Выбор источника тока для электрохимического аппарата

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет

имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»

Кафедра «Технология электрохимических производств»

 

 

Оценка проекта____________________                                                                       

 Члены комиссии___________________

 

 

Выбор источника тока для электрохимического аппарата

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

 

 

Руководитель,

профессор, д.х.н.   _____________________     Т.Н. Останина

Нормоконтролер,

доцент, к.т.н.                          _____________________     Н.И. Останин

Студент

гр. Х – 400502                        _____________________     И.В. Котельников

 

 

 

 

 

 

Екатеринбург

2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение                                                                                                                   3

Теоретическая часть                                                                                               5

Расчетная часть                                                                                                      14

Расчет габаритных размеров гальванической ванны                                         15

Электрический баланс                                                                                           18

Выбор выпрямительного агрегата                                                                      24

Заключение                                                                                                            24

Библиографический список                                                                                  25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Медь имеет наиболее положительный потенциал, чем железо, т. е. является катодным покрытием по отношению к железу, поэтому медные покрытия не могут защищать поверхность железных деталей от коррозии электрохимически, а только механически и при отсутствии пористости. При наличии пор в медном покрытии во влажной атмосфере образуется гальванопара с железом. В этой паре железо является анодом и коррозия его протекает весьма интенсивно.

Как правило, медные покрытия без дополнительной обработки самостоятельного защитно-декоративного значения не имеют. Медные покрытия легко полируются до высокой степени блеска и создают прочное сцепление со многими металлами: никелем, хромом, серебром и др., поэтому медные покрытия широко применяются в качестве подслоя при никелировании, серебрении и т. п.

Медные покрытия получили довольно широкое распространение для защиты отдельных участков деталей от науглероживания при цементации. Меднение применяется также во многих специальных случаях.

Слой медных покрытий в зависимости от их назначения имеет следующую толщину [6].

Подслой под никелирование, хромирование	6-30
Защита от науглероживания при цементации	48-50
Получение медной электролитической фольги	10-70
Улучшение пайки черных металлов	6-30
Восстановление изношенных деталей	до 3000
Покрытие валов для глубокой печати	до 3000
Получение медных деталей сложного профиля	1000 и более
Получение металлических копий с художественных изделий	1000 и более
Получение копий при производстве грампластинок и клише	1000 и более

 

Целью данного курсового проекта является расчёт напряжения на ванне гальванического меднения. Задачей является выбор выпрямительного агрегата.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

 

 Медь - металл розового цвета с атомной массой 63,5, плотностью 8,9 г/см3, температурой плавления 1083°С, удельным электросопротивлением 0,017 Ом мм. Медь пластична, твердость медных покрытий 2,5 - 3,0 ГПа. Медь интенсивно растворяется в аэрированных аммиачных и цианидных растворах, азотной кислоте, медленнее - в хромовой, слабо - в серной и почти не взаимодействует с соляной кислотой. На воздухе медь легко реагирует с влагой, углекислыми н сернистыми соединениями, окисляется и темнеет. Стандартный потенциал меди по отношению к ее одновалентным нонам +0,52 В, двухвалентным ионам +0,34 В.  

В жестких условиях эксплуатации медь и ее сплавы не должны контактировать с хромом, оловом, сталями, цинком, кадмием, алюминием и магнием. Пластичность меди, высокая электропроводность привели к широкому использованию медных покрытий в промышленности.

Медные покрытия широко применяются в основном в качестве подслоя при нанесении многослойных покрытиях, а также для улучшения пайки, создания электропроводных слоёв, местной защиты стальных деталей при цементации [1]. 

 

Электролиты меднения

Для электролитического осаждения меди разработано большое количество электролитов, которые, обычно, разделяют на две группы: кислые и щелочные [8].

 

Кислые электролиты меднения

     К кислым электролитам относятся сульфатные и фторборатные электролиты. Их основные достоинства - простота состава и устойчивость в эксплуатации, но они обладают низкой рассеивающей способностью. Также из них невозможно непосредственно меднить сталь из-за выпадения контактной меди, а, следовательно, плохое сцепление со сталью слоя меди. Вследствие этого меднение осуществляется после предварительного осаждения медного слоя (3-4 мкм) из щелочных электролитов или после осаждения никелевого слоя (3-5 мкм).

Из кислых электролитов наиболее распространен сульфатный электролит. Основными компонентами сульфатных электролитов являются сульфат меди и серная кислота.   

 Предполагается, что  на катоде разряд двухвалентных  ионов меди протекает в две стадии: Cu2+ -› Cu+ -› Cu0, причем замедленной стадией является

Cu2+ + e- -› Cu+. Доля каждой стадии зависит от состава электролита и режима электролиза: плотности тока, температуры перемешивания. Электропроводность нейтральных растворов сульфата меди невелика, поэтому в них добавляют серную кислоту, которая значительно повышает электропроводность растворов температуры перемешивания.  

 Выход меди по току  около 100 %, так как выделения водорода  на катоде не происходит, поскольку  потенциалы выделения меди имеют более положительные значения, чем потенциалы выделения водорода.  

 Повышение кислотности  электролита способствует уменьшению  растворимости сульфата меди, что  приводит к снижению верхнего  предела допустимой плотности  тока. Для увеличения концентрации ионов меди в катодном слое применяют перемешивание. В этом случае кислотность электролитов можно увеличивать. Чем интенсивнее перемешивание, тем выше может быть содержание серной кислоты. Повышение температуры способствует увеличению растворимости сульфата меди: при 25 °С - 23,05 г CuSO4 на 100 г воды; при 100 °С - 73,6 г. Повышенная кислотность способствует получению более мелкокристаллических осадков.  

 Вблизи анодов наряду  с ионами Cu2+ в растворе могут находиться в незначительном количестве ионы одновалентной меди, образующиеся в результате протекания реакции:

Cu + Cu2+ -› 2Cu+.  

 При накоплении в  растворе ионов Cu+ равновесие будет сдвигаться влево, и металлическая медь будет выпадать в виде осадка.  

 При недостаточной  кислотности раствора сульфат одновалентной меди будет гидролизоваться с образованием Сu(ОН)2 или СuО2

Cu2SO4 + H2O ‹-› Cu2O + H2SO4.  

 В результате в  электролите будут взвешенные  частицы металлической меди и  оксида меди, которые, включаясь  в катодный осадок, делают его  темным, шероховатым, а иногда - рыхлым.   

 Присутствие серной  кислоты способствует протеканию  реакций окисления одновалентной  меди:

Cu2SO4 + H2SO4 + 1/2О2 -› 2CuSO4 + Н2О; 
Cu2O + 2H2SO4 + 1/2O2 -› 2CuSO4 + 2H2O.  

 Таким образом, серная кислота прежде всего нужна для предупреждения накопления ионов Cu+ и гидролиза ее солей.  

 В сульфатные электролиты  иногда вводят поверхностно-активные  вещества. Эти вещества вводят  для повышения катодной поляризации, что способствует получению более  мелкозернистых плотных, иногда блестящих, осадков. Благоприятное действие этих добавок сказывается в том, что они предупреждают образование наростов на краях и выступающих частях деталей. Наилучшими добавками являются декстрин (не более 1 г/л) и фенол или его сульфосоединения (1-10 г/л) [8].  

 Для получения блестящих  медных покрытий предложено большое  количество блескообразующих добавок, обеспечивающих зеркальный блеск  покрытий, придающих им пластичность  и снижающих внутренние напряжения.

При работе с электролитами для получения блестящих покрытий особое внимание следует уделять анодам. Используют аноды марки АМФ, не дающие шлама и содержащие 0,03-0,06 % фосфора. В остальных случаях применяют аноды из чистой рафинированной меди (99,9 %), содержащей не более 0,1 % примесей.

Взвешенные частицы шлама обычно являются причиной грубого шероховатого осадка. Для предотвращения попадания шлама в электролит рекомендуется аноды помещать в чехлы из кислотостойкого материала и вести непрерывную фильтрацию электролита.   

 На качество получаемых  блестящих покрытий большое влияние оказывает концентрация ионов Сl-. При пониженной концентрации снижается блеск покрытий и образуются прижоги на острых кромках деталей, при повышенном содержании образуются полосы на покрытиях [5]   

 Вредными примесями  в медных сульфатных электролитах являются мышьяк, сурьма, некоторые органические вещества, образующие коллоидные растворы, анодный шлам.  

 Кроме сульфатных, используют  фторборатные электролиты. Эти электролиты  обладают высокой устойчивостью; получающиеся покрытия плотные и мелкокристаллические, рассеивающая способность электролитов примерно такая же, как у сульфатных. Большая растворимость фторбората меди позволяет применять повышенные плотности тока. Из этих электролитов осаждать медь непосредственно на стальные детали нельзя; необходим подслой никеля или меди из цианидных электролитов [7]

 

Щелочные электролиты меднения

 

 

    К щелочным электролитам относятся  цианидные, пирофосфатные и этилендиаминовые  электролиты. Основные достоинства: высокая рассеивающая способность, получение мелкокристаллических осадков, возможность непосредственно меднить стальные детали.  

 Довольно распространены  цианидные электролиты. Условия  осаждения меди из цианидных  электролитов существенно отличаются  от условий осаждения в кислых  электролитах.  

 В цианидных электролитах  медь находится в составе комплексных  ионов, степень диссоциации, а, следовательно, и активность ионов меди очень  мала. Поэтому потенциал выделения меди в них примерно на 0,9-1,2 В отрицательнее, чем в сульфатных растворах.  

 При малом количестве  цианида аноды пассивируются. При  недостаточном количестве свободного  цианида, когда происходит пассивация  анодов и на них разряжаются  ионы ОН- с выделением кислорода, то не весь образующийся кислород выделяется в виде газа, а часть его расходуется на окисление цианида в цианит. Уменьшение содержания цианидов происходит также из-за взаимодействия их с углекислотой воздуха и образования карбонатов (NaCN→ Na2CO3 ).  

 Содержание свободного  цианида оказывает на катодный  и анодный процессы противоположное влияние: для катодного процесса требуется минимальное содержание цианидов, для анодного - максимальное. При недостатке свободного KCN на анодах образуется зеленоватая пленка CuCN из-за того, что ионы меди не в состоянии перейти в комплексное соединение. Свободная поверхность анода уменьшается, плотность тока растет, и анодное растворение происходит с образованием ионов двухвалентной меди, которые в виде нерастворимого гидрата осаждаются на аноде. При этом аноды пассивируются и наблюдается интенсивное выделение кислорода [8].  

 Основными компонентами  медных цианидных электролитов  являются комплексный цианид  меди и свободный цианид натрия. Из приведенных данных видно, что степень диссоциации комплексных  ионов очень мала и уменьшается  с увеличением содержания CN- в комплексе. Этим, по-видимому, объясняется повышение катодной поляризации при увеличении содержания свободного цианида в электролите.