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