Применение электрохимического осаждения хрома в полиграфии

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Санкт-Петербургский государственный университет технологии и дизайна

Северо-Западный институт печати

Факультет Полиграфических технологий и оборудования

Специальность 261202

Кафедра Технологии полиграфического  производства













РЕФЕРАТ

по дисциплине "Специальные главы химии"

Тема работы «Применение электрохимического осаждения хрома в полиграфии»







Студентка

Новицкая Е.М.

гр. ВТ-3

		Руководитель 

		Соловьев В.Б.

		

		

		

Санкт-Петербург 2010


Содержание



Введение

1. Электрохимические методы формных процессов

2. Общие сведения о хроме

3. Хромирование

4. Особенности подготовки деталей к хромированию

5. Приготовление, корректирование и работа хромовых ванн

5.1 Приготовление электролита

5.1.1 Составление электролита

5.1.2 Проработка электролита

5.2 Корректирование электролита

5.3 Аноды

5.4 Работа хромовой ванны

6. Проверка качества и утилизация гальваноосадков

6.1 Проверка качества

6.1.1 Снятие дефектных хромовых покрытий

6.2 Утилизация

7. Недостатки хромирования

8. Заключение

Список использованной литературы




Введение



В настоящее время, полиграфия является одной из ведущих и развивающихся отраслей. Ежедневно мы имеем дело с той или иной печатной продукцией: свежая пресса, всевозможные брошюры, различные упаковки. Печатное оборудование становится все более и более современным, однако нельзя заметить того факта, что даже самое продвинутое оборудование имеет свой срок службы. 

Для повышения срока службы оборудования используют различные методы защиты деталей.

Целью реферата является исследование процесса электрохимического осаждения хрома, и оценить его значение для полиграфического производства.




1.Электрохимические методы формных процессов



Электрохимические методы нашли широкое применение в технологии полиграфического производства. Они применяются для получения с помощью электролиза на неметаллической и металлической основах гальваноосадков. Так же для получения оксидных покрытий на металле с определенными свойствами. 

Электрохимические методы имеют две разновидности: гальваностегия и гальванопластика.

Гальванопластика – это электрохимический метод получения с помощью электролиза копий оригинала – матрицы.

Более подробно рассмотрим гальваностегию.

Гальваностегия – это электрохимический метод получения на металлических поверхностях с помощью электролиза тончайших металлических покрытий, которые прочно сцепляются с основой.

В полиграфии гальваностегия нашла широкое применение для улучшения механизации свойств печатных форм. На поверхность печатных форм наносят тончайшее покрытие Cr, Ni, Co. Наиболее прочным является хромовое покрытие, далее рассмотрим его свойства.

электрохимия осаждение хром полиграфия




2. Общие сведения о хроме



Хром – элемент 6-й группы периодической системы элементов Д.И. Менделеева. Его атомный номер 24, атомная масса 51,99.

Физические свойства хрома следующие: температура плавления 1890 - 1900°С; плотность (при 20°С) 6,9 7,2 г/см³; 

Соединения шестивалентного хрома являются сильными окислителями. Все хромовые кислоты относятся к сильным; по мере усложнения их состава степень их диссоциации в разбавленных растворах возрастает. Оксид CrO обладает амфотерными свойствами. Соединения Cr обладающие основными свойствами, неустойчивы.

Электрически осажденный хром обладает рядом ценных свойств: высокой твердостью, износоустойчивостью, термостойкостью и химической устойчивостью.

Хром обладает большой стойкостью против воздействия многих кислот и щелочей: он нерастворим в растворах азотной и серной кислот, в соляной и горячей серной кислотах легко растворяется, на воздухе и под действием окислителей пассивируется – на его поверхности образуется тонкая окисная пленка. 

Хорошо полированная поверхность хрома имеет высокие декоративные качества, которые отличаются стабильностью во времени: хром не тускнеет даже после нагрева до 328-448°C. Хромовые покрытия применяют в следующих случаях:

	- Для защитно-декоративных целей. Защитно-декоративному хромированию подвергают детали автомобилей, велосипедов, приборов и т.п.

	- Для увеличения отражательной способности. Отражательная способность хромового покрытия уступает лишь отражательной способности серебра и алюминия, однако вследствие более высокой стойкости против окисления отражательная способность хрома более стабильна. Поэтому хромовое покрытие широко используется в производстве зеркал, отражателей, прожекторов.

- Для увеличения износоустойчивости. 

- Для восстановления изношенных размеров. Наращивание слоя хрома на изношенные поверхности термообработанных валов, втулок позволяет восстановить размеры деталей и этим увеличить срок эксплуатации изделий.

Толщина хромовых покрытий устанавливается в зависимости от условий эксплуатации и назначения покрытий по отраслевой документации.




3. Хромирование



Создание первых производственных установок по хромированию относится к концу 20-х годов текущего столетия. За истекший период времени хромовые покрытия, по сравнению с другими гальваническими покрытиями, получили наиболее широкое распространение.

Важной областью хромирования являются защитно-декоративные покрытия. Наряду с этим хромовые покрытия получили широкое распространение в машиностроении для увеличения износостойкости новых деталей машин и инструмента, а также для восстановления изношенных деталей.

Технология электролитического, или гальванического хромирования является испытанным способом увеличения износостойкости трущихся деталей, защиты их от коррозии, а также способом защитно-декоративной отделки. Хромирование часто используется для защиты поверхностей новых деталей от негативных факторов.

Различают два основных вида электролитического хромирования: декоративное и твердое

При декоративном хромировании слой хрома наносят на подслой другого металла, чаще всего никеля. При правильном ведении процесса электролитического осаждения никелевый подслой весьма надежно оберегает сталь от атмосферной коррозии, тогда как без него хромовое покрытие постепенно тускнеет. Поэтому обычно для получения декоративного нетускнеющего покрытия красивого оттенка очень тонкий слой хрома осаждают электролитически поверх никеля. Подобное тонкое хромированное покрытие обычно бывает пористым, что, однако, никакого вреда не приносит, так как защита обеспечивается лежащим под ним слоем никеля. Иногда вместо никеля осаждают медь как более дешевый коррозионностойкий подслой. При твердом хромировании наносят сравнительно толстый слой хрома (до 5 мм.) для того, чтобы использовать высокую твердость, износостойкость и малый коэффициент трения хромированного покрытия. В подобных случаях хром обычно осаждают прямо на основной металл без какого-либо промежуточного подслоя.




4. Особенности подготовки деталей к хромированию



Подготовка поверхности детали к защитно-декоративному и износостойкому покрытию хромом имеет много общего. Последовательность технологических операций следующая:

1) механическая обработка поверхности (шлифование или полирование);

2) промывка органическими растворителями для удаления жировых загрязнений и протирка тканью;

3) заделка отверстий и изоляция участков поверхности детали, не подлежащих хромированию;

4) монтаж подвески;

5) обезжиривание;

6) промывка в воде;

7) травление;

8) декапирование.

Требования к механической подготовке.

Перед покрытием поверхность детали обрабатывается по тому классу чистоты, который указан для готовой детали.

После механической обработки на поверхности детали не должно быть неметаллических включений, а также раковин, трещин и глубоких рисок, т.к. хром хорошо воспроизводит все эти дефекты.

Зачеканка отверстий и изоляция поверхности. Отверстия, если таковые имеются на поверхности изделия, перед хромированием должны быть закрыты свинцом или другим стойким в хромовой кислоте материалом. В противном случае вокруг отверстия остаются не покрытые хромом участки. Зачеканка производится заподлицо с хромируемой поверхностью. По окончании изоляции, подлежащие хромированию участки, необходимо тщательно очистить от загрязнения лаком. Поверхность зачищают наждачным полотном.

Монтаж подвески. При монтаже подвески на деталь необходимо проследить за тем, чтобы детали не закрывали друг друга и все участки их поверхности, по возможности, одинаково отстояли от поверхности анода.

Обезжиривание. При удалении с поверхности детали жировых загрязнений следует иметь в виду, что стальные закаленные тонкостенные детали, работающие при значительных удельных нагрузках, не допускается обезжиривать на катоде; в этом случае применяется анодное обезжиривание или обезжиривание химическим способом.

Декапирование. Перед хромированием стальные и чугунные детали подвергаются анодному декапированию в течение 30-90 сек. при плотности тока 25-40 А/дм. Изделия из меди и медных сплавов анодному декапированию не подвергаются.




5. Приготовление, корректирование и работа хромовых ванн



5.1 Приготовление электролита



Электролиты для хромовых ванн приготовляются из двух основных компонентов – хромового ангидрида и серной кислоты.



5.1.1 Составление электролита

Для приготовления электролита рассчитанное количество хромового ангидрида дробится на небольшие куски, загружается в ванну хромирования и заливается для лучшего растворения водой, подогретой до 60-80°. При этом можно использовать водопроводную воду, не загрязненную железом, однако, в районах с жесткой водопроводной водой для этих целей необходимо пользоваться конденсатором или даже дистиллированной водой.

После растворения хромового ангидрида раствор перемешивают и определяют в нем содержание CrO по удельному весу.

Раствор после тщательного перемешивания подвергают анализу и, установив действительное содержание CrO и HSO, подсчитывают и дополнительно вводят недостающее количество компонентов.



5.1.2 Проработка электролита

Для нормального осаждения хрома рекомендуется содержание в электролите небольшого количества Cr³, около 2-4 г/л. В готовом электролите производят пробное хромирование.

Замена хромового электролита производится через 1-2 года и зависит от интенсивности эксплуатации ванны и загрязнения ее примесями.

При эксплуатации ванны следует учитывать, что в процессе электролиза концентрация трехвалентного хрома в электролите изменяется в зависимости от конфигурации деталей. Так, при хромировании деталей, площадь покрытия которых больше площади анода, например, при хромировании внутренней поверхности цилиндра, концентрация трехвалентного хрома в электролите постепенно возрастает. Если же площадь детали – катода значительно меньше площади анода, что имеет место при хромировании наружных цилиндрических поверхностей, то содержание трехвалентного хрома в электролите понижается.



5.2 Корректирование электролита



Для поддержания постоянной концентрации CrO и HSO электролит периодически корректируют путем введения в него новых порций хромового ангидрида и серной кислоты.

Количество добавляемого в ванну хромового ангидрида определяется на основании удельного веса электролита или по результатам анализа. Добавление в ванну CrO осуществляется ежедневно.

Корректирование электролита серной кислотой производится значительно реже. Один раз в 7-10 дней электролит подвергают анализу на содержание Crи Cr и серной кислоты. На основании анализа рассчитывают недостающее количество HSO и вводят его в электролит. После этого электролит тщательно перемешивают и дают ему отстояться. Поэтому серную кислоту рекомендуется вводить в ванну во время перерывов в работе.



5.3 Аноды



Материалом анодов для ванны хромирования служит чистый свинец или сплав, состоящий из 92-93% свинца и 8-7% сурьмы. Аноды из сплава Pb или Sb в меньшей степени покрываются нерастворимой и непроводящей пленкой хромовокислого свинца, чем аноды из чистого свинца.

Во время электролиза выделяющийся на аноде кислород, взаимодействуя со свинцом, образует на его поверхности темно-коричневого цвета непроводящую пленку перекиси свинца. Сопротивление анода в процессе электролиза увеличивается и поэтому через определенные периоды работы ванны необходимо аноды чистить. При непрерывной работе ванны и высоких плотностях тока очистку анодов производят один раз в смену или после окончания цикла электролиза.

Удаление оксидной пленки с анодов производится путем обработки их в соляной кислоте, разбавленной 1:1, или в 10-процентном растворе едкого натра. После этого аноды промываются водой.

По форме аноды изготавливаются в большинстве случаев плоскими и цилиндрическими. Однако в следствие плохой рассеивающей способности хромового электролита, при покрытии деталей с глубоким рельефом очертания анода должны определяться формой катода.



5.4 Работа хромовой ванны



Залогом успеха при хромировании является правильность выбора режима электролиза, а также соблюдение его при хромировании. Совершенно не допускаются отклонения от установленной величины плотности тока и температуры электролита. Колебание последней допускается в пределах +/-1. Для получения одинаковой плотности тока, на одновременно загруженных в ванну деталях необходимо руководствоваться следующими правилами:

- Подвески и контакты должны изготавливаться из одинаковых материалов. 

-Поперечное сечение токопроводящих частей подвесок должно быть рассчитано на требуемую силу тока без значительного нагревания. 

-Качество контактов при хромировании ввиду применения больших плотностей тока имеет исключительно важное значение. Поэтому поверхность контактов необходимо тщательно очищать от коррозии и всякого налета электролита.

Кроме того, расстояние между изделиями и анодами в ванне для всех подвесок должно быть одинаковым. Несоблюдение этих требований может привести к неоднородности покрытия по толщине слоя хрома.

В процессе хромирования не допускаются перерывы тока, так как при повторном наращивании происходит отслаивание хрома. Это можно наблюдать либо непосредственно после хромирования, либо после механической обработки, в результате которой верхний слой хрома осыпается. Повторное хромирование допустимо, если изделие после перерыва тока подвергнуть анодному травлению в течение 30-40 сек. при плотности тока 25-30 А/дм, а затем, изменив направление тока, продолжать хромирование. При этом осаждение хрома следует начинать с относительно низких катодных плотностей тока (но не ниже 20-25 А/мд), и постепенно увеличивать до установленной величины.

При хромировании рельефных деталей рекомендуется в начале электролиза произвести “толчок тока”; это особенно целесообразно в отсутствии фигурного анода. Этот прием состоит в том, что электролиз начинают при плотности тока, примерно, вдвое больше, чем следует, а спустя 1-2 мин., величину ее постепенно снижают до нормальной. Благодаря “толчку тока” удается осадить хром на углубленных участках изделия.




6. Проверка качества и утилизация гальваноосадков



6.1 Проверка качества



Для характеристики качества покрытий необходимо и достаточно определить степень прочности сцепления с основой, твердость, пористость, пластичность, внутренние напряжения, блеск, степень выравнивания, износостойкость и коррозионную стойкость.



6.1.1 Снятие дефектных хромовых покрытий

Удаление дефектных хромовых покрытий с поверхности детали осуществляют несколькими способами: химическим растворением хромового покрытия, нанесенного на детали из стали, меди, латуни, никеля в 10-20% растворе соляной кислоты, но при этом подтравливается сталь; электрохимическим растворением хромового покрытия с деталей из стали, латуни и меди в 10-15% растворе едкого натра при анодной плотности тока 10-20 А/дм2 и температуре 25-З0°С. В качестве катода применяют сталь. Электролит не действует на сталь. Для снятия хромового покрытия с алюминия и цинковых сплавов вместе с подслоем никеля рекомендуется анодное растворение в 60% растворе серной кислоты с добавкой глицерина при плотности тока 5-10 А/дм2.



6.2 Утилизация



Утилизация отходов – трудоемкий и достаточно сложный процесс, требующий высокого профессионализма от работников и наличие специального оборудования. Особенно это касается утилизации промышленных отходов – ведь в отработанных различными производствами материалах могут присутствовать весьма вредные для человека и окружающей среды вещества.

Некоторые предприятия предлагают утилизацию гальваноосадков путем использования их в качестве добавок при производстве строительных материалов, а именно в производстве цемента. Основной принцип утилизации гальваноосадков - высокотемпературные процессы, имеющие место при обжиге цементного клинкера (температура обжига в зоне спекания достигает 1550°С). В ходе образования соответствующих минералов (алита, белита, трехкальциевого алюмината, четырехкальциевого алюмоферита и т.д.) тяжелые металлы осаждаются в кристаллических решетках (эффект связывания), изоморфно замещая основные элементы структур.




7. Недостатки хромирования



Существенным недостатком хромирования является негативное влияние на экологию процесса нанесения покрытия. Шестивалентный хром, образующийся в технологическом процессе, является сильнейшим канцерогеном, вследствие чего в Европе, Японии и США остались только производства с замкнутым циклом, не выделяющие вредных веществ в окружающую среду. 

С 70-х - 80-х годов XX века появилась экономичная и экологически чистая альтернатива гальваническому хромированию – высокоскоростное газопламенное напыление карбидов вольфрама и хрома. Покрытия на базе карбидов вольфрама и хрома являются более твердыми и износостойкими, чем чистый хром, что оправдывает их применение в таких разных задачах, как бурение, защита от износа штоков компрессоров, гидравлики, защита от износа плунжеров насосов высокого давления, хромирования полиграфических валов. Опыт использования покрытий из карбидов показывает увеличение ресурса по сравнению с твердым гальваническим хромированием в 1,2 – 3 раза в зависимости от применения.




8. Заключение



Осаждения хрома имеют очень большое значение, как для полиграфии, так и множества других отраслей. Благодаря хромированию детали служат дольше, печатные формы гораздо более износостойки, так же этот метод хорошо подходит для восстановления изношенных деталей.




Список использованной литературы



1. Статья о хромировании http://www.tspc.ru/tech/termsd.php?ID=1628

2. Сайт о гальванике http://www.galvan.ru/?q=node/19

3. Статья об утилизации промышленных отходов http://www.alitm.ru/

4. Лекции курса «Специальные главы химии».

5. Статья Ю. Ю. Матулиса «Некоторые проблемы современной гальванотехники».

6. Сайт компании «ЛВ-Инжиниринг», информация о хромировании http://www.galvanicline.ru/show.php?page=424 





1