ-2, пигментированного окисью хрома, и двух слоев эпоксидно-фенольного лака Точно так же защищены насос, приборы КИП и другие части. Аппаратура, которая соприкасается с ненагретым раствором, выполнена из винипласта, стали, футерованной полиэтиленом, коррозионно-стойкой стали без покрытий. Трубопроводы для нагретого раствора — полиэтиленовые, вентили футерованы полиэтиленом. Вода для обогрева труб нагревателя может дополнительно подогреваться паром, подаваемым в межтрубное пространство греющей камеры.

Рис. 16. Принципиальная схема для получения Ni-B – покрытий в стандартных растворах: 1 – ванна никелирования, 2 – катоды, 3 – электроды сравнения, 4 – регулирующее устройство, 5 – насос, 6 – теплообменник, 7 – реагентные бачки, 8 – фильтры.

 

Техническая характеристика общий объем раствора — 600 л, скорость циркуляции раствора — 400 г/л, температура раствора 90—92 °С, емкость ванны — 100 л, поверхность никелируемых изделий — 200 дм², скорость никелирования — 15-20 мкм/ч производительность по массе осаждаемого покрытия—0.4 кг/ч, габаритные размеры — 4.5Х 1 5X5 5 м.

Промышленная установка, предназначенная для получения покрытия Ni — В в стандартных растворах, приведена на рис. 16. Ванна 1 объемом 700 л изготовленная из коррозионно-стойкой стали, включена в цепь постоянного тока в качестве анода, чтобы предотвратить восстановление ионов металла на ее стенках. Пластины 2, служащие катодами, находятся у торцовых сторон ванны.

Специальная схема включает электроды сравнения 3, изготовленные в виде тонких никелевых стержней, и регулирующее устройство 4, поддерживая на ванне постоянное значение (~0,6 В) «защитного потенциала». Катоды и электроды должны иметь по возможности малую поверхность для предупреждения выпадения осадка. Система циркуляции и регенерации раствора включает в себя центробежный насос 5, теплообменник б для поддержания необходимой температуры, бачки 7 для пополнения раствора реагентами и фильтры 8, через которые откорректированный раствор вводится вновь в ванну. По аналогичной схеме работают установки барабанного типа.

ВЫВОДЫ

 

Рассмотрены основные методы нанесения металлических покрытий химическим методом, механизмы процессов. Предложены различные способы подготовки металлических и неметаллических покрытий к нанесению металлических покрытий химическим, либо электрохимическим способами. Проведен анализ и перечислены области применения различных типов металлических покрытий.

Для наиболее распространенных в промышленности процессов химического нанесения металлических покрытий – никелирования и кобальтирования – подробно рассмотрены область применения данного типа покрытий, структура и механические свойства покрытий, некоторые технологические аспекты. Предложены кислые и щелочные растворы никелирования. Рекомендованы составы щелочных и кислых растворов для нанесения покрытий на металлические и составы растворов для снятия покрытий, также перечислены составы растворов никелирования для основных типов металлических поверхностей (меди, алюминия, магия, цинка). Перечислены основные недостатки процессов никелирования и способы их устранения. Для процесса кобальтирования на основании литературных данных предложен щелочной раствор. Для рассматриваемых процессов приведены оптимальные составы растворов нанесения покрытий, температуры процесса, значения рН среды и времени ведения процесса.

Рассмотрены некоторые комбинированные металлические покрытия, определены их основные свойства и даны рекомендации относительно их нанесения и эксплуатации.

Для процессов химического меднения, серебрения, золочения, палладирования и патинирования рекомендованы основные растворы для нанесения покрытий, перечислены недостатки и достоинства процессов, рассмотрены структурно-механические свойства покрытий.

Для типового процесса нанесения Ni-B–покрытий предложены принципиальные схемы промышленных установок в различных типах реакторов. Предложены типы реакторов относительно выбранных размеров деталей. Кроме того, предложена схема автоматизации промышленной установки никелирования.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Беленький М.А. Электроосаждение металлических покрытий. М.: Металлургия, 1985г, 289с.

2. Н. В. Катц, Е. В. Антошин, Д. Г. Вадивасов. Металлизация распылением. М.: Машиностроение, 1966, 200с.

3. Палатник Л.С. и др. Механизм образования и субструктура конденсированных пленок. М.: Наука, 1972, с.20.

4. Патент США N 3822146, кл. B 05 B 13/06, 1974.

5. Патент РФ ИЗ № 2257423 от 27.07.2005 г. ООО «Обнинский центр порошкового напыления».

6. Материалы 4-й всероссийской практической конференции "Технологии ремонта, восстановления, упрочнения и обновления машин, механизмов, оборудования и металлоконструкций", С-Пб, 16-18 апреля 2002, с.136-140.

7. Мелащенко Н.Ф. Гальванические покрытия диэлектриков. Минск: Беларусь, 1987, 176с.

8. Синдеев Ю.Г. Гальванические покрытия. М.: Феникс, 2000, 251с.

9. Политов И. В., Кузнецов Н. А., Вибрационная обработка деталей машин и приборов, Л.: Машиностроение. 1965, 495с.

10. Бабичев А.П., Вибрационная обработка деталей в абразивной среде. М.: Металлургия. 1968, 564 с.

11. Грилихес С.Я. Обезжиривание, травление и полирование металлов. Л.: Машиностроение. 1983, 101с.

12. Зюзькевич С.А. Очистка деталей от жировых загрязнений перед нанесением гальванических покрытий // Мир гальваники. №1, 2007, с. 34.

13. Корольченко А. Я., Корольченко Д. А. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения. Ч 1. М.: Химия, 1990, 713 с.

14. ЦОТАВИА, ЗАО. Межотраслевые правила по охране труда при нанесении металлопокрытий ПОТ РМ-018-2001. М.: Деан, 2002, 95 с.

15. Воюцкий С. С, Курс коллоидной химии, 2 изд., М.: Наука, 1975, 451с.

16. Вансовская К.М. Металлические покрытия, нанесенные химическим способом. Л.: Машиностроение, 1985, 103с.

17. В.В. Скорчеллетти. Теоретические основы коррозии металлов. Л.: Химия, 1973, 264 с.

18. А.М. Левинзон. Электролитическое осаждение металлов подгруппы железа. Л.: Машиностроение. 1983, 96 с.

19. В.С. Багоцкий. Основы электрохимии. М.: Химия, 1988, 400 с.

20. Прикладная электрохимия. Изд. 2-е, пер. и доп. под редакцией. Н. Т. Кудрявцева. М.: Химия, 1975, 552 с.

21. Л.И. Никандрова. Химические способы получения металлических покрытий. Л.: Машиностроение. 1971, 104 с.

22. А.А. Герасименко, В.И. Микитюк. Определение параметров электрохимических процессов осаждения покрытий. 1980, 111 с.

23. Ю.Д. Гамбург. Гальванические покрытия. Справочник по применению. М.: Техносфера. 2006, 216 c.

24. С.А. Вишенков. Химические и электрохимические способы осаждения металлопокрытий. М.: Машиностроение, 1975, 312 с.

25. Г.А. Саадаков. Гальванопластика. М.: Машиностроение, 1987, 288с.

26. А.М. Ямпольский, В.А. Ильин. Краткий справочник гальванотехника. Л.: Машиностроение. 1972, 269 с.

27. Р.Р. Салем. Физическая химия: начала теоретической электрохимии. М.: Техносфера, 2005, 320 стр.

28. Н.В. Авдеев. Металлирование. М.: Машиностроение. 1978, 184с.

29. А.П. Гуляев. Металловедение: Учебник для вузов. 6-е изд. М.: Металлургия, 1986, 544 с.

30. Б.Б. Дамаскин, О.А. Петрий. Электрохимия. М.: Высшая школа, 1987, 295 с.

31. Вишенков С. А. Химические и электротермохимические способы осаждения металлопокрытий. М Машиностроение 1975 312 с.

32. А.М. Ямпольский. Меднение и никелирование. Л.: Машиностроение. 1971, 136с.

33. Горбунова К. М. и Никифорова А. А Физико-химические основы процесса химического никелирования. М.: Изд-во АН СССР, 1960 208 с.

34. Choong-Nyeon Park, Min-Ho Chang. Effects of nickel coating on the properties of metal hydride electrodes // J. of Alloys and compounds. 1995. №231, рр. 846-851.

35. A. Turonova, M. Galova, L. Lux, M. Gal. Elektrochemical processes during Fe powder particles by Ni and Ni/Cu coating in the fluidized bed // J. Solid State Elektrochem. 2001, №5, рp. 502-506.

36. Ильин В. А. Металлизация диэлектриков. Л.: Машиностроение, 1977. 80 с.

37. Кудрявцев Н Т. Электрические покрытия металлами. М Химия, 1979. 351 с.

38. Никандрова Л. И. Химические способы получения металлических покрытий. Л.: Машиностроение, 1971. 104 с.

39. Шалкаускас М., Вяшкалис А. Химическая металлизация пластмасс. Л.: Химия. 1972. 168 с.

40. В.А. Ильин. Цинкование, кадмирование, оловянирование и свинцевание. Выпуск 2. Л.: Машиностроение, 1983, 87 с.

41. Физико-химические основы процесса химического кобальтирования // Под ред К М Горбуновой. М.: Наука. 1974. 220с.

42. Р.С. Сайфуллин. Комбинированные электрохимические покрытия и материалы. М.: Химия. 1972, 167 с.

43. Хокинг М., Васатасри В., Сидки П. Металлические и керамические покрытия: получение, свойства, применение. М.: Мир, 2000. 518 с.

44. К.М. Вансовская, Г.А. Волянюк. Промышленная гальванопластика. Л.: Машиностроение, 1986, 104с.

45. Розовский Г И, Вяшкалис А. И. Химическое меднение. Вильнюс, РИНТИП, 1966. 60 с.

46. Ю.А. Комиссаров, Л.С. Гордеев, Нгуен Суан Нгуен. Анализ и синтез систем водообеспечения химических производств. М: Химия, 2002, 496 с.

47. А. М. Ямпольский. Электролитическое осаждение благородных и редких металлов. Л.: Машиностроение. 1977, 96 с.

48. Yu Xingwen, Cao Chunan etc. Study of double layer rare earth metal conversion coating on aluminum alloy LY12 // Corrosion Science. 2001, №43, рp. 1283-1294.

49. Г.К. Буркат. Серебрение, золочение, палладирование и родирование. Л.: Машиностроение, 1984, 84с.