Upload
silvester-kolic
View
79
Download
1
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Cinkovanje, osnovni principi
Citation preview
Visoka Tehnika kola u Bjelovaru
SEMINARSKI RAD
ELEKTROKEMIJSKA OBRADA
POCINAVANJE
STUDENT: Mentor: 00020 Robin Despotovski doc. dr. sc. ivko Kondi
Bjelovar, 27.05.2011
2
Sadraj:
Uvod 3
Zatita metala metalnim prevlakama 4 Priprema povrine 5 Elektrokemijska obrada metala 6
Galvanostegija 7
Sastav otopine 8
Gustoa struje 9
Temperatura 9
Mijeanje kupelji 9
Izvori struje 10
Kupelji 10
Postrojenja 11
Prevlake cinka 13
Elektrolit 14
Anode 17
Literatura 20
UVOD
3
Konstrukcijski materijali u obliku bilo kakvih tvorevina podloni su nenamjernim tetnim
promjenama, tj. pojavama i procesima koji smanjuju njihovu uporabnu vrijednost.
Te promjene zahvaaju konstrukcijske materijale od trenutka njihova dobivanja pa sve do
otpreme na otpad ili na recikliranje, tj. u obliku poluproizvoda, proizvoda ili dijela tehnikog
sustava tijekom prerade, obrade, skladitenja, prijevoza, montae, primjene, zastoja i popravka.
Takve promjene nastoje se usporiti ili sprijeiti mjerama i postupcima posebne tehnoloke
discipline, zatite materijala, koja se obino naziva povrinskom zatitom.
Mnoge od tih pojava i procesa zbivaju se pri dodiru konstrukcijskog materijala s nekim fluidnim
medijem (sredinom, okolinom), tj. s plinom ili kapljevinom. Najraireniji je tetni proces ove
vrste korozija koja kemijskim meudjelovanjem materijala i medija razara materijal pretvarajui
ga u drugu tvar, pri emu se najee nepoeljno mijenja i sastav medija.
Zbog pojave korozije moraju se primijeniti mjere zatite, i to u oblicima:
Prevlaka (metalne i nemetalne)
Elektrokemijske metode zatite (metal se odrava ili u pasivnom stanju ili u stanju
imuniteta, npr. katodna zatita)
Zatita od korozije promjenom okolnosti, (npr. primjena inhibitora korozije, promjena
pH vrijednosti medija i sl.)
Oblikovanje i konstrukcijske mjere
Odabir konstrukcijskih materijala (s gledita korozijske postojanosti).
Pojava korozije na metalnim dijelovima
4
ZATITA METALA METALNIM PREVLAKAMA
Nanoenje prevlaka na povrinu elinih konstrukcija najrairenija je metoda zatite od korozije. Pritom je potrebno osigurati takvu tehnologiju koja omoguuje dovoljnu postojanost same prevlake, njenu trajnost i pouzdanost.
Primarna zadaa nanoenja prevlaka na eline konstrukcije je zatita od korozije, a sekundarna moe biti npr. popravljanje estetskog dojma, postizanje odreenih fizikalnih svojstava, popravak loih proizvoda i dr.
POSTUPCI ZATITE METALA METALNIM PREVLAKAMA
FIZIKALNI KEMIJSKI
NATALJIVANJE
I NAVARIVANJE
METALIZACIJA
PRSKANJEM
VRUDE
URANJANJE
PLATIRANJE
OBLAGANJE
DIFUZIJSKA
METALIZACIJA
GALVANOTEHNIKA
IZMJENA IONA
REDUKCIJA U OTOPINI
5
PRIPREMA POVRINE
Prije primjene bilo koje metode zatite na materijalu treba prvo pripremiti povrinu.
Za djelotvornu zatitu premazima nije dovoljna primjena kvalitetnih premaznih sredstava, nego i
besprijekorna priprema povrine koja se titi.
U mnogim sluajevima bolja zatita se moe ostvariti nanoenjem manje kvalitetnih premaza na
dobro pripremljenu povrinu, nego najkvalitetnijim premazima na povrinu koja nije
pripremljena na najbolji nain.
Svrha pripreme:
ienje povrine (uklanjanje masnih tvari, produkata korozije i drugih razliitih
oneienja)
postizanje eljene kvalitete povrine (optimalne hrapavosti odnosno glatkoe povrine)
Priprema povrine metala se sastoji od uklanjanja:
oneienja
masnoe
okujine
produkata korozije
starih premaznih sredstava
soli
neutralizacije i uklanjanja kiselina i luina i svega ostalog to bi kasnije sprjeavalo
dobro vezivanje premaza za metal i omoguavalo koroziju ispod premaza
Priprema povrine metala
Mehanika
Termika
Kemijska
Elektrokemijska
6
ELEKTROKEMIJSKA OBRADA METALA
Izuava procese elektrolize koji se primjenjuju pri obradi metalnih povrina, putem
elektrolitikog taloenja metala.
Galvanotehnika (elektrokemijska obrada) je postupak formiranja slojeva jednog metala na
podlogama drugog materijala, koji se izvode u elektrokemijskim reaktorima.
Postupak nanoenja metalnih prevlaka katodnom redukcijom metalnih iona (elektrolizom) jo se
naziva galvanizacija ili elektroplatiranje.
GALVANOSTEGIJA
- prema grkoj rijei stego pokrivam, zatiujem
- tehnologija elektrokemijskog nanoenja metalnih prevlaka na povrini
razliitih materijala u cilju njihove zatite ili poboljanja estetskih
osobina
- koristi se i naziv elektroplatiranje (engl. electroplating).
GALVANOPLASTIKA
- prema grkoj rijei plaso - oblikujem od tvari
- galvanotehniki proces dobivanja proizvoda od debljih galvanskih
slojeva, najee pomou modela koji se uklanjaju nakon galvanizacije
- koristi se i naziv elektrooblikovanje (engl. electroforming)
Postupkom galvanoplastike dobiju se zasebni predmeti koji se upotrebljavaju nakon uklanjanja
kalupa, dok se kod galvanostegije izlueni metal predstavlja prevlaku vrsto povezanu sa
predmetom.
GALVANOTEHNIKA
GALVANOSTEGIJA GALVANOPLASTIKA
7
GALVANOSTEGIJA
Postupak galavanostegije najraireniji je postupak povrinske obrade uz primjenu elektrine
struje, pri kojem se obraivani predmet uranja u elektrolit i predstavlja katodu (spaja se na
negativni pol izvora istosmjerne struje niskog napona, najee od 4 12 V), a s pozitivnim
polom izvora struje spaja se anoda. Kao anoda najee se koristi metal koji tvori metalnu
prevlaku. Anoda se u toku procesa otapa ili oksidira i nadoknauje ione potroene katodnim
taloenjem iz elektrolita. Elektrolit sadri jedan od spojeva metala koji daje prevlaku (metalni
spoj najee u obliku kompleksne soli).
Metalne prevlake koje se dobiju na katodi su kristalne prirode, jer je poznato da metali
predstavljaju polikristalna tijela, ako se izostave iz promatranja monokristali. Iz ovog se razloga
proces elektrolitikog taloenja metala naziva elektrokristalizacija.
Galvanizacijom se prevlae elici, bakar i Cu-legure, cinkove legure i rjee aluminij i Al-legure.
Najei galvanski postupci su galvanizacija niklom, cinkom, bakrom, kositrom, kromom,
kadmijem i olovom. Dok se za specijale svrhe jo koristi i galvanizacija plemenitim metalima,
srebrom,zlatom, platinom, paladijem i rodmijem.
Prosjene brzine galvanskog taloenja kreu se od 0,1 2 um/min za obine postupke a u
posebnim uvjetima doseu i 100 um/min. Mo makroraspodjele tj. sposobnosti izluivanja
prevlaka ravnomjerne debljine je najloija pri kiselom kromiranju a najbolja pri lunatom
8
kositrenju i cijanidnom pocinavanju. Mo makroraspodjele ovisi o sastavu i koncentraciji
kupelji, o temperaturi, o prosjenoj gustoi struje itd.
Stupnjevi procesa kristalizacije:
nastajanje klica (centara) ili jezgri kristala
rast kristala
poveanje dimenzije kristala njihovim meusobnim spajanjem
Karakter prevlake ovisi o:
sastav otopine u koju uranjamo materijal
gustoi struje (i / A cm-2)
koncentraciji elektrolita c (mol dm-3)
temperaturi
mijeanju
prisustvu povrinski aktivnih tvari
SASTAV OTOPINE
Otopina se sastoji od elektrolita kojoj je osnovni sastojak metal ijom disocijacijom
nastaju ioni. Kupelji su najee vodene otopine u kojima je glavni sastojak nosilac metala, tj.
topivi spoj ijom disocijacijom nastaju ioni koji katodnom redukcijom tvore metalnu prevlaku.
Takav spoj (tzv. nosilac metala) izravno slui za pripremu kupelji ili tek u njoj nastaje reakcijom
dvaju ili vie spojeva. Najvanije su: kloridne, sulfatne i cianidne kupelji, fosfatne, pirosulfatne i
pirofosfatne, fluoroboratne, nitritne i druge kupelji.
Otopine osim nosilaca metala sadre i odreene dodatke koji slue za izluivanje kvalitetnih
prevlaka( dodaci za sjaj, nivelatori, dodaci za kvaenje, sredstva za regulaciju pH vrijednosti
elektrolita, depolarizatori, sredstva za poveanje vodljivosti).
9
GUSTOA STRUJE
Gustoa ima veliki utjecaj na stvaranje kristal u kupeljima. Sa poveanjem gustoe struje
raste i brzina stvaranja kristalnih centara. Kod prevelike struje dobije se spuvasta struktura
prevlake jer se na katodi osim metala izluuje i vodik. Kao rezultat toga nastaju ispupenja koja
dovode do hrapavosti povrine.
Za postupak galvanizacije moe se koristiti istosmjerna struja stalne jakosti(vrlo esta kod
domaih cinaona), ali se moe koristiti i struja periodiki promjenjiva(visokouinkovite
kupelji). Omjeri perioda (sekunde) katode u tim sluajevima je 5:1 do 3:1.
Za galvanizaciju srebrom su dovoljne gustoe struje 0.005 Acm-2, dok se kod kromiranja koristi
gustoa od 0.5 Acm-2.
TEMPERATURA
Optimalna temperatura za rad u kupelji je 30-50C, ali za postupak kromiranja se koristi
temperatura od 18 do 25C, dok se u visokouinkovitim kupeljima temp. povisuje do 85C.
Poveanjem temperature kupelji mogu se postii vee gustoe struje, zbog porasta vodljivosti
ionskih vodia i pokretljivosti iona. Ali poveanje temperature iznad odreene granice moe
dovesti i do pojaanog razvijanja vodika na katodi, to tetno utjee na proces galvanizacije.
MIJEANJE KUPELJI
U mirujuim kupeljima opadanje koncentracije iona metala u blizini povrine katode
moe izazvati porast razvijanja vodika i time spuvaste galvanske slojeve, a u blizini anode
koncentracija tog iona moe porasti do te mjere da izazovu kristalizaciju soli. Ukoliko postoji
mogunost nastanka ovih pojava, nuno je djelotvorno prisilno mijeanje kupelji. Mijeanje
kupelji moe biti ostvareno propuhivanjem zrakom (elektrolit ne smije bit podloan oksidaciji);
pokretanjem katoda, ultrazvuno, pumpama (omoguene su i dodatne operacije kao filtriranje
elektrolita, grijanje ili hlaenje i koncentriranje otopine).
10
IZVORI STRUJE
elije za elektrolizu najee se napajaju istosmjernom strujom. Za postupak
galvanizacije potrebna je istosmjerna struja malog napona (od 1 do 12V), osim kod postupka
eloksiranja pri kojem je potreban napon od 25V. Kao izvori se koriste suhi ispravljai ili motor-
generatori koji mogu davati velike struje (do 50000A). Osim struje potrebne za postupak
galvanizacije, tu je i struja potrebna za spiralu koja se koristi za grijanje ili hlaenje kupelji. A
isto tako i struja koja pogoni ureaj za vibriranje, ureaj za transport, razliite pumpe za
filtriranje kiseline ili vode.
KUPELJI
Najee pravokutnog oblika, radnog volumena od 30 do 4000 dm3. Izrada je veinom od
elinog lima, koji je iznutra obloen odgovarajuim materijalom. Kade u kojima se nalazi
elektrolit potrebno je izraditi od poliplasta, porculana, stakla ili betona (zbog postupka
galvanizacije). Osim kada sa elektrolitom tu su i kade u kojima se nalaze razliite kiseline za
ienje i odmaivanje, te kade u kojima se nalazi voda. S obzirom da prije samog procesa
galvanizacije ne smijemo zaboraviti pripremu povrine materijala (koja zahtijeva kupelji sa
razliitim vrstama kiselina). Dolazimo do zakljuka da materijal proe kroz vie kupelji za
pripremu povrine i ispiranje vodom, nego kupelji za sam proces galvanizacije.
Primjer kupelji za odmaivanje
11
POSTROJENJA
Prostorni raspored opreme u pogonima ovisi o tome provodi li se rukovanje nosaima s
predmetima ili runo, mehanizirano ili automatski. Ovisi o tome da li se predmeti stavljaju na
nosae runo ili pomou robota.
Automatsko galvansko postrojenje sa kupeljima za pocinavanje
Na slici je prikazano postrojenje u kojem se predmeti tijekom galvanizacije nalaze na nosaima
koji slue za provoenje struje. Postrojenje se prije putanja u rad (prvi puta) mora
isprogramirati, kako bi transporter kasnije sam odabirao kupelji u koje uranja nosae sa
predmetima.
12
Nosai sa predmetima za obradu
S obzirom da u ovom dijelu procesa nema robota predmete stavljaju i skidaju radnici postrojenja.
Ukoliko predmeti nisu velike mase taj dio procesa moe izvravati samo jedan radnik.
Sitni predmeti masovne proizvodnje (vijci, matice, zakovice, igle, dugmad, prstenje,
kope itd.) galvanski se obrauju u rotacijskim bubnjevima ili zvonima. Galvanski bubnjevi
(uplji duguljasti valjci ili esterostrane prizme) se u vodoravnom poloaju uranjaju u elektrolit
djelomini ili potpuno i rotiraju oko uzdune osi. Plat bubnja je perforiran rupicama kroz koje
struji elektrolit. Poklopac se moe skinuti pa se kroz nastali otvor obavlja punjenje i pranjenje.
Primjer bubnjeva za galvanizaciju
13
Za odravanje galvanskih kupelji potrebna je povremena filtracija, pa su postrojenja esto
opremljena i filtarskim ureajima. Filtarski ureaji se sastoje od rotacijske pumpe, tlanog filtra i
cjevovoda.
Svako postrojenje mora imati ventilacijski sustav, kako bi se radnici i ureaji zatitili od
agresivnog djelovanja magle, para i plinova koji nastaju pri radu.
PREVLAKE CINKA
Najrairenija zatita metala od korozije, zbog svojih karakteristika: efikasnosti,
ekonominosti, male teine, otpornost prema koroziji, formiranja, reciklae. Prevlake cinka
materijalu pruaju fiziku barijeru koja ne dozvoljava kontakt vlage i materijala (bez vlage, nema
korozije). Efektivnost prevlake u bilo kojem okruenju proporcionalna je njenoj debljini. Druga
vrsta zatite je katodnu zatita. Ona prua zatitu materijalu ak i kada nastane prodor stjenke
cinka. Taj nain zatite veliku primjenu nalazi u brodskim konstrukcijama, gdje se rtvena
anoda postavlja u blizinu materijala kojega elimo zatititi (zbog troenja anode, ona se mora
zamijeniti nakon odreenog vremena).
Prevlake cinka nastale elektrolitikim putem znatno su lake od onih nastalih uranjanjem
materijala u cink. Isto tako ovaj nain omoguava stvaranje zatitnih slojeva eljene i jednoline
debljine. Ne dolazi do nastajanja krtih spojeva eljeza sa cinkom ili promjene oblika zbog
utjecaja topline. Postupak troi manje energije u odnosu na ostale postupke prevlaenja cinka.
14
CINK
MATERIJAL
CINK
Prikaz materijala zatienog prevlakom cinka
ELEKTROLIT
Za postizanje cinkovih prevlaka elektrolitikim putem upotrebljavaju se:
kiseli elektrolit
cijanidni elektrolit
cinkov elektrolit
pirofosfatni elektrolit
amonijakalni elektrolit
U svim elektrolitima cink je prisutan u obliku dvovalentnog iona. Svi elektroliti osim prvoga su
alkalni elektroliti.
Sulfatno-kiseli elektrolit
Osnovne cinkove soli koje slue za pripremu kiselih elektrolita su sinkov sulfat i cinokv
borfluorid. Paralelno sa cinkom izluuje se i vodik pri emu koliina izluenog vodika ovisi o
istoi elektrolita, temperaturi i gustoi struje na katodi.
Katodna reakcija izluivanja cinka: Zn2++2e-Zn
15
Perdnosti:
jeftin
nije tetan za zdravlje
moe se koristiti za nanoenje debljih prevlaka cinka na razliite metalne povrine
Mane:
nastale prevlake su krupnozrnate
velika osjetljivost na neistoe
Kiseli kloridni elektrolit
Prednosti:
visoka uinkovitost pri visokim gustoama struje
prevlake visokog sjaja
pocinavanje materijala koji nisu pogodni za obradu u drugim vrstama elektrolita
via elektrina vodljivost (uteda energije)
mogua neutralizacija, ime se smanjuje koliina otpada
Mane:
vrlo korozivni
krupnozrnate prevlake
NIZAK SADRAJ
AMONIJAKA
BEZ
AMONIJAKA
KOMPONENTE AMONIJEV
KLORID
KALIJEV
KLORID
NATRIJEN
KLORID
KALIJEV
KLORID
Zn(g dm-3
) 15-30 15-30 15-30 22-38
NH4Cl (g dm-3
) 120-180 30-45 30-45 -
KCl (g dm-3
) - 120-150 - 185-225
NaCl (g dm-3
) - - 120 -
H3BO3 (g dm-3
) - - - 22-38
Primarno sredstvo za sjaj
(g dm-3
) 4 vol % 4 vol % 4 vol % 4 vol %
Prijenosnik sredstva za
sjaj (g dm-3
) 0,25 % 0,25 % 0,25 % 0,25 %
Sastav kiselih kloridnih kupelji
16
Cianidne kupelji
Podjela:
uobiaje cianidne kupelji
kupelji sa smanjenim sadrajem cianida
kupelji sa niskim sadrajem cianida
mikrocianidne kupelji
Osnovne komponente elektrolita su cinkov cianid, natrijev cianid i natrijev hidroksid.
U otopini je cink vezan u kompleksnom anionu. Zbog niske konstante disocijacije aniona,
koncentracija Zn2+
iona u otopini je niska, te je za redukciju potreban veliki prenapon na katodi.
Redukcija vodikovih iona potiskuje se dodatkom luine.
Prednosti:
visoka iskoristivost struje (95-99%)
velika sposobnost elektrolita da ravnomjerno raspodjeli istaloen metal po
povrini katode
dozvoljavaju upotrebu visokih gustoa struje
Mane:
vrlo su toksini
otopine nisu stabilne u dodiru sa zrakom
anode u elektrolitima mogu postati pasivne, to moe uzrokovati smanjenje
koncentracije cinka u otopini
KOMPONENTE UOBIAJENE SMANJENE S NISKIM SADRAJEM
MIKRO
Zn(CN)2(g dm-3
) 60 30 10 a
NaCN (g dm-3
) 40 20 8 1
NaOH (g dm-3
) 80 75 65 75
Na2CO3 (g dm-3
) 15 15 15 -
NaxSy (g dm-3
) 2 2 - -
Sredstvo za sjaj (g dm-3
) 1-4 1-4 1-4 1-5 Sastav cianidnih kupelji
a koncentracija conka od 7.5 g dm-3 postie se otapanjem cinkovih anoda
17
Cinkov elektrolit
Zbog toksinost cianidnog elektrolita, razvijene su cinkov elektrolit. Cinkov hidroksid se
ponaa amfoterno (moe reagirati sa kiselinama i bazama). Zbog toga se cinkov hidroksid otapa
u koncentriranoj otopini natrijevog hidroksida i daje natrijev cinkat.
Iz cinkovih elektrolita dobiva se krupno zrnati metalni talog, to je uvjetovano malom katodnom
polarizacijom. Ukoliko elektrolitu ne dodamo dodatke kao to su soli kositra, olova i ive, u
cinkovm elektrolitu nastaju spuvasti talozi i neravnomjerne debljine prevlake.
KOMPONENTE LC HC
Zn 6-9 13.5-22.5
NaOH 75-105 120-150
Aditivi 1-3 % 1-3 % Sastav cinkovog elektrolita
ANODE
Pozitivne elektrode, izraene od metala koji se otapa i iji ioni redukcijom, na katodi stvaraju
metalnu prevlaku.
Materijal anode mora biti dovoljno ist. Najee se anode prave od lijevanog ili valjanog
metala. One bi trebale biti veih dimenzija od metala koji se galvanizira. Ponekad se koriste
anode oblikovane u skladu s profilom materijala kojega galvaniziramo, kako bi se poboljala
mikroraspodjela.
Za proces pocinavanja koriste se anode od cinka.
18
Oblici anoda:
izvedene kao ploe koje se koriste u procesu cinanja velikih ili dugakih predmeta u
kadama
u obliku kugli koje se postavljaju u metalne koare valjkastog oblika
u obliku reetaka
19
Nakon odreenog broja procesa pocinavanja anode se istroe (kada se smanji naslaga
cinka), te se trebaju zamijeniti novima.
Izgled istroenih anoda
Proces pocinavanja
Nosa na kojemu su
postavljene anode.
Elektrolit Gibljivi nosa na kojemu je
materijal koji se pocinava
20
Literatura:
http://www.en.wikipedia.org/wiki/Galvanization
http://www.cortecvci.com/International/croatia/Diplomski%20rad%20-%20Tomislav%20Levanic.pdf
www.pfst.hr/data/materijali/skripta%20Zastita%20materijala.doc
www.tkojetko.irb.hr/documents/8305_1176.pdf
www.tkojetko.irb.hr/documents/8305_1337.pdf
www.riteh.uniri.hr/zav_katd_sluz/zm/pdf/.../skripta(zasmtr).pdf
http://rullychemblogers.blogspot.com/
http://met-engineering.blogspot.com/2009/06/corrosion-prevention.html