Титан в гальванотехнике

Актуальность

Гальванический способ покрытия металлов получил самое широкое распространение. Чтобы повысить интенсивность и эффективность производства и технологических процессов гальванопокрытий, применяют новые электролиты, повышение температуры и увеличение плотности тока. Для этого требуются конструкционные материалы и оборудование, соответствующие повышенным требованиям коррозионной стойкости. Помимо усовершенствования технических показателей, крайне важным представляется максимальное продление эксплуатационного срока оборудования, которое зависит от качества футеровочных и конструкционных материалов. Несмотря на то, что материалов для безопасной эксплуатации оборудования существует довольно много, все еще не удалось разрешить проблем, связанных с длительностью срока его эксплуатации и прочностью. Свинец в хромовых и прочих кислотных электролитах хоть и обладает химической стойкостью, но легко подвержен механическому разрушению. Если свинцовая футеровка получает повреждения, корпус ванны подвергается интенсивной коррозии.

Альтернативные материалы

Ванны из стали, футерованные винипластом, стойким в кислотных электролитах, применяются в процессах никелирования, омеднения, оцинкования и т. д. Но если температура чересчур высока, винипластовые листы могут от температурного расширения растрескаться. Это объясняется тем, что коэффициент теплового расширения у винипласта в шесть раз больше, чем у стали. Это приводит к нарушению целостности футеровки, особенно в районе сварочных швов, а позднее — к растворению материала, из которого изготовлена ванна, под воздействием коррозии и загрязнению состава электролита. Даже попадание минимального количества коррозийных составляющих (примесей тяжелых металлов) в электролит может вызвать резкое падение качества покрытия. Чтобы противостоять этому, для футеровки используется резина. Однако она также показывает малую эффективность в связи с быстрым устареванием и растрескиванием своего покрытия. Кроме того, процесс футеровки и гумирования требует больших затрат из-за низкой адгезии к определенным металлам. Все существующие на сегодня изоляционные и защитные технологии для подвесок с использованием стойкой к химическим воздействиям резины, перхлорвинилового лака или ленты дают возможность пользоваться подвесками на протяжении двух-трех месяцев. Часто менять или ремонтировать подвески — крайне трудоемкое и экономически невыгодное мероприятие.

Коррозионная стойкость титана

Из всех материалов, демонстрирующих высокий уровень коррозийной устойчивости в большинстве электролитов, наиболее оптимальными для применения считаются сплавы титана. Титан известен своей стойкостью к коррозийному воздействию практически во всех электролитах щелочного, слабокислого и кислого характера. Он устойчив в травильных растворах, содержащих 10% H₂ SO₄ при температуре 75 °C, но при повышении концентрации до 18−20% начинает быстро коррозировать. Если же добавить в электролит азотную кислоту или ее соли в качестве ингибирующих добавок, можно предупредить процесс коррозийного разрушения титана. В этом случае происходит образование окисной пленки на поверхности металла, которая препятствует его растворению. Титан начинает быстро коррозировать также в электролитах, содержащих фтористоводородную или же борфтористоводородную кислоту. Во всех остальных случаях использование титана в качестве защитного покрытия в гальванотехнике оказывается исключительно перспективно.

Оборудование для гальванопластики

Чтобы осуществить предварительную обработку и нанесение гальванического покрытия, применяются ванны, анодные корзины, катодные барабаны, нагревательные змеевики, подвески, теплообменники, трубопроводы, фильтры, насосы и пр.

Ванны

Ванны из титана, предназначенные для хромирования, изготавливают из сплава ВТ1−0. Эта технология долгое время использовалась автомобильным заводом «Коммунар», а также заводом по производству измерительных приборов города Запорожья. Использование титана в ваннах для хромирования увеличивает срок их эксплуатации в пять-семь раз. Когда на Мелитопольском моторостроительном заводе вместо традиционных ванн из стали и свинца были установлены три ванны из сплава ВТ1−0, то в связи с увеличением продолжительности срока их использования и уменьшения амортизационных отчислений, затрат на электролит и уменьшения трудовой напряженности и энергоемкости, удалось в значительной степени повысить показатель годового дохода.

В электролитах, которые используются в процессах омеднения, никелирования, кадмирования, латунирования, оцинкования и серебрения, титан практически не испытывает коррозийного разрушения, помимо растворов фтористоводородной и борфтористоводородной кислоты. Кроме того, нежелательно использовать титан в сочетании со средами, в которых находятся ионы фтора из-за разницы в скорости коррозии при использовании анодной схемы и отключении тока.

Замена ванн, изготовленных из углеродистой стали, футерованной винипластом или свинцом, на ванны из титана является целесообразной для стабилизации производственного процесса: снижения частоты текущих ремонтных работ, поддержания чистоты электролита, увеличения качества покрытия, а главное — возможности регулировать температурный или кислотный баланс электролита. Устойчивость сплавов титана коррозийному воздействию в указанных выше электролитах дает возможность более чем в два раза уменьшить толщину стенок. Это делает титановые ванны и ванны из стали, футерованных винипластом, практически идентичными по стоимости.

Анодные корзины

В ваннах, предназначенных для никелирования, оцинкования и омеднения используется три типа анодов: электролитические, литые и вальцованные. Последние получили наибольшее распространение, так как они растворяются наиболее равномерно, тогда как электролитическим анодам свойственно более интенсивное растворение и образование шлама.

Чтобы свести к минимуму вредное воздействие шлама, аноды помещаются в специальные мешки из «бельтинга» или «хлорида», которые предварительно были подвергнуты обработке соляной кислотой. В данном случае отходы достигают лишь двадцати-тридцати процентов общего веса анодов. Использование анодных корзин, изготовленных из титана, крайне перспективно. Еще в 1959 г. фирмой «Форд» были разработаны и введены в эксплуатацию первые анодные контейнеры из титана. Благодаря этому в значительной степени снизились расходы на уход за оборудованием, а продолжительность ежедневной работы увеличилось на четыре часа.

Анодные корзины призваны увеличить общую производительность рабочей установки. Кроме того, чтоб добавить анодный материал в контейнер, не требуется выпускать оставшийся раствор из ванны. Расходуется анодный материал практически в полном объеме, сохраняя постоянство плотности и обеспечивая максимальную эффективность своего действия. С 1959 г. они используются для цианистого и кислотного омеднения, цианистого белого латунирования, блестящего никелирования. Введение в отечественный производственный процесс корзин из титана позволило создать полностью растворяющийся анод.

ВТ1−0

Применение анодных корзин из сплава титана ВТ1−0 на Мелитопольском моторном заводе позволило в значительной мере поднять годовой экономический показатель при производстве никелированных деталей, используемых в силовых агрегатах. Главным показателем экономичности данного нововведения является стопроцентное использование никелевых анодов, тогда как до момента внедрения этой технологии использовалось лишь 70% от всех анодов. Помимо этого, пропала необходимость в использовании медных крюков, которые ранее применялись для установки новых анодов, сократился показатель трудовых затрат при замене анодов.

Запорожскому заводу «Коммунар» на автоматической линии гальванопластики удалось уйти от соотношения доходов и общего потребления анодов из никеля, в дальнейшем неиспользовавшихся, которое составляло 30%. Титановые корзины из сплава ВТ1−0 сделали возможным значительное сокращение расхода анодов из никеля и упрощение обслуживания ванн при корректировке уровня электролита.

Анодные корзины с специальными крючками для подвешивания создаются из листов титана толщиной 0,8−1 миллиметр. Расчет поперечного сечения крючков происходит из расчета низких показателей тепловодности и плотности тока, которая составляет менее 1А/дм.

Лужение

Для проведения процесса высокоскоростного лужения используются корзины из титана, которые предварительно наполняются гранулированным оловом, выступающим в роли анода. Такой анодный материал позволяет значительно повысить производительность электролитического лужения благодаря увеличению активной плотности тока, который распределяется по всей площади анода, находящегося в корзине.

Экономический эффект

Описанные корзины из титана, сконструированные по разным схемам, получили широкую популярность в процессах никелирования, лужения, омеднения и оцинкования, так как они позволяют до конца использовать анодный материал, а значит, сэкономить дорогостоящие исходные материалы: никель, олово, медь, и другие. Кроме того, возможным становится использование чушек, гранул, слитков первичного материала, которые стоят намного меньше, нежели их прокатные анодные эквиваленты.

Теплообменники

Чтобы добиться качественной осадки исходного металла, требуется поддерживать стабильный баланс температур в ходе гальванического процесса. Сегодня все еще часто применяются нагреватели и змеевики из свинца, освинцованной углеродистой стали, нержавеющей стали. Проблема заключается в том, что спустя всего два-три месяца они выходят из строя под воздействием агрессивного химического окружения электролита и высокой температуры. При необходимых в данном случае постоянных ремонтных работах и заменах нагревателей происходит столь нежелательное нарушение температурного устоявшегося баланса, следовательно, повышаются и затраты на эксплуатацию оборудования.

Использование титана в теплообменном оборудовании более выгодно по сравнению с приведенными выше материалами. Это объясняет, всё большую популярность титана в западном производстве. Так, английская компания «Дин Продакти Инкорпорейтед» занимается выпуском по собственным разработкам цельнотитановых панелей, используемых для нагрева электролита. Американская компания «Империал Кемикал Индастриал» занимается производством титановых змеевиков, а американское общество «Контимет» производит титановые теплообменники для подогрева электролитов различных типов (даже хромовых). Благодаря отсутствию коррозийных продуктов на внешней поверхности теплообменника необходимые показатели теплопередачи достигаются при сокращении поверхности нагрева вплоть до 45%, что является неоспоримым преимуществом.

Рентабельность

Даже имея в два раза меньшую теплопроводность, нежели свинец или сталь, титан дает возможность создания труб нагревателей с гораздо более тонкими стенками, так как он отличается высокой коррозийной и механической прочностью. Из этого вытекает равенство цены змеевиков из освинцованной углеродистой, а также нержавеющей стали и оборудования из марок титана ВТ1−00 и ВТ1−0. Кроме того использование титановых сплавов позволяет значительно сократить расходы на эксплуатацию оборудования, увеличив время эксплуатации в четыре-шесть раз.

Даже в обычных ваннах для хромирования, змеевики из титана будут служить долгие годы. Завод «Коммунар» в Запорожье использует в целях нагрева электролита при хромировании подогреватели из титана длиной 3 метра и Ø 2,5 миллиметра, которые пришли на смену устаревшим свинцовым змеевикам длиной 7 метров и Ø 6 миллиметров. На протяжении четырех лет эксплуатации такой тип оборудования дал неоценимые экономические преимущества. Титановые подогреватели также используются на десятках автоматических линий Тамбовского механического завода.

Подвески и приспособления

Титан также получил широкое употребление в создании подвесок для анодирования деталей, изготовленных из алюминия и его сплавов. Так, простые алюминиевые рамы крайне быстро поддаются окислению и начинают разрушаться. Чтобы продлить среднее время их эксплуатации более четырёх-шести недель, рамы необходимо обязательно подвергнуть воздействию щелочной среды. При этом титановая рама в аналогичных эксплуатационных условиях не показывает признаков начинающегося разрушения даже спустя годы. Подвески из титана также показали свои лучшие качества в процессах лужения и оцинкования. Они не подвержены коррозии, что позволяет избежать потерь их ценного материала, продлить время службы детали и сократить затраты на ремонтные работы.

Сварка

Производство титановых подвесок и рам осуществляется довольно легко. Единственный ограничивающий нюанс — запрещено использование соединений с помощью пайки твердыми и мягкими припоями. Нежелательно также соединять части при помощи болтов и заклепок, так как эти места соединения могут давать сбои в передаче электрического тока. Максимальный показатель надежности демонстрирует соединение с использованием сварки.

Инструменты

Одна из британских компаний, специализирующаяся на производстве стиральных машин, использует в своем техническом арсенале более шестидесяти инструментов, изготовленных из титана, для анодирования алюминиевых деталей, а также свыше четырехсот алюминиевых приспособлений с наконечниками из титана. Ремонтировать гальванические подвески довольно дорого, долго и трудоемко. Использование титановых элементов производства позволяет свести к минимуму число подобных операций по ремонту. Кроме того, титан на протяжении продолжительного срока поддерживает электропроводимость на довольно высоком уровне.

Опыт использования

В Запорожье на электроаппаратном заводе, а также на заводе «Коммунар» прежде применялись подвески из алюминия в процессах анодирования и электрополирирования алюминиевых деталей. Тогда срок эксплуатации подвесок составлял всего один месяц. После внедрения в производство подвесок из титана это время удалось продлить более чем до года. Количественно это можно представить в виде соотношения 15 титановых подвесок вместо 816 подвесок из алюминия, которые необходимо использовать в течение одного года работы.

Английская фирма «Айци» разрабатывает новые проекты и производит титановые подвески различной сложности конструкции. После тысячи циклов работы коррозия у титанового оборудования их производства составляет лишь 0,025 от величины сечения всей подвески.

Немецкие компании «Ридел», «Бласберг» и другие интенсивно используют подвески разных конструкций в электролитах с основой из серной кислоты (преимущественно при анодировании). Чаще всего используются подвески из титана или из алюминия с титановыми контактами. Однако цельнотитановые конструкции являются более успешными в применении.

Титановое оборудование, используемое для обустройства систем вентиляции, также помогает в снижении расходов на эксплуатацию и ремонт, повышает качество работы, продлевает срок службы оборудования. Хоть начальные инвестиции в установку титановой вентиляционной системы в два-три раза превышают стоимость стандартной вентиляции из стали, но титановая качественно выполняет свои функции в пять-шесть раз дольше. Запорожский автомобильный завод более одного года успешно использует титановую вентиляционную систему.

Проблемы очистки

Когда увеличивается производственная мощность цехов, специализирующихся на металлопокрытиях, нужно в большей степени заботиться о процессе очистки выбрасываемых сточных вод, содержащих огромное количество токсичных компонентов (кислот и их солей), которые образуются в процессе травления металлов и их гидроокисей от анодной очистки. В ваннах оцинкования, омеднения, кадмирования находится большое количество металлических алкалоидов и токсичные цианиды, концентрация которых должна быть менее 0,1 мг/л, а содержание хрома в хромовокислых и хромовых ваннах не должно превышать 0,5 мг/л.

Для очистки сточных вод от шлака и токсинов используются специальные нейтрализационные установки. Помимо названных вредоносных веществ, сточные воды содержат также массу химических соединений агрессивно влияющих на состояние самой очистной системы и системы слива. В случае, если очистные станции только строятся или подвергаются капитальному ремонту, емкости для улавливания отработанных веществ, сливные трубопроводы, насосное оборудование и запорную арматуру рекомендуется изготавливать из титана. Применение этого металла повышает эксплуатационную выносливость и продлевает время службы всей системы оборудования.

Подобная система емкостью 10 кубометров, предназначенная для очистки сточных вод с повышенным содержанием хрома и сопутствующих соединений, построена и уже несколько лет успешно функционирует на трансформаторном заводе города Запорожья. При этом за все время работы в ванне улавливания и сливном трубопроводе не было замечено ни одного случая коррозийного разрушения.

Выводы

Многочисленный опыт применения титана в гальванических конструкциях доказывает целесообразность использования титановых элементов. Это касается надежности, качества, продолжительности службы и экономической выгодности использования данного материала. Использование на производстве оборудования из титана является показателем прогрессивности компании, отслеживания ею современных тенденций и заботы о показателях производительности, уменьшения трудоемкости, сокращению тяжелых обслуживающих работ для персонала, увеличению качества покрытия, экономии электролита, воды, электроэнергии, пара, уменьшению времени цикла производства, повышению долговечности оборудования, совершенствованию условий труда и росту культуры производства.

Купить, цена

Компания ООО «" реализует металлопрокат по оптимальной цене. Она формируется с учетом ставок на LME (Londonmetal exchange) и зависит от технологических особенностей производства без включения дополнительных затрат. Поставляем изделия из титана и его сплавов в широком ассортименте. Все партии изделий имеют сертификат качества на соответствие требованиям стандартов. У нас вы можете купить оптом самую различную продукцию для масштабных производств. Широкий выбор, исчерпывающие консультации наших менеджеров, доступные цены и своевременность поставки определяют лицо нашей компании. При оптовых покупках действует система скидок