Материальный баланс

-\\-
...

Содержание

Введение 3
1. Обзор литературы 5
1.1. Анализ технологии железнения 5
1.2. Выбор состава электролита железнения для нанесения покрытий с целью восстановления изделий 7
1.3. Выбор режима электролиза для нанесения покрытий 15
2. Описание технологического процесса 16
3. Расчётная часть 19
3.1. Расчёт габаритных размеров ванны покрытия 19
3.2. Выбор детали 20
3.3. Расчет размеров и количества анодов 21
4. Расчёт материального баланса 22
4.1. Исходные данные для расчёта материального баланса и начальные приближения 23
4.2. Изменение состава электролита в ванне железнения 24
4.3. Расчет времени корректировки электролита и времени замены анодов 30
4.4. Заключение по технологической части 32
Библиографический список 33

Введение

На сегодняшний день основная масса узлов машин и механизмов изготавливается из стали. Работа любого из них сопровождается износом деталей, который проявляется в изменении размеров, формы и качества поверхностей.
С изменением размеров изменяются и монтажные зазоры и натяги между сопряженными деталями. Износ деталей, постепенно увеличиваясь, со временем переходит допустимую границу, за пределами которой становится невозможной нормальная работа машины. Требуется замена изнашиваемых деталей, которая сопровождается значительными материальными затратами.
Наиболее современными способами восстановления деталей являются способы электролитического восстановления путем наращивания поврежденных поверхностей различными металлами. В практике ремонта механизмов широко применяется способ электро литического восстановления изношенных деталей твердым электролитическим железом [1].
В отличии от хромирования, применяемого для той же цели, железнение отличается большой скоростью осаждения (плотность тока достигает 50 А/дм2 при катодном выходе по току 80-98 %), возможностью получения толстых (3-5 мм) слоёв осаждаемого металла без предварительного шлифования, не токсичностью процесса. После шлифования детали с железными покрытиями можно термически обрабатывать или хромировать [2].
Осадки железа, полученные электрохимическим путём, по своему строению и свойствам отличаются от железа, полученного металлургическим путём. Благодаря своей чистоте и однородности оно менее подвержено коррозии, чем обычные сорта железа. Микротвёрдость покрытий колеблется в широких пределах от 1,2 - 1,3 до 6,5 – 7,5 Гпа. Основным недостатком покрытий является их повышенная хрупкость, которая объясняется выделением на катоде водорода. Чтобы устранить хрупкость, детали, работающие в жестких условиях, после железнения подвергают цементации. При этом удаляется водород, а поверхностный слой насыщается углеродом. Такая обработка позволяет увеличить твёрдость покрытий и улучшить их сцепление с основой [3].
В настоящей работе рассматриваются основы технологии нанесения железных покрытий на стальную втулку габаритными размерами 100х100 мм с круглым отверстием диаметром 95 мм. Данную деталь используют как люнетную цангу (направляющую втулку), в автоматах продольного точения.
 

Важными характеристиками электролита являются: концентрация хлорида железа (II), плотность, кинематическая вязкость, удельная электропроводность. Составы хлоридных электролитов и режимы электролиза представлены в таблице 1.1.Таблица 1.1 – Составы хлоридных электролитов и режим электролиза [1, 4, 8, 15]ЭлектролитFeCl2·4H2Oг/лHClг/лT, °Cik, А/дм21200-2202-360-8030-502400-4502-2,545-7030-603600-6802-2,575-9520-604300-3500,5-140-8010-60Между плотностью электролита и концентрацией хлорида железа существует прямо пропорциональная зависимость. На вязкость электролита оказывают влияние концентрация FeCl2·4H2O и температура раствора. С повышением концентрации FeCl2·4H2O до 400 г/л величина удельной электропроводности возрастает и приобретает максимальное значение при указанной концентрации. Дальнейшее повышение концентрации сопровождается снижением электропроводимости.В практике к настоящему времени получили распространение четыре типа хлоридных электролитов, различных по концентрации соли железа: 1 – малоконцентрированный (200-220 г/л); 2 – среднеконцентрированый (400-450 г/л); 3 – высококонцентрированный (600-680 г/л); 4 - среднеконцентрированый оптимальной концентрации (300-350 г/л) (псевдостационарный). Малоконцентрированный электролит (тип 1) получил широкое применение для восстановления деталей твёрдым железом на авторемонтных заводах. При температуре 60-80 °С и плотности тока 30-50 А/дм2 в электролите получают плотные и гладкие покрытия высокой твёрдости HV=400-650, толщиной 0,8-1,5 мм. Толщина покрытий ограничивается появлением на поверхности осадков шероховатости и дендритов, которые возникают тем быстрее, чем выше плотность тока и чем ниже температура электролита. Толщина осаждаемого металла может быть значительна увеличена повторным нанесением покрытия на детали после предварительной механической обработки покрытия. Среднеконцентрированый электролит (тип 2) рекомендуется для восстановления деталей, имеющих более высокое изнашивание и сравнительно невысокую твёрдость. Этот электролит обеспечивает получение гладких плотных покрытий толщиной до 2 мм и твёрдостью HV=250-450.Высококонцентрированный электролит (тип 3) при высокой температуре (75-95 °С) и невысокой плотности тока обеспечивает получение мягких (твёрдость HV=120-200) и вязких покрытий толщиной 2-3мм и более. В этом электролите могут быть получены и твёрдые покрытия (до HV=600), но более шероховатые, чем покрытия, полученные из электролитов с меньшей концентрацией железа.Электролит (тип 4) обладает по сравнению с другими существенными преимуществами и рекомендуем для широкого применения.Процесс осаждения железа в кислых хлоридных электролитах осуществляют с применением растворимых анодов, изготовляемых из низкоуглеродистых сталей.Растворение анодов происходит химическим Fe+2HCl=FeCl+H2 и электрохимическим путём Fe0-2e=Fe2+. При малой плотности тока растворение анодов происходит с большой скоростью, и при ik=5А/дм2 анодный выход достигает 144-208%. С увеличением плотности тока до 20 А/дм2 анодный выход по току снижается и при дальнейшем увеличении плотности тока почти не изменяется. Осаждение железа из малоконцентрированных хлоридных электролитов с применением растворимых анодов сопровождается избыточным растворением анодов и накоплением ионов железа в электролите. При достаточно высоких плотностях тока скорость растворения стальных анодов (Ст3) превышает скорость осаждения Fe на катоде примерно на 15-20%.В электролите с содержанием FeCl2·4H2O 300-350 г/л анодные и катодные выходы Fe по току почти одинаковы, и концентрация Fe в электролите сохраняется почти неизменной.Кислотность электролита, характеризуемая величиной pH, является одним из важнейших параметров катодного процесса электроосаждения железа. При недостаточной кислотности электролит становится мутным из-за выпадения нерастворимых гидроксидов железа Fe(OH)2 и Fe(OH)3 в виде хлопьев. Увеличение кислотности электролита снижает выход железа по току. По этой причине кислотность электролита нужно поддерживать на минимальном уровне.В условиях высоких (применяемых на практике) плотностей тока скорость восстановления ионов H+ настолько большая, что их убыль из прикатодного слоя не успевает восполниться за счёт притока из электролита. В результате кислотность электролита вблизи катода становится гораздо меньшей, чем в общем объёме электролита, т.е. происходит защелачивание прикатодного слоя, при котором возможно образование нерастворимых гидроксидов железа.Большое влияние на величину pH гидратообразования оказывает присутствие в электролите ионов Fe3+. В присутствии восстанавливающего агента, например, металлического Fe, ион Fe3+ реагирует с ним, стремясь к наиболее устойчивой степени окисления, т.е. к двухвалентному состоянию Fe3+ → Fe2+.Склонность электролита к окислению Fe2+ → Fe3+ тем больше, чем выше температура и меньше кислотность электролита. Поэтому в нём необходимо поддерживать определённый избыток свободной кислоты.Основным критерием при определении верхнего предела концентрации соляной кислоты является катодный выход по току. Верхним допустимым пределом концентрации HCl является 3 г/л, так как дальнейшее увеличение концентрации кислоты приводит к резкому снижению выхода железа по току. Нижний предел концентрации HCl – 1,1 г/л.Максимальную рассеивающую способность (72,3%) имеет электролит с концентрацией FeCl2·4H2O 400 г/л. Повышение температуры с 45 до 70 °С сопровождается повышением рассеивающей способности примерно в 1,5 раза.Увеличение плотности тока и повышение температуры электролита также заметно улучшает рассеивающую способность электролита.Перед железнением в хлоридных электролитах проводят анодное травление в растворе следующего состава (г/л):H2SO4………………365FeSO4·7H2O………10-25Режимобработки: t=15-30 °C, ia= 6-70 A/дм2;Продолжительность обработки 2-3 минКатоды из Pb или сталиРеакция на катоде: Fe2++2e=Fe0 2H++2e=H2Реакция на аноде: Fe0-2e=Fe2+ Анодное травление имеет два назначения:- удаление с покрываемой поверхности дефектного окисленного слоя металла и выявление кристаллической структуры покрываемого металла;- пассивирование поверхности детали, то есть создание на ней тончайшего защитного слоя для предохранения поверхности от коррозии при взаимодействии её с электролитом при погружении детали в ванне.После травления детали тщательно промывают в воде до полного удаления остатков кислоты, мокрыми загружают в ванну, выдерживают без тока 10-180 с в зависимости от размера детали. В начале электролиза задают небольшой ток ik=1-5A/дм2 для восстановления тонких оксидных пленок и активации поверхности, а затем в течении 5-10 мин. увеличивают плотность тока до заданного значения [5].Основной недостаток заключается в том, что в них велика вероятность окисления ионов Fe2+ кислородом воздуха , особенно при высоких температурах электролиза. Кроме того наличие в покрытиях высокого содержания водорода делает их хрупкими. Из-за высокого содержания анионов хлора эти электролиты являются очень агрессивными и не используются для покрытия низколегированных сталей.Несмотря на это у хлоридных электролитов имеется ряд существенных преимуществ перед другими типами. Основными достоинствами хлоридных электролитов являются: простота состава, получение плотных мелкозернистых осадков с высокими механическими свойствами и износостойкостью, возможность применения высоких плотностей тока, высокий выход по току, из чего следует, что они обладают высокой производительностью.Выбран хлоридный электролит, т.к. хлоридные электролиты просты по составу, допускают применение высоких плотностей тока, имеют высокий выход по току, позволяют получать плотные мелкозернистые осадки с высокими механическими и эксплуатационными свойствами.Перед железнением в хлоридных электролитах проводят анодное травление в растворе следующего состава (г/л) [15]:H2SO4………350-365Режим обработки: t=15-30 °С; плотность тока для углеродистой стали 40-60 А/дм2, для чугуна 15-20 А/дм2, продолжительность обработки до 1 мин.Обработка после активации аналогична обработке деталей после активации при железнении в сульфатных электролитах.После травления детали тщательно промывают в воде, мокрыми загружают в ванну, выдерживают без тока 10-180 с в зависимости от размера детали. В начале электролиза задают небольшой ток ik=1-5A/дм2 для восстановления тонких оксидных пленок и активации поверхности, а затем в течении 5-10 мин. увеличивают плотность тока до заданного значения [5].При выборе электролита железнения нужно знать основные неполадки при электролизе, зависящие от состава электролита и его чистоты. Данные приведены в таблице 1.2 [7].Таблица 1.2 – Основные неполадки при железненииХарактер неполадокПричина возникновенияСпособ устранения Темный осадок на отдельных участках изделияПовышенная кислотность электролита, присутствие в нём солей меди, хрома, трёхвалентного железаПовысить рН электролита и проработать его при плотности тока 0,8 – 1,5 А/м2Темные полосы на поверхности, осадок хрупкийПопадание в электролит органических примесейОтфильтровать электролит через активированный уголь и проработать при катодной плотности тока 1,5 – 2,0 А/дм2Точечная пористость (питтинг) на покрытии Пузырьки водорода на поверхности изделия, повышенная кислотность электролита Изменить положение деталей в ванне, повысить рН электролитаШероховатость покрытияЗагрязнение электролита механическими примесямиОтфильтровать электролит через стеклотканьВыбор режима электролиза для нанесения покрытийНемаловажной задачей в процессе железнения является выбор оптимального режима электролиза. Процесс осаждения железа из сульфатных и других электролитов находится в прямой зависимости температуры электролита и катодной плотности тока. С понижением температуры электролита, при постоянном значении плотности тока, увеличивается твердость и хрупкость покрытий, а адгезия с катодной основой ухудшается. Увеличение катодной плотности тока при постоянных значениях температуры электролита, ускоряет процесс осаждения железа. При этом твердость и хрупкость покрытий также увеличиваются.Получение качественных покрытий связанно с постоянством заданных значений режимов электролиза. Падение температуры электролита на пять и более градусов от установленного значения для конкретного процесса железнения может вызвать растрескивание осадка и, следовательно, брак изделия.На механические свойства покрытий при одинаковых режимах электролиза существенное влияние оказывает форма катода (изделия). По опытным данным отмечается существенное различие по свойствам покрытий, полученных на внутренних и наружных поверхностях деталей цилиндрической формы при одинаковых условиях электролиза. Более упрочненные свойства приобретают покрытия, нанесенные на внутренние поверхности деталей различных форм. Это объясняется дополнительным упрочняющим действием внутренних напряжений растяжения, которые возникают при электроосаждении железа.К оптимальным режимам электролиза необходимо отнести применение в первые пять минут процесса асимметричного тока, полученного наложением постоянного тока на переменный с разгоном постоянного тока с 1 А/дм2, до рабочих значений его плотности в течение одной минуты.Такое применение асимметричного тока вызывается необходимостью создания прочного сцепления покрытия с катодной основой [8,15].Описание технологического процессаТехнология подготовки поверхности стальных деталей к железнению имеет свои особенности. Сущность их заключается в необходимости анодного травления покрываемой поверхности в электролите [10].Для покрытия деталей используется следующая технологическая схема:А) Очистка детали от технологических загрязнений. При необходимости проводится в 10 %-ном растворе каустической соды в течение 0,5 - 1,0 часов.Б) Механическая обработка (шлифование) с целью:- снятия поверхностного дефектного слоя,- придание деталям правильной геометрической формы и необходимой шероховатости.В) Обезжиривание детали в значительной степени влияет на прочность сцепления покрытия с основным металлом.Электрохимическое катодное обезжиривание в растворе следующего состава:- едкий натр - 25 г/л;- сульфат натрия - 50 г/л;- тринатрийфосфат - 25 г/л;- жидкое стекло - 3 г/л.Обезжиривание проводят при плотности тока -0 5 - 10 А/дм2 в течение 10-30 минут при температуре 70 - 80°С.Г) Промывка деталей проточной водой.Д) Анодное травление является важнейшей операцией подготовки деталей к наращиванию их электролитическим железом, оказывая решающее влияние на прочность сцепления покрытия с деталью. Анодное травление рекомендуется проводить в электролите следующего состава [15]:H2SO4………350-365Режим обработки: t=15-30 °С; плотность тока для углеродистой стали 40-60 А/дм2, для чугуна 15-20 А/дм2, продолжительность обработки до 1 мин.Анодное травление имеет два назначения:- удаление с покрываемой поверхности дефектного окисленного слоя металла и выявление кристаллической структуры покрываемого металла;- пассивирование поверхности детали, то есть создание на ней тончайшего защитного слоя для предохранения поверхности от коррозии при взаимодействии её с электролитом при погружении детали в ванне E) Промывка горячей и проточной холодной водой.Ж) Нанесение покрытия.Нанесение покрытия производится из хлоридного электролита. (таблице 2.1).FeCl2·4H2O:600-650 г/л;HCl: 2-2,5г/л;Температура электролита 80-100 °С;Катодная плотность тока 20-30 А/дм2.Таблица 2.1 – Состав хлоридного электролита железненияКомпонентКонцентрация, г/лFeCl4·4H2O650HCl2,5Режима нанесения покрытий: плотность тока 30 А/дм2, температура электролита 100 °С. Аноды растворимые из низкоуглеродистой стали.Толщина покрытия составляет 200 мкм.З) Промывка в проточной воде.И) Сушка детали.К) Механическая обработка - шлифование до требуемых размеров и качества поверхности в соответствии с техническими условиями.При определении качества восстановления детали ее покрытие рассматривают на отсутствие отслаиваний металла, крупных дендритов, видимых трещин. Микротвердость покрытия измеряют по методу Виккерса (вдавливанием пирамидки). Более углубленный контроль осуществляют дефектоскопом, 25-кратной лупой и т. п. При нарушении последовательности и режимов операций возможны дефекты покрытия.Расчётная частьРасчёт габаритных размеров ванны покрытияК оборудованию малой механизации относятся нормализированные установки для нанесения покрытий.Внутреннюю ширину гальванической ванны выбирали исходя из следующего условия: в ванне располагается 1 катодная штанга и 2 анодных штанги.Bвн = n2· B1 + 2· n2· B2 + n3· d + 2 · B3, (3.1)где B1 – максимальный размер детали по ширине ванны, 100 мм;B2 – расстояние между анодом и ближайшем краем детали, 100 мм;B3 – расстояние между внутренней стенкой продольного борта ванны и анодом, 50 мм;n2 – число катодных штанг;n3 – число анодных штанг;d – толщина анода, 10 мм .Bвн = 1 · 100 + 2 · 1 · 120 + 2 · 10 + 2 · 50 = 460 мм.Внутренняя ширина гальванической ванны составляет 500 ммДлину ванны определяем по формуле:, (3.2)где n1 – число загружаемых на одну штангу подвесок, 6 подвесок;L1 – размер подвески по длине ванны, 100 мм;L2 – расстояние между подвесками, 50 мм;L3 – расстояние между торцевой стенкой и краем подвески, 50 мм .Lвн = 6·100+5·50+2·50 = 950 мм.Внутренняя длина ванны составляет 1000 мм.Внутренняя высота ванны равна:Hвн = H1 + H2 + H3+H4, (3.3)где Н1 – высота подвески, 3·100+2·100=500мм;Н2 – расстояние от дна ванны до нижнего края детали, 150 мм;Н3 – высота электролита над верхним краем подвески,50 мм;Н4 – расстояние от поверхности зеркала электролита до верхнего края бортов ванны, 100 мм .Hвн = 500+150+50+100=800.Внутренняя высота ванны составляет 800 мм.Объем электролита можно рассчитать по формуле:Vэл-та = Lвн·Bвн·(Hвн – H4)Vэл-та = (1000·500· (800 – 100))/1000000000 = 0,350 м3В соответствии с ГОСТ 23738-85 [5] выбираем ванну с размерами 1000×500×800 мм с полной вместимостью 400 л.Выбор деталиВ качестве детали выбрали стальную втулку (рис.