Гальванические ванны, содержащие рабочие растворы, предназначены для подготовки поверхности (удаления жировых загрязнений, смазок, продуктов коррозии, окалины, и т. д.) и нанесения покрытий химическим или электрохимическим способом на металлы и их сплавы, являются наиболее распространённым и основным видом оборудования гальванических цехов и участков. Несмотря на разнообразие применяемых ванн, к ним предъявляется ряд общих требований: герметичность, химическая инертность материала ванны к находящемуся в ней раствору, возможность создания и поддержание заданного теплового режима, удобство и безопасность обслуживания.
Гальванические ванны представляют собой прямоугольные резервуары, изготовленные из листового материала сварным методом. Швы ванн – сплошные, а у ванн больших размеров – усиленные. Ванны больших размеров имеют ребро жесткости для предотвращения деформации. Сверху вдоль всех стенок ванн приварены борта. В зависимости от назначения и требований технологического процесса (подогрев или охлаждение раствора, перемешивание, качание штанг, непрерывная фильтрация, поддержание рН в заданных пределах, автоматическое дозирование компонентов электролита и т.д.) ванны оборудуются бортовым отсосами , барботёрами, токоподводами, элементами нагрева, датчиками температуры, датчиками уровня, механизмами качания штанг.
В зависимости от агрессивности применяемого раствора ванны изготавливаются из углеродистых и нержавеющих сталей, титана, полипропилена. Выполняются футеровки ванн поливинилхлоридным пластикатом, фторопластом.
Ванны, предназначенные для холодной и горячей промывки, химического и электрохимического обезжиривания, травления алюминия, изготавливаются с карманом, который служит для слива верхнего сильно загрязненного слоя жидкости. Расположение карманов допускается как с правой, так и с левой стороны корпуса ванны. Высота сливного кармана должна составлять не менее 10-20% высоты ванны для исключения перелива жидкости из кармана обратно в ванну при погружении в неё крупногабаритных деталей.
С целью улучшения качества промывки изготавливаются ванны, предназначенные для двух- и трёхступенчатой противоточной (двух- и трёхкаскадной) промывки. Детали начинают промывать в крайней «грязной» секции с карманом, из которого вода сливается в канализацию, а заканчивают в «чистой» секции, куда поступает чистая вода для промывки из цехового водопровода.
Из чистой секции вода равномерно переливается через специальные перегородки в нижние части следующих секций, вытесняя в канализацию через карманы верхние более грязные слои воды. Эти перегородки устанавливаются на расстоянии 50 мм от разделительных стенок секций и немного выше их.
В гальваническом производстве встречаются ванны, имеющие более трёх ступеней промывки. Эти ванны применяют, например, при покрытии деталей драгоценными металлами.
Корпуса электролитических ванн, подключенные к источникам питания постоянного тока, во избежание утечки тока, а также для защиты от блуждающих токов, устанавливаются на изолирующие опоры. Корпуса остальных ванн устанавливаются на опоры, изготовленные из металла или полимерных материалов.
Дно корпуса ванны изготавливается с уклоном 1:100 или 1:50 в сторону патрубка донного слива. Для уменьшения потери полезной высоты в ваннах длиной 2 м. и более дно корпуса делают с уклоном 1:100.
Стенки ванн, в которых рабочая температура растворов превышает 60 0С, для уменьшения потерь тепла изолируются с помощью минеральной ваты и закрываются стальными или полипропиленовыми листами. Дно ванны и карманы теплоизоляции не имеют. При наличии на боковых стенках сливных патрубков, карманов и др., в теплоизоляции для них делают вырезы.
Для увеличения жесткости боковых стенок ванн производят обвязку их по периметру профильной трубой размером от 60x40x4 до 100x100x10 мм. или швеллером высотой от 80 до 120 мм. Полученная таким образом отбортовка может служить для установки на них бортовых отсосов, опор для штанг и т.п.
Корпуса ванн высотой 1250 мм. и выше обвязываются по высоте дополнительными поясами из металлической профильной трубы для предотвращения образования «бочкообразности». Корпуса ванн длиной 2,5 м. и более рекомендуется обвязывать дополнительно вертикальными стойками.
Ванны из углеродистой стали. Сталь марки Ст-3 является до сих пор достаточно распространённым материалом для изготовления ванн. Толщина стального листа для изготовления ванн объёмом менее 600 л. составляет не менее 5 мм., для ванн объёмом 600л. и более – не менее 7 мм. Внутренние стороны стенок и дно ванн футеруют винипластом или пластикатом.
Ванны из коррозионностойкой стали. В некоторых случаях необходимо изготавливать ванны из коррозионностойкой хромоникелевой стали, которая устойчива к смеси крепких кислот, содержащей хотя бы несколько процентов азотной кислоты, или иного сильного окислителя, но в отсутствии соляной или плавиковой кислот. Добавка в сталь титана предохраняет её от межкристаллитной коррозии. Для изготовления корпусов ванн обезжиривания и горячей промывки применяют без футеровки следующие стали: 12Х18Н10Т, 11Х18Н12Т, ОХ18Н12Б, ОХ21Н15Т, ОХ17Т, Х25Т, 08Х22Н6Т. Для электрохимических ванн требуется футеровка из электроизоляционного материала.
Ванны из титана. Универсальным материалом для изготовления ванн является титан, обладающий высокой химической стойкостью во многих агрессивных средах при высоких температурах. Срок службы титановых ванн в 5-7 раз больше, чем стальных. Высокая коррозионная стойкость и физико-механические характеристики титана позволяют применять титан для изготовления ванн хромирования, электрополирования нержавеющих сталей. Для изготовления корпусов ванн применяют титановые сплавы следующих марок: ВТО, ОТ4-0, ВТ1, ОТ4, ВТ1-0 (ГОСТ 19807-74). Футеровка стенок ванн не требуется.
Ванны из полипропилена. Полипропилен – наиболее перспективный материал, обладающий высокой химической стойкостью, износостойкостью, термостойкостью (до 80 0С без механических нагрузок), высоким сопротивлением ударным нагрузкам, удовлетворительной механической прочностью, низким водопоглощением, низкой водо- и паропроницаемостью, высокими диэлектрическими свойствами. Полипропилен устойчив к воздействию водных растворов неорганических соединений (солей) и к воздействию почти всех кислот и щелочей, даже при высокой их концентрации и температуре до 80 °С. Непрерывное понижение химической стойкости полипропилена с последующим лавинообразным разрушением имеет место только в электролите для электрополирования коррозионностойких сталей при температуре 60°С. Полипропилен особенно чувствителен к воздействию света, это надо учитывать во всех областях применения продукта. Полипропилен имеет хорошую устойчивость к световому излучению видимой области спектра. Воздействие же (даже кратковременное) ультрафиолетового излучения (излучения с длиной волны 290-400нм.) и кислорода воздуха делает полипропилен хрупким и приводит к повреждению поверхности: потере блеска, растрескиванию и «мелованию» поверхности, ухудшению механических и физических свойств полимера. Этот процесс ускоряется при повышенной температуре окружающей среды.
Высокая химическая стойкость полипропилена в электролитах для нанесения покрытий дополняется тем, что он не оказывает влияния на электропроводимость растворов и обладает высокой прочностью.
Ванны из полиэтилена и поливинилхлорида. Полиэтилен и поливинилхлорид применяется для изготовления ванн, содержащих растворы соединений хрома. Применяемость данных материалов ограничена температурой 60 0С (хроматирование, осветление)
Ванны из фторопласта. Ванны из фторопласта обладают повышенной химической стойкостью при высоких температурах (до 120 0С)
Защита корпусов ванн.
Футеровка, т.е. облицовка внутренних поверхностей металлических корпусов гальванических ванн химически стойкими материалами, выполняет двоякую роль: защищает стенки ванн от разрушения при воздействии растворов и предохраняет раствор от загрязнений продуктами растворения материала стенок. Кроме того, футеровка металлической ванны, предназначенной для проведения электрохимических процессов, препятствует прохождению тока по корпусу ванны. В отсутствии футеровки электрическое поле искажается. Часть тока протекает по стенкам ванны в силу значительно большей электропроводности металла по сравнению с электролитом.
Для антикоррозионной защиты ванн широко применяются полимерные материалы, как в виде свободного вкладыша, так и футеровки, жестко прикрепленной к стенкам ванн. Механическая прочность обеспечивается металлическим корпусом ванны, а футеровка выполняет лишь функцию защитного слоя.
Ванны длиной до 1 м. можно футеровать свободным вкладышем. При необходимости футерования ванн длиной более 1м учитывается возможность возникновения в них температурных напряжений, в также напряжений от набухания и гидростатических нагрузок, значение которых возрастает с увеличением габаритов ванн. Особую опасность для футеровок из полимерных материалов представляют случайные удары как с наружной, так и с внутренней стороны стенок и дна ванны.
Наиболее распространённый футеровочный материал – листовой винипласт. Он представляет собой окрашенный или неокрашенный непластифицированный твёрдый поливинилхлорид (ПВХ), изготовленный методом прессования. Винипласт стоек практически во всех растворах электролитов, применяемых в гальванотехнике, однако нестоек к действию концентрированной азотной кислоты. Большим преимуществом винипласта является то, что он легко сваривается, формуется и обрабатывается механически; это позволяет использовать его как для футеровки ванн, так и в качестве самостоятельного конструкционного материала. Прочность сварного шва достигает 80-85% прочности основного материала. Недостатками винипласта является его невысокая теплостойкость и низкая ударопрочность. Винипласт хрупок. При нагревании он размягчается и может принимать любую форму. Температурный интервал применения от 0 до 60 °С, при температурах ниже нуля его хрупкость возрастает, при температурах выше 60 °С винипласт размягчается.
В механических и автоматизированных линиях для футеровки ванн используется полихлорвиниловый пластикат. Пластикат устойчив во всех обычных гальванических электролитах, включая хромовый при температурах до 70 °С.
Наиболее перспективным для футеровки гальванических ванн является пластикат ПХ-2, который обладает высокой химической стойкостью при температурах до 90 °С, в том числе в электролитах хромирования, блестящего кислого меднения и никелирования, электрохимического и химического обезжиривания, в серной, соляной и азотной кислотах, щелочах, окиси хрома и других средах. Пластикат ПХ-2 нестоек только в растворах хлористого железа и азотнокислого натрия.
Кроме несколько большей термостойкости и химической стойкости пластиката его существенным преимуществом по сравнению с винипластом является гибкость, благодаря которой устраняется нетеплопроводная воздушная прослойка между футеровкой и ванной. Эта прослойка делает неприменимой винипластовую футеровку в ваннах с обогревом пароводяной рубашкой. Кроме того, гибкость, пластичность и хорошая стойкость к истиранию позволяют применять пластикат толщиной 2 мм (против 5-7 винипласта), что при одинаковой стоимости единицы массы даёт существенную экономию.
Полипропилен обладает удовлетворительной механической прочностью, высоким сопротивлением ударным нагрузкам, повышенной пластичностью, инертностью к большинству химических реагентов. Преимуществом полипропилена является возможность его применения при высокой температуре, что в сочетании с другими свойствами открывает широкие перспективы использования полипропилена не только для футеровки ванн методом вкладыша, но и для изготовления другого оборудования гальванических цехов: бортовых отсосов, вентиляционных коробов, крышек к ваннам, барабанов. Полипропилен уступает по термостойкости и химической стойкости только фторопласту.
Высокой теплостойкостью и химической стойкостью обладает пентапласт. Этот химически стойкий «самозатухающий» полимер обладает комплексом ценных физико-механических, теплофизических и антикоррозионных свойств. Покрытия на его основе возможно использовать в весьма агрессивных средах при температуре до 1200 °С. По химической стойкости в ряду термопластов пентапласт уступает только фторопластам. Пентапласт устойчив при воздействии растворов кислот и их смесей: фосфорной и плавиковой. Однако пентапласт нестоек в сильных окислителях: в дымящейся азотной кислоте при температуре кипения, в олеуме, хлорсульфоновой кислоте и т. д.
Футеровку из пентапласта применяют для защиты ванн хромирования, химического никелирования, травления, пассивирования.
Внедрение футеровок из пентапластовых листов ограничивается их высокой стоимостью и низкой ударопрочностью.
Для футеровки ванн применяется такой широко известный полимерный материал, как полиэтилен. В зависимости от метода промышленного производства различают полиэтилен высокого, низкого и среднего давления. В гальванотехнике нашел применение полиэтилен высокого и низкого давления. Из полиэтилена высокого давления изготавливают трубы, фитинги, клемные коробки, барботёры. При футеровке ванн и нанесении защитного покрытия на металлические поверхности подвесочных приспособлений предпочтение отдают полиэтилену низкого давления, так как он обладает более высокой химической стойкостью и теплостойкостью. Температура размягчения полиэтилена высокого давления 80-90 °С, низкого давления 90-95 °С.
Ванны без слива достаточно просто и удобно футеровать полиэтиленовой плёнкой, предварительно сварив из неё мешок по размеру ванны. Полиэтиленовую футеровку желательно делать многослойной.
Фторопласт (политетрафторэтилен) превосходит другие пластмассы по химическим, механическим свойствам, физическим, в том числе по теплостойкости. В последние годы масштабы его применения и качественные показатели значительно повысились за счёт освоения выпуска новых типов фторопластов, которые в отличие от фторопласта широко известной марки Ф-4 обладают свойствами плавких материалов: они могут экструдироваться, отливаться под давлением, подвергаться сварке плавлением. К этим фторопластам следует отнести Ф-4МБ, Ф-10, Ф-2М, Ф-3М, Ф-26, Ф-40ЛД и др.
Для химического никелирования и электрополирования рекомендуется использовать фторопласты Ф-4МБ в виде плёночного вкладыша.
Листовой фторопласт Ф-2М целесообразно применять для футерования различных ёмкостей, гальванических и травильных ванн, а также для изготовления трубопроводов большого диаметра. Он обладает хорошими формовочными свойствами, гибкостью, ударопрочностью, прочностью при растяжении, свариваемостью. Фторопласт Ф-2М выдерживает такие агрессивные среды, как минеральные кислоты (за исключением дымящей серной кислоты), окислители (концентрированную азотную кислоту), концентрированные щелочи, галогены, углеводороды при температуре от 20 до 130 °С. Изделия из фторопласта Ф-2М могут эксплуатироваться при температурах от -70 до 140 °С.
Высокая химическая стойкость и термостойкость фторопластов позволяют изготавливать из них теплообменники для нагрева и охлаждения очень агрессивных растворов: травления нержавеющих сталей, электрополирования, электролитов хромирования, содержащих фториды и т. д. Футерование листовым фторопластом позволяет отказаться от применения нержавеющих сталей, дорогостоящих сплавов, а также от малотехнологичных футеровок из свинца.
Колокольные ванны. Нанесение покрытий на мелких деталях в стационарных и полуавтоматических ваннах на подвесках связано с большими трудовыми затратами. Поэтому для нанесения покрытий на такие детали в массовом производстве обычно применяют вращающиеся наливные колокола. Колокола изготавливаются из изолирующих материалов: эбонита, винипласта или гуммированной стали (в форме усеченного конуса) и устанавливаются на двух чугунных стойках. К одной из них прикреплен кронштейн, поддерживающий электродвигатель с червячным редуктором, который связан с колоколом посредством зубчатых колёс. Ток подводится к деталям (катоду) металлическими щетками, трущимися о медное кольцо, укреплённое в дне колокола. Отсюда ток передаётся к покрываемым деталям посредством медных болтов, проходящих через дно колокола и соединяющихся с внутренними контактными пластинами. Часто практикуется также подача тока к деталям сверху с помощью гибкого провода с грузом, контактирующим с деталями. Анод представляет собой горизонтально или наклонно расположенную пластинку, опускаемую в колокол на вертикальном стержне. Для придания колоколу нужного наклона и для удобства разгрузки стационарных колокольных ванн имеется специальное приспособление из зубчатого сегмента с червячным зацеплением.
Основными достоинствами колокольных ванн являются возможность наблюдения за процессом нанесения покрытия, возможность обработки весьма мелких деталей, а также простота загрузки и выгрузки покрываемых деталей.
К недостаткам колокольных ванн относятся: потери электролита, значительная продолжительность процесса покрытия вследствие сравнительно низкой силы тока (она лимитируется поверхностью анода), частичное истирание покрытия, невозможность получения покрытий достаточной толщины.
Для покрытия мелких деталей в гальванических цехах применяют также погружаемые колокола. Колокол, погружаемый в стационарную ванну с электролитом, расположен наклонно, его частота вращения 5-10 об/мин. Достоинство такого конструктивного оформления ванны в том, что отпадает надобность в переливании электролита при загрузке и выгрузке деталей, а кроме того, создаётся лучшее соответствие количества электролита поверхности покрываемых изделий, которое необходимо для получения доброкачественных покрытий при работе с током высокой плотности. Катодная подводка осуществляется через вал, а аноды в виде пластин или брусков подвешивают в ванну на штангах со стороны колокола. Выгрузка деталей выполняется поднятием колокола из ванны; электролит при этом выливается в ванну, а детали высыпаются в сетку, установленную на ванне. Поднимается колокол при помощи блока.