Проект " Вторая жизнь металла после гальваники"

Муниципальное автономное образовательное учреждение

« Школа №1» Камышловского городского округа Имени Героя

Советского Союза Бориса Самуиловича Семёнова

Исследовательский проект на тему:

«Вторая жизнь металла после гальваники».

Выполнили:

Устьянцева Настя,

Мельникова Кристина

Пестова Кристина

Максимов Вадим

Ученики 9 класса

Руководитель:

Шувалова Елена Николаевна,

учитель химии и биологии,

I квалификационной категории.

г.Камышлов, 2016

Содержание

Введение

С сентября по декабрь 2015 года наша группа тесно сотрудничала с Камышловским электротехническим заводом, непосредственно с цехом «Гальваника». Мы посещали обзорные и практические занятия в данном цехе под руководством главного технолога Бирлат Ирины Хасановны.

В ходе профориентационной работы нашей школы с данным предприятием у нас возникла идея написания исследовательского проекта

« Вторая жизнь металла после гальваники», чтобы познакомить учащихся нашей школы с технологией гальваники, с профессиями данного производства, а также для популяризации предмета химии.

Актуальность.

Сегодня значительно повысились требования к качеству и долговечности металлических изделий и деталей. После гальванического покрытия металлов изделия из них приобретают антикоррозийные, декоративные свойства, становятся более прочными и устойчивыми к износу. Также ценится их способность выдерживать большие механические нагрузки и воздействие агрессивных сред. Именно поэтому использование гальванических покрытий металлов, как наиболее быстрый и дешёвый способ придания новых свойств, становится весьма актуальным.

Цель работы: Познакомиться с производством « Гальваника».

Задачи:

1. Изучить литературу по данному вопросу;

2. изучить сущность, основы технологии гальваники;

3. провести практические работы в цехе « Гальваника» по нанесению покрытий.

3. Выяснить значение гальваники .

4. Поснакомиться с автоматическим производством « Гальваника».

Объект исследования: металлические изделия

Предмет исследавания: нанесение покрытий с новыми свойствами на металлические изделия.

Гипотеза: изучая сущность, основы технологии и виды гальванизации можно придать изделиям новые свойства.

Глава 1. Обзор литературы

1.1.Что такое гальваника?

Гальваника-это осаждение тонкого слоя металла на поверхности какого-либо металлического предмета под воздействием электрического тока из электролита на любую электропроводящую поверхность для придания изделию различных свойств.

Преимущества гальванического покрытия:

- особая прочность изделия;

- жаростойкость;

- износостойкость;

- предохранение от воздействия коррозии.

- придание поверхности декоративного вида.

Гальваническое покрытие металла - это прекрасный способ избежать многих проблем и увеличить срок службы оборудования, агрегатов и прочих устройств. Нанесение гальванических покрытий методом хромирования или никелирования требует специального производственного процесса и квалифицированного персонала.

1.2 Сущность процесса гальванизации.

Нанесение гальванических покрытий представляет собой электрохимический процесс, при котором происходит осаждение слоя металла на поверхности изделия. В качестве электролита используется раствор солей наносимого металла. Само изделие является катодом, анод - металлическая пластина. При прохождении тока через электролит соли металла распадаются на ионы. Положительно заряженные ионы металла направляются к катоду, в результате чего происходит электроосаждение металла.

Толщина, плотность, структура гальванических покрытий могут быть разными в зависимости от состава электролита и условий протекания процесса - температура, сила тока. Так, например, варьируя соотношением этих двух параметров можно получить блестящее или матовое хромовое покрытие, для блестящего никелирования в электролит добавляют блескообразователи - сульфосоединения.

Декоративные покрытия имеют небольшую толщину, мелкозернистую структуру и достаточную плотность. Для обеспечения прочности сцепления покрытия с изделием необходимо проводить тщательную подготовку поверхности, которая включает механическую обработку (шлифовка и полировка), удаление окислов и обезжиривание поверхности. После нанесения покрытия изделие промывают и нейтрализуют в щелочном растворе.

1.3 Технологический процесс гальванического нанесения металлических покрытий.

Каждый технологический процесс гальванического нанесения металлических покрытий состоит из ряда отдельных операций, которые можно разделить на 3 группы:

1. Подготовительные работы.

Их цель - подготовка металла (поверхности) для нанесения покрытия гальваническим путем. На этой стадии технологического процесса проводится шлифование, обезжиривание и травление.

1. Основной процесс.

Цель основного процесса заключается в образовании соответствующего металлического покрытия с помощью гальванического метода.

1. Отделочные операции.

Они применяются для облагораживания и защиты гальванических покрытий. Наиболее часто для этих целей применяют пассивирование, окраску, лакирование и полирование.

1.4 Виды гальванизации изделий.

Гальваническое производство способно выполнить множество видов различных покрытий, среди которых могут быть:

Хромирование

Хромовые покрытия в отношении их функционального применения являются одними из наиболее универсальных. С их помощью повышают твердость и износостойкость поверхности изделий, инструмента, восстанавливают изношенные детали. Связано это с наличием на его поверхности весьма плотной пассивирующей пленки оксидной природы, которая при малейшем повреждении легко восстанавливается. Широко применяется для защиты от коррозии и с целью декоративной отделки поверхности изделий. В зависимости от режима процесса можно получить различные по свойствам покрытия.

Цинкование

Покрытие цинком защищает от коррозионного разрушения черные металлы не только механически, но и электрохимически. Цинковые покрытия широко применяются для защиты от коррозии деталей машин, крепежных деталей, применяются для защиты от коррозии водопроводных труб, питательных резервуаров, соприкасающихся с пресной водой при температуре не выше 60-70 оС, а так же для защиты изделий из черного металла от бензина и масла и др. В среде, насыщенной морскими испарениями, покрытия цинком не стойки.

Кадмирование

Химические свойства кадмия аналогичны свойствам цинка, однако он более химически устойчив. В отличие от цинка кадмий не растворяется в щелочах. Покрытие, так же как и цинковое, применяется для защиты черных металлов от коррозии. Особенность кадмиевого покрытия заключается в том, что оно обеспечивает электрохимическую защиту стали в тропических условиях. Кадмий значительно пластичнее цинка, поэтому детали с резьбовым соединением предпочитают кадмировать. Однако не следует покрывать детали, находящиеся в контакте с топливами, в атмосфере, содержащей летучие органические вещества (олифа, лаки, масла) и сернистые соединения.

Никелирование

Никелем покрывают изделия из стали и цветных металлов (медь и ее сплавы) для защиты их от коррозии, декоративной отделки поверхности, повышения сопротивления механическому износу и для специальных целей. Никелевые покрытия имеют высокую антикоррозионную стойкость в атмосфере, в растворах щелочей и в некоторых органических кислотах, что в значительной степени обусловлено сильно выраженной способностью никеля к пассивированию в этих средах. Никелевое покрытие хорошо полируется и может быть легко доведено до зеркального блеска.

Химическое никелирование

Химическое никелевое покрытие, содержащее 3-12% фосфора, по сравнению с электролитическим имеет повышенные антикоррозионную стойкость, износостойкость и твердость, особенно после термической обработки. Обладает малой пористостью. Главным достоинством процесса химического никелирования является равномерное распределение металла по поверхности рельефного изделия любого профиля.

Электрохимическое никелирование

Никелем покрывают изделия из стали и цветных металлов (медь и ее сплавы) для защиты их от коррозии, декоративной отделки поверхности, повышения сопротивления механическому износу и для специальных целей. Никелевые покрытия имеют высокую антикоррозионную стойкость в атмосфере, в растворах щелочей и в некоторых органических кислотах, что в значительной степени обусловлено сильно выраженной способностью никеля к пассивированию в этих средах. Никелевое покрытие хорошо полируется и может быть легко доведено до зеркального блеска.

Оловянирование

Основные области применения покрытий оловом - защита изделий от коррозии и обеспечение пайки различных деталей. Этот металл устойчив в промышленной атмосфере, даже содержащей сернистые соединения, в воде, нейтральных средах. По отношению к изделиям из медных сплавов олово является анодным покрытием и защищает медь электрохимически. Оловянные покрытия чрезвычайно пластичны и легко выдерживают развальцовку, штамповку, изгибы. Покрытия имеют хорошее сцепление с основой, обеспечивают хорошую коррозионную защиту и красивый внешний вид. Свежеосажденное олово легко паяется с применением спиртоканифольных флюсов, однако через 2--3 недели его способность к пайке резко ухудшается.

Меднение

Медные покрытия чаще всего применяют для экономии никеля как подслой при никелировании и хромировании. Вследствие промежуточного покрытия стали и чугуна медью достигается лучшее сцепление между основным металлом и металлом покрытия и уменьшается вредное влияние водорода. Медные покрытия широко применяются также для местной защиты при цементации и в гальванопластике. Медные покрытия хорошо полируются, что имеет значение при декоративно-защитных покрытиях. Хорошо оснащенные гальванические цехи имеются почти на всех машиностроительных и металлообрабатывающих заводах.

Серебрение

Серебро обладает высокой электропроводностью, отражательной способностью и химической устойчивостью, особенно в условиях действия щелочных растворов и большинства органических кислот. Поэтому, покрытия серебром получило применение, главным образом для улучшения электропроводящих свойств поверхности токонесущих деталей, придания поверхности высоких оптических свойств, для защиты химической аппаратуры и приборов от коррозии под действием щелочей и органических кислот, а так же с декоративной целью.

Глава 2. Практические работы.

2.1. Практическая работа №1 Цинкование латунной пластинки в ячейке Хулла.

Ячейка Хулла - стандартная угловая ячейка представляет собой гальваническую ванну рабочим объемом 250 мл, в которой катод расположен к аноду под углом 51°. Геометрические характеристики ячейки обеспечивают широкий диапазон распределения плотности тока по длине катода от максимальной на ближайшем к аноду участке катодной пластины, до минимальной на дальнем. При этом в зависимости от величины пропускаемого через ячейку тока каждой точке по длине катода соответствует определенное значение плотности тока.

Комплект ячейки Хулла:

• ячейка, материал полипропилен или фторопласт;

• источник тока на 1-2А или 5А (для процесса хромирования);

• катодные пластины ( в качестве катода выбирается латунная, медная или стальная пластина);

• анод (цинковый, медный, никелевый, свинцовый, в зависимости от процесса);

• комплект проводов.

Цель работы: Покрытие латунной пластинки цинком с целью придания декоративного вида.

Ход работы:

• Взвешивание латунной пластинки;

• катод перед покрытием обезжиривается и активируется в стандартных составах;

• анод чистится механически стальной щеткой под струей воды;

• время испытания 5-15 мин ;

• по окончании процесса электролиза катодная пластина промывается и сушится сжатым воздухом или фильтровальной бумагой;

• взвешивание латунной пластинки , покрытой цинком.

• качество покрытия проверяется по шкале распределения плотностей тока.

Цинкование в цинкатном электролите

Результаты: Вес латунной пластины без покрытия 108г., с покрытием 109 г.

Вывод: мы провели цинкование латунной пластинки в ячейке Хулла с целью придания ей декоративного вида.

2.2. Практическая работа №1 Меднение латунной пластинки в ячейке Хулла.

Цель работы: Покрытие латунной пластинки медью.

Ход работы:

• Взвешивание латунной пластинки;

• катод перед покрытием обезжиривается и активируется в стандартных составах;

• анод чистится механически стальной щеткой под струей воды;

• время испытания 5-15 мин ;

• по окончании процесса электролиза катодная пластина промывается и сушится сжатым воздухом или фильтровальной бумагой;

• взвешивание латунной пластинки , покрытой медью.

• качество покрытия проверяется по шкале распределения плотностей тока.

Меднение в сернокислом электролите

Результаты: Вес латунной пластины без покрытия 45,45г., с покрытием 45,7г.

Вывод: мы провели меднение латунной пластинки в ячейке Хулла. Меднение изделий проводится, как подготовительная операция перед покрытием другими более прочными металлами.

Глава 3 Автоматизированное производство цеха « Гальваника» Камышловского электротехнического завода.

3.1 Открытие нового автоматизированного цеха « Гальваника» на Камышловском электротехническом заводе.

Камышловский электротехнический завод, входящий в ОАО ««Элтеза» сегодня-это крупный производитель релейной аппаратуры и напольного оборудования для нужд железнодорожной отрасли. Продукция предприятия обеспечивает 30% отечественного рынка средств сигнализации, централизации и блокировки на железных дорогах страны.

27 июля 2011г. на Камышловском электротехническом заводе

запущен новый цех гальванического производства. Запуск нового автоматизированного цеха ещё один новый шаг в обеспечении безопасности и повышении надёжности железнодорожных перевозок.

Цех « Гальваника» занимается гальванизацией комплектующих деталей железнодорожной автоматики, телемеханики и связи .

Темпы производительности выросли в два раза, предприятие набрало хорошие обороты.

Если ранее для того, чтобы на выходе получить готовую деталь уходило три с половиной часа, то используя передовые мощности, теперь достаточно одного часа. Цех полностью автоматизирован, персонал прошёл необходимое обучение.

Немаловажно, что новое оборудование для цинкования и никилирования соответствует европейским природоохранным стандартам. В комплексе предусмотрены современные очистные сооружения.

1. Автоматизированные линии цеха « Гальваника».

  Автоматические гальванические линии с программным управлением предназначены для нанесения химических и электрохимических покрытий на детали, размещенные на подвесках в гальванических корзинах, которые в свою очередь закреплены на перемещаемых катодных штангах. Автоматические линии состоят из ряда ванн, установленных в строгой технологической последо­вательности. Между рядами ванн расположены механизмы для переноса кареток с подвесками из ванны в ванну и перемещения их вдоль линии. Вертикальное перемещение кареток производится пу­тем подъема или опускания кареток с помощью моста. Горизон­тальное перемещение вдоль автоматической линии осуществляется толкающими штангами механизма горизонтального перемещения, передвигающими тележку с кареткой на одну позицию. Тележки служат для горизонтального перемещения кареток и одновременно являются направляющими при вертикальном перемещении. Все тележки с каретками образуют при своем движении замкнутую конвейерную линию. Характер движения — пульсирующий. Места загрузки и выгрузки деталей расположены в торцовой части линии.

Линия автомата состоит из однопозиционных и многопозицион­ных ванн. Однопозиционные ванны предназначены для операций промывки, активации, осветления и т. д. Многопозиционные ванны предназначены для операций, более длительных по времени, чем темп работы автомата (например, меднение, никелирование и др.). Многопозиционная ванна в зависимости от расположения в авто­матической линии прямолинейной формы.

  Для управления автоматическими гальваническими линиями используется специально разработанная компьютерная программа, позволяющая полностью автоматизировать технологический процесс, оптимизировать подготовку и загрузку оборудования, контролировать технологический процесс и при необходимости оперативно вмешиваться в него.

  Программное управление осуществляется специально разрабатываемой для каждой линии программой, установленной на компьютере.

  Компьютерное управление автоматическими гальваническими линиями позволяет обрабатывать детали по различным технологическим циклам, а также совмещать в одной автоматической линии несколько типов гальванических покрытий. Программа позволяет специалистам любой квалификации составлять необходимую циклограмму передвижения автооператора, программировать время нахождения деталей в ваннах, температуру растворов, подаваемый ток, производить дозирование добавок в рабочие ванны в зависимости от наработки часов или от обработанной поверхности.

  Автоматические линии укомплектованы следующим оборудованием:

• Современными выпрямителями специально разработанными для гальваники;

• Системой нагрева и охлаждения рабочих растворов;

• Вентиляционной системой с очисткой воздуха;

Вентиляционная система - Вентиляционная система гальванических линий предназначена для удаления вредных веществ от процессорных ванн и очистки выбрасываемого в атмосферу воздуха. Вентиляционная система имеет высокопроизводительный вентилятор, выполненный из пластика, и каплеотделитель для очистки воздуха с эффективностью 98%. На процессорных ваннах установлены бортоотсосы из пластика с регуляторами расхода воздуха. Вдоль линии расположен основной воздуховод выполненный из пластика.

Очистка воздуха - Для очистки выбрасываемого в атмосферу воздуха применяются каплеотделители, скрубберы и фильтры.

• Фильтровальными установками;

Система фильтрации - служит для фильтрации растворов в ваннах химического и гальванического нанесения покрытий. Подбор фильтровальных установок производится в зависимости от используемого раствора, производительности и температуры.

• Установками обессоливания для получения деионизированной (деминерализованной) воды;

• Станциями очистки сточных вод

Станции очистки (нейтрализации) сточных вод от гальванических производств. Поставлены установки с подачей воды на повторное использование в технологическом процессе.

• Установками приготовления растворов

Ёмкость для приготовления раствора оснащена нагревом, перемешивающим устройством и фильтровальной установкой.

1. Методы гальванизации на Камышловском электротехническом заводе.

На автоматических линиях ЭТЗ применяется несколько видов покрытий стальных деталей:

- Цинкование. Покрытие цинком защищает от коррозионного разрушения стальные изделия.

- Меднение. Нанесение меди проводится, как подготовительная операция перед покрытием другими более прочными металлами, например никелем.

- Никилирование. Никелем покрывают изделия из стали и цветных металлов (медь и ее сплавы) для защиты их от коррозии, декоративной отделки поверхности, повышения сопротивления механическому износу.

- Хромирование. С помощью хромовых покрытий повышают твердость и износостойкость поверхности изделий, инструмента, восстанавливают изношенные детали.

- Серебрение. Покрытие серебром получило применение, главным образом для улучшения электропроводящих свойств поверхности токонесущих деталей (например, контактов для розеток и реле), придания поверхности высоких оптических свойств, для защиты химической аппаратуры и приборов от коррозии под действием щелочей и органических кислот, а так же с декоративной целью.

Гальванизация металла происходит в автоматизированной линии цеха с программным управлением в специальных ваннах. Катодом служат стальные изделия, анодом служит тот металл, которым покрывают, например цинковые шарики в среде электролита с одноимённым металлом.

Глава 4 Экспресс-тестирование электролита в ячейке Хулла в цехе ««Гальваника» на Камышловском электротехническом заводе.

Перед началом работы автоматической линии технолог проводит экспресс-тестирование электролита в ячейке Хулла. Для этого он покрывает латунные пластинки в среде электролита цинком, медью и другими металлами и определяет качество гальванического покрытия.

Экспресс-анализ в ячейке Хулла позволяет тестировать ряд технологических показателей электролитов:

• определение качества гальванического покрытия (внешний вид, степень блеска) в широком диапазоне плотностей тока;

• определение интервала рабочих плотностей тока;

• определение кроющей и рассеивающей способности электролита;

• определение количества блескообразующих добавок, необходимых для корректирования электролита;

• определение расхода блескообразующих добавок;

• входной контроль качества блескообразующих добавок, основных химикатов и анодов;

• оценка степени загрязнения электролита ионами тяжелых металлов и органическими веществами;

• выяснение причин брака и путей его устранения.

Во многих случаях по характеру и расположению дефектов на катодной пластине можно судить о причинах неполадок работы электролитов.

Заключение

Гальваника на сегодняшний день является самым востребованным способом защиты изделий. После гальваники стальные изделия получают вторую жизнь, так как приобретают новые свойства –повышенную коррозионную стойкость, износостойкость, прочность, защитно-декоративную отделку. Эти новые свойства продлевают срок службы изделий, улучшают их внешний вид.

В ходе исследовательской работы мы получили научно-обоснованную информацию о технологических процессах, происходящих в цехе « Гальваника» Камышловского электротехнического завода; познакомились с методами гальванизации ; сами провели покрытие латунных пластин другими металлами; познакомились с профессиями данного производства-это технологи и операторы-гальваники.

Данный проект мы представим на классных часах для профориентации ребят 9-11 классов, а также для популяризации предмета химии.

Литература

1. B.А. Астахов, М.М. Дубинин, Гальваника. М., 2003г.

2. Вайнер Я. В., Дасоян М.А. Технология электрохимических покрытий.-Л: Машиностроение, 1982.

3. Сысюк З.И., Щелконогова Н.В. Камышловский электротехнический завод. История. Люди. Дело. Екатеринбург: издательский дом « Автограф», 2005

4. Тяглова Е.В.Исследовательская деятельность учащихся по химии.М.: «Глобус»,2007.

5. Ямпольский А. М., Ильин В. А. Краткий справочник по гальванотехнике. Изд-е 3-е. - Л.: Машиностроение, 1981.

14