Выбор источника тока для электрохимического аппарата

 Содержание меди в  электролите во время работы  обычно уменьшается вследствие  недостаточной растворимости анодов. Снижение концентрации ионов меди в электролитах приводит к образованию пористых осадков. Кроме того, работая с малоконцентрированными медными электролитами, можно применять только пониженные плотности тока.

Постоянным компонентом цианидных электролитов является карбонат. Он накапливается в результате окисления цианида кислородом воздуха, особенно при нагревании:

2NaCN + 2Н2О + 2NaOH + О2 = 2Na2CO3 + 2NH3.  

 Присутствие карбонатов  в небольших количествах полезно, поскольку при этом повышается электропроводность электролитов. Однако при их накоплении свыше 70 г/л, а в концентрированных - до 140 г/л аноды проявляют склонность к пассивированию, а покрытия получаются пористыми. Карбонаты можно удалять при помощи хлорида бария и вымораживанием, охлаждая электролит до -5 °С. Следует отметить, что карбонаты натрия легче выпадают в осадок, чем калиевые. Сульфаты существенного влияния на процесс электролиза не оказывают.   

 Введение в электролит  депассиваторов, в качестве которых  применяют сегнетову соль KNaC4H4O6·4H2O и роданид калия KCNS, позволяет повысить рабочую плотность тока и устранить пассивацию анодов, но при этом следует одновременно повышать температуру электролита.  

 Высококонцентрированные  по меди электролиты, содержащие  депассиваторы, позволяют применять высокие плотности тока (до 10 А/дм2) при повышенной температуре и перемешивании. При этом возможно получить выход по току, близкий к 100 % [8].  

 Сульфиды, вводимые в  электролит, играют роль восстановителя, предупреждая накопление в ванне  ионов меди Cu2+.  

 Для замены ядовитых  цианидных электролитов применяют  пирофосфатные и этилендиаминовые  электролиты.  

 Из пирофосфатных  электролитов получают медные осадки с мелкозернистой структурой. При нанесении тонких слоев осадки получаются гладкими, блестящими или полублестящими. Преимущества пирофосфатных электролитов перед кислыми заключаются в высокой рассеивающей способности и возможности непосредственно проводить меднение стальных деталей в разбавленном пирофосфатном электролите.  

 Основные компоненты пирофосфатных  электролитов: CuSO4 или Сu2Р2О7 и К4Р2О7  или Na4P2O7. В растворах в присутствии Na4P2O7 образуется комплексная соль Na6[Cu(P2O7)2]; при избытке свободного пирофосфата может образовываться Na2[Cu(P2O7)2]. Константы нестойкости комплексов [Сu(Р2О7)2]6- и [Сu(Р2О7)2]2- соответственно равны 3·10-3 и 2·10-9.  

 В щелочных растворах  при рН 8 и достаточном избытке  свободных ионов Р2О74- медь находится преимущественно в виде шестизарядных комплексных ионов [Сu(Р2О7)2]6-.  

 В пирофосфатные электролиты  вводят NH4NO3, который способствует повышению допустимой катодной и анодной плотностей тока и улучшает качество осадков. Из пирофосфатных электролитов можно получать блестящие осадки. В качестве блескообразующих добавок вводят Na2SeO3 совместно с лимонной или триоксиглутаровой кислотой,

2-меркаптотиазол и другие  вещества.  

 При повышенных плотностях  тока может происходить пассивация  анодов за счет образования  на их поверхности труднорастворимой  оксидной или солевой пленки. Введение в электролит NH4OH, Na2HPO4·12H2O, NH4NO3, сегнетовой соли, лимонной кислоты и других добавок улучшает работу анодов и повышает допустимую анодную плотность тока.  

 Катодный потенциал  меди в пирофосфатных электролитах  имеет более отрицательное значение, чем в кислых.  

 Большая катодная  поляризация объясняется пассивированием  поверхности катода вследствие адсорбции ионов Р2О74- или образования оксидных (Сu2О8) и труднорастворимых соединений (Сu2Р2О7) в виде фазовой пленки.  

 Предполагают, что выделение  меди на катоде из пирофосфатных  растворов происходит в результате  восстановления двухзарядных комплексов:

CuP2O72- + 2e- -› Cu + Р2О74-,

образующихся при диссоциации шестизарядных комплексов:

Cu(P2O7)26- ‹-› CuP2O72- + Р2О74-.  

 С повышением температуры  ускоряется выделение меди, что  связано как с ускорением диффузии  комплексных анионов к катоду, так и с облегчением их разряда.  

 Анодный выход по  току в этих электролитах несколько  выше катодного, поэтому при корректировке  нет необходимости добавлять  медные соли. Анодную плотность  тока рекомендуется поддерживать  в пределах 2-4 А/дм2. При более низкой плотности тока растворение идет недостаточно быстро, при более высокой - на поверхности анодов образуется труднорастворимая оксидная пленка.  

 Для предотвращения  пассивации анодов должно быть  достаточное количество свободных  анионов Р2О74- и достаточно высокое рН раствора. Повышение температуры способствует отводу продуктов реакции и, следовательно, уменьшению пассивации анодов. Для этой же цели в электролиты вводят депассиваторы, которые способствуют снижению активности ионов Cu2+ в прианодном слое.  

 При работе пирофосфатных  ванн рекомендуется проводить  фильтрацию электролита: для полублестящих  осадков - периодически или непрерывно, для блестящих – непрерывно [8].  

 Особенностью этилендиаминовых  электролитов меднения является  возможность непосредственного меднения стальных деталей. Детали в ванну загружают под током плотностью в 3-5 раз превышающей рабочую. Составы большинства электролитов меднения приведены в таблице.

 

 

 

 

 

 

Составы электролитов меднения [5].

Тип	Номер состава	Состав электролита		Режим обработки		Дополнительные указания
		Компонент	Количество, г/дм3	Температура, 0С	Плотность тока, А/дм2
Кислые электролиты	1	CuSO4∙5H2O H2SO4	150-250 50-70	18-25	1-3	При плотности тока более 2 А/дм2 обработку проводят барботажом сжатым воздухом
	2	CuSO4∙5H2O H2SO4 NaCl Блескообразователь	180-220 45-65 0,05-0,15  4-6	20-30	0,8-9	Обработку проводят перемешиванием электролита сжатым воздухом и фильтрацией электролита; ia=0,4-5 А/дм2; аноды - медные с фосфором
	3	Cu(BF4) HBF4 H3BO3	200-225 5-20 20-35	15-30	2-6
Щелочные электролиты	4	CuCN NaCN NaOH	20-30 5-10 5-10	15-55	0,3-2	Допускается наличие углекислого натрия до 80 г/дм3
	5	CuSO4∙5H2O K4P2O7 NH4OH 25%p-p H4P2O7 Аммоний лимонно-кислый	75-100 300-375    2-15 1-10 15-25	50-75	0,5-5
	6	CuSO4∙5H2O Этилендиамин (NH4)2SO4	180-250 90-125 60	20-40	0,5-3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.РАСЧЕТ ГАБАРИТНЫХ РАЗМЕРОВ ГАЛЬВАНИЧЕСКОЙ ВАННЫ

 

Выбор детали

В качестве детали выбрали стальную втулку габаритными размерами 280х130 мм с круглым отверстием диаметром 160 мм. Медное покрытие из сульфатного электролита выступает в роли подслоя под никелевое покрытие, с целью повышения коррозионной стойкости покрытия в целом. Так как из-за разности потенциалов железа и меди, медное покрытие из сульфатного электролита на сталь осадить нельзя. Поэтому предварительно на втулку было осаждено медное покрытие, толщиной 3мкм, из пирофосфатного электролита меднения.

Найдем площадь одной детали:

Sдет= Sве.п+Sн.п+Sб.п+Sвн.п

где Sве.п – площадь верхней поверхности

Sн.п – площадь нижней поверхности

Sб.п – площадь боковой поверхности

Sвн.п – площадь внутренней поверхности

Sб.п=2πrh

Sв.п=2πrh

где π=3.14

 r – радиус, мм;

h – высота цилиндра, мм;

Sб.п= Sб.п.1+ Sб.п.2

Sб.п.1=2·3.14·140·100=87920 мм2

Sб.п.2=2·3.14·122.5·30=23079 мм2

Sв.п=2·3.14·80·130=65312 мм2

Sве.п= Sн.п=πr2

Sве.п=3.14·1402-3.14·802=61544-20096=41448мм2

Sдет=41448+41448+110999+65312=259207мм2~0.25м2.

Исходные данные для расчета электрического баланса

Исходные данные для расчета электрического баланса ванны меднения представлены в таблицах 1 и 2.

 

Таблица1 - Состав электролита нанесения медного покрытия

Компоненты электролита, г/л
CuSO4∙5H2O	200
H2SO4	80

 

Таблица 2 - Параметры технологического процесса

Элементы ванны		Режим электролиза		Показатели
Площадь одной детали, м2	0,25	Плотность тока, А/м2	300	Толщина, мкм	9
Количество деталей, шт.	6	Температура, К	308	Выход по току, %	100
Площадь всех деталей, м2	1,5	Сила тока, А	450

 

Расчет габаритных размеров ванны

Электролизер выполнен из стали толщиной 4 мм, футерованной винипластом толщиной 10 мм. Ванна ящичного типа, ванна находится на изоляторах.

Расчет длины ванны

Длина ванны определяется по формуле:

где n1 – число загружаемых на одну штангу подвесок, 3 подвески;

L1 – размер подвески по длине ванны, 280 мм;

L2 – расстояние между подвесками, 50 мм;

L3 – расстояние между торцевой стенкой и краем подвески, 70 мм.

мм

Внутренняя длина ванны составляет 1080 мм.

 

Расчет высоты ванны

Внутренняя высота ванны равна:

где Н1 – высота подвески, 280 мм;

Н2 – расстояние от дна ванны до нижнего края детали, 50 мм;

Н3 – высота электролита над верхним краем подвески,150 мм;

Н4 – расстояние от поверхности зеркала электролита до верхнего края бортов ванны, 50 мм.

мм

Внутренняя высота ванны составляет 1000 мм.

Расчет размеров и количества анодов

Принимаем толщину анодов 15 мм, расстояние от стенки ванны до боковой поверхности анода 50 мм. Максимальная длина, на которой могут быть расположены аноды, равна внутренней длине ванны, т. е. 1080 мм. Каждую анодную штангу завешиваем 3 анодами каждый шириной 320 мм.

Расстояние от днища ванны до нижнего края анода 200 мм, а расстояние от верхнего края ванны до верхней части анода 100 мм.

Высота анода составляет:

Hа = Hвн – 200 – 100 = 1000 – 200 – 100 =700 мм.

SA=2(0,32·0,01+0,32·0,7+0,01·0,7)=0,4684 м2

Sобщ.A= 0,4684·6=2,8104 м2

Масса анода одного анода составляет:

ma = La·Ba·Ha·ρa,

где La – длина анода, 320 мм;

Ba – толщина анода, 15 мм;

Ha – высота анода, 700 мм;

ρa – плотность материала анода (меди), 8900 кг/м3.

ma = 0,320·0,010·0,700·8900 = 19,936 кг.

Один анод имеет массу 19,936 кг.

 

Откорректировав рассчитанные внутренние размеры ванн, в соответствии с ГОСТ 23738-85 [2] выбираем нормализованную ванну с размерами 1120×710×1000 мм с полной вместимостью 795 л.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ  БАЛАНС ГАЛЬВАНИЧЕСКОЙ ВАННЫ

 

Расчет электрического баланса необходим для определения напряжения на ванне гальванического меднения и дальнейшего выбора необходимого источника постоянного тока.