Гальванические покрытия

Гальванические покрытия

Введение

Электролитические процессы нанесения металлопокрытий (гальванотехника) применяются для защиты изделии от коррозии, защитно-декоративной отделки, повышения сопротивления механическому износу и поверхностной твердости, сообщения антифрикционных свойств отражательной способности и других целей (гальваностегия), а также для изготовления металлических копий (гальванопластика).

Основоположником: гальванотехники является Б. С. Якоби -- член Российской академий наук, который впервые в 1837 г. получил медную копию с металлического оригинала гальванопластическим способом. Широкого промышленного применения гальванотехника в то время еще не имела. Известий были лишь немногие из электролитических процессов металлопокрытий, которые использовались, главным образом для декоративной отделки поверхности изделий из меди и её сплавов, например, серебрение, золочение, покрытие оловом, а также электроосаждение меди для получения металлических копий.

Однако эти процессы в то время не имели промышленного значения, масштабы производства покрытий были очень небольшими, особенно в России. Рецептура и режим электролиза подбирались, как правило, эмпирически без учета неизвестных в то время особенностей процесса, что приводило к плохим результатам. Удовлетворительные по качеству осадки получали только при очень малых скоростях процесса (при плотностях тока на катоде 5--30 А/м2) и толщине слоя, не превышающего 5 мкм.

С начала 20-х годов нашего столетия по мере развития работ в области теоретической и прикладкой электрохимии стали появляться более совершенные, теоретически обоснованные процессы электролитического покрытия металлами. Эти работы способствовали широкому использованию гальванотехники в различных отраслях промышленности.

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

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

Решение этих задач требует глубокого изучения процессов электролиза с использованием современных методов исследования. Большие успехи достигнуты в области изучения механизма электродных процессов, особенно в работах российских ученых. Исследования в этом направлении дали возможность не только установить основные закономерности электроосаждения металлов, но и более правильно и обоснованно подойти к разработке технологических процессов покрытия изделий, что особенно актуально в настоящее время.

Целью курсовой работы является изучение и раскрытие сущности гальванических покрытий.

Для раскрытия поставленной цели перед работой стоят следующие задачи:

- дать классификацию и рассмотреть назначение гальванических покрытий;

- охарактеризовать процесс подготовки поверхности перед нанесением гальванических покрытий;

- рассмотреть оборудование для гальванических операций.

1. Классификация и назначение гальванических покрытий

1.1 Классификация гальванических покрытий

Классификация покрытий. В зависимости от требований, предъявляемых к эксплуатационным характеристикам деталей, различают три типа покрытий:

- защитные, применяемые для защиты от коррозии деталей в различных агрессивных средах;

- защитно-декоративные, применяемые для декоративной отделки деталей с одновременной защитой их от коррозии;

- специальные, применяемые для придания поверхности деталей специальных свойств (износостойкости, паяемости, твердости, электроизоляционных, магнитных свойств и др.), восстановления изношенных деталей или обеспечивающие защиту основного металла от особых сред (местная защита от цементации, азотирования и пр.).

По способу защитного действия гальванические покрытия делят на катодные и анодные. Катодные покрытия имеют более положительный, а анодные более электроотрицательный электродные потенциалы по сравнению с потенциалом металла, на который они нанесены. Так, например, Си, Ni, Ag, Аи, осажденные на сталь, являются катодными покрытиями, a Zn и Cd по отношению к стали -- анодными.

Защитные действия покрытий зависят не только от природы металла, но и от состава коррозионной среды. Олово по отношению к Fe в растворах неорганических кислот и солей является катодным покрытием, а в ряде органических кислот (пищевых консервах) -- анодным. Катодные покрытия защищают металл детали механически, изолируя его от окружающей среды. Основное требование к катодным покрытиям -- беспористость. Анодные покрытия защищают металл детали главным образом электрохимически. Поэтому степень пористости анодных покрытий в отличие от катодных не играет существенной роли.

Для краткого наименования различных видов покрытий в конструкторской и нормативно-технологической документации приняты специальные условные обозначения (шифры) покрытий.

Шифр покрытий включает сведения о способе нанесения (за исключением гальванических покрытий) (табл. 1, Прилож.1), материале покрытия (начальные буквы металла покрытия) (табл. 2, Прилож.1), признаке, характеризующем физико-механические свойства покрытия (табл. 3, Прилож.1), толщине покрытия (табл. 4, Прилож.1), декоративные свойства покрытий--по ГОСТ 21484--76 и о виде дополнительной обработки (табл. 5, Прилож.1).

Примеры условных обозначений покрытий приведены в табл. 6 (Прилож.1).

При выборе покрытий следует учитывать назначение и материал детали, условия эксплуатации деталей, назначение и свойства покрытия, способ нанесения покрытия, допустимость контактов сопрягаемых металлов и экономическую целесообразность применения этого покрытия [3, С.34].

Коррозионное воздействие среды, определяемое условиями эксплуатации изделий, является одним из важнейших факторов, обусловливающих выбор покрытий.

Условия эксплуатации в зависимости от коррозионной агрессивности среды (степени загрязнения воздуха коррозионно-активными агентами, температуры окружающей среды и других климатических факторов) классифицируют по группам: легкая -- Л, средняя -- С, жесткая -- Ж, очень жёсткая -- ОЖ.

1.2 Требования к поверхностям и покрытиям

Качество поверхности основного металла, на которые наносится гальванические покрытия, должно соответствовать ГОСТ 9.301--78. Параметры шероховатости поверхности основного металла должны быть не более: Rz = 40 мкм под защитные покрытия; Ra = 2,5 мкм под защитно-декоративные; Rz ? 40 мкм под специальные покрытия в зависимости от функционального назначения; Ra = 1,25 мкм под твердые и электроизоляционные анодно-окисные покрытия.

Указанные требования к шероховатости поверхности не распространяются на нерабочие труднодоступные для обработки и нерабочие внутренние поверхности деталей, резьбовые поверхности, поверхности среза штампованных деталей толщиной до 4 мм, а также на детали, шероховатость поверхности основного металла которых установлена соответствующими стандартами. Необходимость доведения шероховатости указанных поверхностей до установленных значений и необходимость дополнительной защиты этих участков после нанесения покрытий для обеспечения заданной коррозионной стойкости должны быть оговорены в технической документации. На поверхности деталей не допускаются: неоднородность проката, закатанная окалина, заусенцы, расслоения и трещины, выявившиеся после травления, полирования и шлифования, поры и раковины, приводящие к тому, что размеры детали после контрольной зачистки выходят за предельные отклонения.

Поверхность деталей, изготовленных из горячекатаного металла, должна быть очищена от травильного шлама, продуктов коррозии основного металла и других загрязнений.

На поверхности литых и кованых деталей не должно быть пор, газовых и усадочных раковин, шлаковых включений, спаев, недоливов, трещин. Детали после галтовки, гидро- и металло-пескоструйной обработки не должны иметь на поверхности травильного шлама, шлака, продуктов коррозии и заусенцев. На шлифование и полирование детали должны поступать без забоин, вмятин, прижогов, рисок, заусенцев и дефектов от рихтовочного инструмента.

Острые углы и кромки деталей должны быть скруглены радиусом не менее 0,3 мм или иметь фаски (за исключением технически обоснованных случаев).

Швы на сварных и паяных деталях должны быть зачищены, непрерывны по всему периметру и исключать затекание электролита в зазор. Прерывистые швы должны быть предварительно загерметизированы [6, С.36].

Качество покрытий должно соответствовать ГОСТ 9.301--78.

Для всех видов покрытий установлены требования к внешнему виду и, при необходимости, к специальным свойствам. Кроме того, для металлических покрытий устанавливают требования к толщине, пористости и прочности сцепления и, в случае покрытий сплавами -- к химическому составу; а для неметаллических неорганических покрытий -- требования к защитным свойствам и, при необходимости, к толщине.

Специальные свойства покрытий должны соответствовать требованиям конструкторской документации.

По толщине, химическому составу, защитным свойствам и пористости покрытия должны соответствовать требованиям, указанным в ГОСТ9.301--78.

Вид и толщину покрытия деталей (согласно ГОСТ 9.301--78, ГОСТ 9.073--77, ГОСТ 21 484--76) выбирают в соответствии с требованиями, приведенными в нормативно-технической документации. Исключение составляют детали, для которых толщину покрытия устанавливают независимо от условий эксплуатации: детали, выполненные по 7, 8 и 9-му квалитетам или имеющие посадки с натягом; резьбовые детали; пружины [3, С.42].

Вид дополнительной защиты деталей всегда оговаривается в конструкторской документации.

1.3 Назначение гальванических покрытий

В соответствии с их назначением гальванические покрытия можно разделить на следующие основные группы:

1) коррозиеустойчивые, или защитные;

2) защитно-декоративные;

3) износостойкие;

4) специальные.

Защитные свойства коррозиеустойчивого металлического покрытия определяются:

а) величиной электродного потенциала металла покрытия, сравнительно с электродным потенциалом защищаемого металла, т. е. будет ли металл покрытия при образовании гальванической пары катодом или анодом. Исключение представляют металлы, склонные покрываться пассивной пленкой (алюминий, хром). Разность между потенциалом металла покрытия и потенциалом защищаемого металла и контактирующимися с ним не защищаемыми металлами должна быть возможно наименьшей;

б) химической стойкостью металла покрытия против воздействия среды, в которой находится изделие. В связи с этим защитные свойства покрытия зависят от того, как по своей химической природе металл покрытия будет относиться к таким химическим реагентам, как влажный воздух, морская вода, кислоты, щелочи и др.;

в) достаточной толщиной, сплошностью и сцепляемостью покрытия, а также его твердостью и сопротивляемостью механическим воздействиям. Исключительно большое значение для противокоррозионной защиты имеет качество сцепления покрытия с основным металлом, выражающееся в сращивании покрытия с основой по всей поверхности изделия. Сцепление покрытия с покрываемым металлом зависит от ряда условий, куда относятся химические свойства основного металла и металла покрытия, режим и условия процесса осаждения и главное -- качество подготовки поверхности изделия в механических и гальванических цехах.

Основным требованием к коррозиеустойчивым и защитно-декоративным покрытиям является наличие достаточной для данных условий эксплуатации изделия толщины слоя покрытия.

Выбор покрытий и их толщина зависят от назначения изделий и условий их эксплуатации. Минимальные значения толщин покрытий после их отделки предусматриваются Государственными стандартами.

В зависимости от условий работы изделия устанавливаются три группы покрытии:

группа Л -- для легких условий работы. Эта группа предназначена для эксплуатации изделий в закрытых, сухих, отапливаемых и вентилируемых помещениях (аналогичных жилым);

группа С -- для средних условий работы. Эта группа предназначена для эксплуатации изделий в условиях закрытых помещений, и наружной атмосферы, загрязненных промышленными газами, пылью, а также содержащих аэрозоли или испарения морской воды. При этом изделия не должны подвергаться непосредственному воздействию дождя или снега;

группа Ж -- для жестких условий работы. Эта группа предназначена для эксплуатации изделий в условиях закрытых помещений и наружной атмосферы, загрязненных значительным количеством промышленных газов и пыли, а также при непосредственном периодическом воздействии дождя, снега или брызг морской воды [1, С.46].

Толщина покрытия в ряде случаев (например, с целью защиты от коррозии в жидких средах или агрессивных газах, при повышении износостойкости поверхности металла и.др.) не может быть стандартизована. В каждом отдельном случае здесь необходимо учитывать интенсивность воздействия коррозионной среды, конструктивные особенности изделия, срок службы и требования к покрытию, обусловленные технологией изготовления деталей.

2. Подготовка поверхности перед нанесением гальванических покрытий

2.1 Механическая обработка

Шлифование применяют для устранения царапин, забоин, рисок и других дефектов на поверхности деталей, а также для получения гладкой и ровной поверхности перед нанесением на нее защитно-декоративных покрытий.

Шлифование -- механический процесс снятия тонкой стружки металла острыми режущими гранями мелких верен абразивных материалов.

Полирование -- механический процесс получения блестящей (зеркальной) поверхности сглаживанием мельчайших неровностей предварительно шлифованной поверхности.

Шлифование и полирование крупных и средних деталей производят абразивными кругами и лентами; можно использовать и вибрационно-абразивное шлифование и полирование. Для мелких деталей эффективнее применять методы вибрационно-абразивной обработки и галтовки в барабанах с абразивными материалами. Шлифование и полирование кругами ведут на одношпиндельных или двухшпиндельных станках. Шлифовальные и полировальные круги изготовляют из войлока, сизаля, бязи, брезента, сукна, байки и других материалов, на рабочую поверхность которых наносят абразив, удерживаемый специальной связкой. При шлифовании деталей накатными войлочными или матерчатыми кругами, а также при полировании необходимо для более мягких металлов подбирать и более мягкие, т. е. эластичные, круги.

Для получения чисто отшлифованной поверхности рекомендуется при каждом последующем переходе применять круг более твердый, чем при предыдущем переходе. В зависимости от назначения круги различаются видом и сортом абразивного материала, твердостью, связкой. При выборе абразивного круга необходимо учитывать твердость обрабатываемого материала, площадь соприкосновения круга с деталью. Чем тверже обрабатываемый материал и больше площадь соприкосновения круга с деталью, тем мягче должен быть круг. Из-за высокой плотности войлочных кругов их целесообразно применять для шлифования деталей с острыми и прямыми углами, отверстиями, вырезами -- там, где нужно сохранить поверхность ровной и не «заваливать» края детали.

Для шлифования деталей под защитно-декоративные покрытия наряду с войлочными широко применяют матерчатые круги. Они отличаются упругостью и эластичностью. Их используют при шлифовании как черных, так и цветных металлов. Благодаря эластичности они удобны для шлифования деталей сложного профиля. Применяемые на ряде заводов самоохлаждающиеся вентилируемые круги имеют стойкость значительно большую, чем обычные полировальные круги.

При полировании используют полировальные пасты. В их состав входят абразив и связующее вещество. В качестве абразива применяют окись железа, окись хрома, окись алюминия, венскую известь, а в качестве связующего вещества -- стеарин, парафин, олеиновую кислоту, говяжье сало и др. Пасты могут быть твердыми и жидкими. Применение автоматической подачи паст увеличивает производительность процесса, создает удобство в работе и обеспечивает высокое качество обработки.

На ряде заводов в связи с внедрением высокопроизводительного полировального оборудования применяют непрерывные гибкие абразивные ленты и лепестковые круги, собранные из шлифовальных шкурок с различным зерном абразива.

Обработка абразивными лентами в сравнении со шлифованием войлочными кругами имеет следующие преимущества: поверхность соприкосновения ленты с деталью значительно больше, что способствует лучшему рассеянию теплоты; скорость движения ленты остается постоянной во все время шлифования; отпадает необходимость в балансировке рабочего инструмента; более оперативна переналадка станка; более безопасны условия труда.

В зависимости от состояния поверхности детали шлифование ведут в несколько переходов с постепенным уменьшением величины зерна абразива от первой операции к последней.

После того как шлифованием сглажены основные микрошероховатости поверхности, иногда перед декоративным полированием круг с мелким абразивом, который применялся на предыдущем переходе шлифования, слегка смазывают парафином, техническим салом или специальными засалочными пастами. Эта операция желательна в тех случаях, когда необходимо предохранить деталь от выкрашивания и задира при тонком шлифовании поверхности.

Режим шлифования определяется материалом обрабатываемых деталей, частотой вращения круга и его давлением на поверхность металла. При Шлифовании твердых материалов простой формы частота вращения круга больше, чем при обработке более мягких материалов и деталей сложной формы. При предварительном шлифовании, в отличие от тонкого, для снятия большего слоя металла увеличивают силу прижима деталей к вращающемуся кругу.

Галтовка (абразивная обработка в барабанах по ГОСТ 23505--79). Этот процесс есть разновидность шлифования и полирования, заключающийся в очистке и отделке поверхности мелких деталей насыпью для снятия заусенцев, окалины, неровностей и уменьшения шероховатости поверхности.

Галтовку осуществляют в аппаратах барабанного и колокольного типа, в которые загружают абразивные материалы и детали. При вращении барабана или колокола с выступающих частей поверхности деталей снимается тонкий слой металла в результате трения их между собой, а также с абразивными и полирующими материалами. Различают сухую (абразивную) галтовку и мокрую (жидкостно-абразивную) галтовку, которую в зависимости от применяемого размера абразива делят на подводное шлифование и подводное полирование.

Чаще всего для окончательной отделки винтов и болтов небольших размеров, поверхность которых должна быть блестящей, без заусенцев, применяют сухую галтовку. Ее осуществляют либо без абразива, либо с использованием тонкого абразива типа крокуса. Обработку изделий из мягких металлов и резьбовых изделий рекомендуется проводить в аппаратах колокольного типа, где они не испытывают сильных ударов.

При жидкостно-абразивной обработке детали обрабатываются абразивом и полирующими материалами в жидкой среде. В качестве абразива используют бой наждака, керамики, фарфора, корунда, кварцевый песок, стальную сечку, а для полирования -- стальные шарики, дретесиые опилки, обрезки кожи, фетра и другие мягкие материалы. В качестве жидкой среды используют 2--3 %-ный раствор щелочи, мыльный, кислотный и другие растворы. Жидкостно-абразивную обработку обычно применяют перед нанесением покрытий, чтобы очистить детали от травильного шлама, а также с целью сглаживания поверхности [8, С.96].

Обработка щетками -- процесс, при котором в результате воздействия концов проволок поверхность металла очищается от ржавчины, окалины, краски, образовавшегося шлама и Других загрязнений. Его производят не только с целью очистки поверхности, но и для нанесения на детали штрихового декоративного рисунка. С этой целью операцию производят либо до нанесения покрытия, либо после.

Обработку щетками осуществляют обычно на шлифовально-полировальных станках. Для изготовления щеток применяют стальную, латунную, медную, нейзильберную проволоку. При обработке мягких гальванических покрытий используют также волосяные, капроновые либо травяные щетки. При подборе проволоки для изготовления крацевальных щеток можно воспользоваться данными табл. 7, Прилож.2.

При декоративной обработке щетки обычно смачивают в содовом или мыльном растворе. Скорость вращения щеточных кругов может изменяться от 450 до 1800 об/мин.

Струйно-абразивная обработка. Этот вид подготовки поверхности перед нанесением металлических покрытий имеет разновидности: пескоструйная, дробеструйная и жидкостно-абразивная обработка. Он имеет весьма широкое применение, так как является одним из наиболее эффективных способов подготовки поверхности для всех видов покрытий, не требующих полированной поверхности.

Страницы: 1, 2