СПОСОБ ГАЛЬВАНОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ, В ЧАСТНОСТИ, НА ПОДВЕСКАХ, ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ НАГРЕВАЕМЫХ ЭЛЕКТРОЛИТОВ (РАСТВОРОВ) ПРОЦЕССНЫХ ВАНН Российский патент 2000 года по МПК C25D21/08 

Изобретение относится к области гальванохимической обработки деталей, в частности, на подвесках, при использовании нагреваемых электролитов и растворов основных технологических (процессных) ванн, и применимо как в существующем (с централизованной системой подачи промывной воды и сжатого воздуха), так и(или) в проектируемом (с локальными напорными системами) гальваническом производстве, при обработке печатных плат и изделий электронной техники, в условиях стохастического поступления деталей на обработку, ограниченности производственных площадей, повышенных требований к качеству обработки, минимизации расхода используемых энергоресурсов, химикатов и объема сточных вод.

Широко известны способы гальванохимической обработки деталей, в частности, на подвесках, при использовании нагреваемых электролитов (растворов) процессных ванн, заключающиеся в последовательном, согласно ходу технологического процесса, выполнении операций основной гальванохимической обработки и многокаскадной промывки, осуществляемых погружным методом в отдельных ваннах, при этом избыток промывной воды из первой (по ходу технологического процесса) ванны каскада промывки используют непосредственно или после очистки для восполнения путем долива потерь испаряемого электролита (раствора) из ванны основной гальванохимической обработки [1, 2].

Недостатками известных способов являются нерациональное использование применяемых энергоресурсов и химикатов, в частности, в условиях многономенклатурного мелкосерийного производства, когда детали на обработку могут поступать через различные промежутки времени, и сравнительно большие затраты производственных площадей, необходимых для размещения 3-х, 4-х или пяти ванн промывки в соответствующем каскаде.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату известным решением, выбранным в качестве прототипа, является способ гальванохимической обработки деталей, в частности, на подвесках, при использовании нагреваемых электролитов (растворов) процессных ванн, включающий последовательное, согласно ходу технологического процесса, выполнение операций основной гальванохимической обработки и трехкаскадной промывки, осуществляемых погружным методом в отдельных ваннах, восполнение потерь объема электролита (раствора) процессной ванны путем долива содержащей основной отмываемый компонент применяемого электролита (раствора) и подаваемой непосредственно или после очистки промывной воды из первой, по ходу технологического процесса, ванны каскада и(или) использование для этих целей и промывки сконденсированных испарений процессной ванны, подаваемых, в последнем случае, в третью, по ходу технологического процесса, ванну трехкаскадной промывки [3].

Недостатком известного способа является необходимость сравнительно значительного (до 25-40%) увеличения длины линий (установок) гальванохимической обработки при реализации трехкаскадной прямоточной (противоточной) промывки, в том числе и с ванной улавливания соответственно по сравнению с наиболее распространенной двухкаскадной системой промывки.

Другим недостатком известного способа является то обстоятельство, что в процессе его реализации, при перемещении деталей из процессной ванны в ванну промывки, значительное количество высококонцентрированных и зачастую токсичных испарений с поверхности деталей может поступать в атмосферу цеха.

Еще одним недостатком известного способа является сравнительно большая вероятность непроизводительного расхода промывной воды или получения некачественной промывки при значительных изменениях длительности промежутков времени поступления деталей на обработку и на начальном этапе процесса гальванохимической обработки.

Кроме того, при реализации известного способа в случае наличия в установке нескольких высокотемпературных и быстрокристаллизующихся на воздухе электролитов (растворов) процессных ванн не исключена вероятность ухудшения качества гальванохимической обработки из-за относительно высоких концентрации и температуры основного отмываемого компонента на поверхности деталей и значительного (до 20-30 с) времени между выгрузкой деталей из процессной ванны и их загрузкой в первую ванну промывку.

Это объясняется как несовершенством соответствующих методов и оборудования для промывки, используемых в процессе гальванохимической обработки, так и отсутствием комплексного подхода к реализации этих процессов, учитывающего особенности последних на всех их этапах, в условиях многономенклатурного мелкосерийного производства, наиболее характерного для более 70% предприятий приборостроения страны.

Новый технический результат заключается в сокращении каскадов операции промывки, снижении выноса деталями электролита (раствора) из процессной ванны и непроизводительного расхода промывной воды, а также в повышении вероятности получения качественной гальванохимической обработки деталей.

Новый технический результат достигается тем, что в известном способе гальванохимической обработки деталей, в частности, на подвесках, при использовании нагреваемых электролитов (растворов) процессных ванн, включающем последовательное, согласно ходу технологического процесса, выполнение операций основной гальванохимической обработки погружным методом в процессной ванне и многокаскадной промывки с ≥ 2 каскадами промывных операций, восполнение потерь объема электролита (раствора) процессной ванны промывной водой, содержащей основной отмываемый компонент применяемого электролита (раствора) и подаваемой непосредственно или после очистки, и(или) сконденсированными испарениями процессной ванны, используемыми также и при проведении операций промывки, согласно изобретению первый из каскадов операций промывки выполняют струйным методом и осуществляют непосредственно в процессной ванне, при выгрузке из нее подвески с деталями с помощью расположенных в верхней части процессной ванны распределительных коллекторов с элементами формирования струй, в которые с помощью локальной напорной системы подают воду, используемую для восполнения потерь объема электролита (раствора) процессной ванны, а(или) от магистрального трубопровода - воду, используемую для приготовления электролита (раствора) процессной ванны и операций промывки.

При этом расход моющей жидкости в процессе струйной промывки деталей при их выгрузке из процессной ванны определяют из соотношения:

где Qстрi

- расход моющей жидкости (промывной воды) в i-й операции струйной промывки (ОСП), i = 1,2, ...;
Q↑часи,в - часовые потери объема электролита (раствора) в процессной ванне при ее выходе на температурный режим, обусловленные испарением и уносом в бортовые отсосы;
nчас,maxтех - максимально возможное по технологии количество операций основной гальванохимической обработки деталей в 1 ч, реализуемых в процессной ванне,

где tminтех - минимально возможная по технологии длительность операции основной гальванохимической обработки деталей в процессной ванне, мин;
Δtminзагр - минимально возможное по технологии время между двумя загрузками деталей в процессную ванну, мин;
Q↑,удs - величина удельного выноса электролита (раствора) единицей площади обработанных деталей при их выгрузке из процессной ванны;
Smax,1тех - максимально возможная по технологии площадь поверхности деталей, загружаемых в процессную ванну, при реализации одной операции основной гальванохимической обработки.

А по крайней мере при проведении операции струйной промывки в процессной ванне используют промывную воду, диспергированную сжатым воздухом (суть, водовоздушную смесь).

При этом по крайней мере в процессе проведения гальванохимической операции в процессной ванне осуществляют подачу сжатого воздуха в ее распределительные коллекторы с элементами формирования струй, величину расхода которого определяют из соотношения:
Qсж.в.,часВВС

≤ Qсж.в.,часРК ≤ Qв.часБО-Qи.часПВ.
где Qсж.в.,часРК - часовой расход сжатого воздуха, подаваемого в распределительные коллекторы с элементами формирования струй процессной ванны при проведении операции основной гальванохимической обработки;
Qсж.в.,часВВС - часовой расход сжатого воздуха, диспергируемого в промывную воду (для создания водовоздушной смеси) при проведении операции струйной промывки;
Qв,часБО - часовой объем воздуха, удаляемого из верхней части процессной ванны ее бортовыми отсосами;
Qи,часПВ - часовой объем испарений процессной ванны после ее вывода на заданный температурный режим и загрузки в нее деталей.

А по крайней мере при струйной промывке деталей, при их выгрузке из процессной ванны, осуществляют экранирование зоны верхнего обрамления последней от попадания брызг обрабатывающей среды вне ее габаритов.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что первый из каскадов промывки выполняют струйным методом и осуществляют непосредственно в процессной ванне, при выгрузке из нее подвески с деталями, а также различными видами и количеством моющей жидкости, используемыми в процессе промывки, расширенным количеством видов обрабатывающей среды в процессе струйной обработки и наличием дополнительных средств, уменьшающих вероятность попадания электролита (раствора) процессной ванны вне габаритов последней. Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения "новизна".

Известен способ обработки деталей [4], включающий последовательное выполнение операций струйной химической обработки и промывки в одной ванне, однако его использование ограничено видом обработки (только химическая - обезжиривание, травление), номенклатурой деталей - преимущественно простой конфигурации, значительным загрязнением промывной воды химическим раствором из-за совмещения операций и т.п.

Это позволяет сделать вывод о соответствии заявленного способа критерию "существенные отличия".

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена структурная схема установки для гальванохимической обработки деталей на подвесках, настроенная на конкретную операцию (электрохимическое обезжиривание, хромирование, никелирование и др.), требующую нагрева электролита (раствора) процессной ванны.

Установка для гальванохимической обработки деталей на подвесках содержит процессную ванну 1 для основной гальванохимической обработки с нагревателем ее обрабатывающей среды, переливным карманом, соединенным с соответствующим трубопроводом, электродами (в случае, если процесс обработки - электрохимический), бортовыми отсосами (на чертеже не обозначены), распределительными коллекторами (РК) 2 с элементами формирования струй ЭФС (на чертеже не показаны) и элементами (на чертеже не обозначены) для экранирования зоны верхнего обрамления ванны 1 от попадания брызг электролита (раствора) вне ее габаритов, систему 3 двухкаскадной промывки, реализованной в данном случае в виде ванны 4 струйной промывки с распределительными коллекторами (РК) 5 с элементами формирования струй (ЭФС) промывной воды (на чертеже не показаны), элементами 6, 7 для экранирования от брызг моющей жидкости зоны верхнего обрамления ванны 4 и сливным трубопроводом 8 и ванны 9 промывки погружением с барботером (на чертеже не обозначен), распределительными коллекторами (РК) 10 с элементами формирования струй (ЭФС) сжатого воздуха (на чертеже не показаны), элементами для экранирования от брызг водовоздушной смеси зоны верхнего обрамления ванны 9 и переливным карманом (на чертеже не обозначены), соединенным с трубопроводом 11, сборник-накопитель 12 промывной воды с переливным карманом 13, оснащенный насосом 14 и исполнительными механизмами (ИМ) 15, 16 соответственно для подачи промывной воды в распределительные коллекторы (РК) 2 процессной ванны 1 и на локальную систему их очистки (ЛС ОПВ), не показанную на чертеже, устройство 17 для конденсации и очистки испарений процессной ванны 1, соединенное через систему трубопроводов (на чертеже не обозначена) и вентилятор (на чертеже не показан) с бортовыми отсосами ванны 1, магистральный трубопровод 18 для подачи промывной воды и магистральный трубопровод 19 для подачи сжатого воздуха.

При этом к трубопроводу 18 подключены ИМ 20, 21, 22 для подачи воды в РК 2 ванны 1, РК 5 ванны 4 и в ванну 9 соответственно.

А к трубопроводу 19 подключены ИМ 23 и ИМ 24, 25 для подачи сжатого воздуха в РК ванны 1 и РК 10, барботер ванны 9 соответственно.

Выход ЛС ОПВ соединен со входом ИМ 26, выход которого соединен с РК 5 ванны 4, для подачи в последние очищенной от сопутствующих продуктов обработки (СПО) промывной воды.

А первый и второй выходы устройства 17 соединены трубопроводами со сборником-улавливателем 12 и ванной 9 соответственно.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии, на начальном этапе работы установки, в процессе нагрева электролита (раствора) ванны 1 в последней отсутствует подвеска с обрабатываемыми деталями (на чертеже не показаны).

ИМ 15, 16, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26 находятся в выключенном (нормально-закрытом) состоянии. Насос 14 находится в выключенном состоянии, а в сборнике-улавливателе 12 отсутствует промывная вода.

При этом промывная вода не поступает в РК 2 ванны 1, РК 5 ванны 4 и в ванну 9, а сжатый воздух не поступает в РК 2 ванны 1, в РК 10 и барботер ванны 9.

Устройство 17 и вентилятор находятся во включенном состоянии.

Поэтому образующиеся в процессе нагрева электролита (в данном случае) ванны 1 испарения улавливаются ее бортовыми отсосами и по соответствующим трубопроводам поступают в устройство 17, где происходит их разделение на жидкую и газообразную фракции.

При этом одна часть (наиболее "загрязненная" основным отмываемым компонентом) поступает в сборник-улавливатель 12, наиболее чистая - суть конденсат поступает в ванну 9, из которой ее излишки могут поступать по трубопроводу 11 в сборник-улавливатель 12.

А очищенный воздух удаляется за пределы цеха или может использоваться повторно, например, для целей барботирования электролита ванны 1 или организации метода "передувки" в случае большой ширины (1,5-2м) ванны 1.

После загрузки подвески с деталями в ванну 1 производится процесс их электрохимической (в данном случае) обработки путем подключения выходов источника питания к электродам ванны 1.

Далее производят включение ИМ 23, осуществляя тем самым подачу сжатого воздуха в РК 2 ванны 1 для создания комфортных условий последним и воздушной завесы образующимся испарениям (в том числе и в процессе электрохимической обработки) и эффективной их локализации бортовыми отсосами.

При этом расход сжатого воздуха определяют из соотношения:
Qсж.в.,часВВС

≤ Qсж.в.,часРК ≤ Qв.часБО-Qч.часПВ.
После окончания обработки деталей в ванне 1 производят:
- отключение (например) ИМ 23;
- включение ИМ 20;
- выгрузку деталей из ванны 1.

При этом поверхность выгружаемых из ванны 1 подвески с деталями подвергается струйной промывке, обеспечивая тем самым смыв основной (до 60 - 80%) части электролита непосредственно в ванну 1. А образующиеся в этом случае брызги разбавленного водой электролита экранируются соответствующими элементами и вновь поступают в ванну 1.

Расход промывной воды, поступающий через открытый ИМ 20 в РК 2 с ЭФС ванны 1, определяют из соотношения:

При необходимости расход промывной воды может быть согласован (уменьшен) за счет диспергирования моющей жидкости сжатым воздухом путем включения (на время промывки) ИМ 23.

После выхода подвески с деталями из зоны струйной промывки ванны 1 производят отключение ИМ 20 (ИМ 23) и перемещение деталей в ванну 4, при выгрузке из которой они подвергаются уже более интенсивной струйной промывке, путем включения (на время операции) ИМ 21.

При этом производится смыв с поверхности деталей 95-98% оставшейся части электролита на поверхности последних, а образующиеся в ОСП сточные воды поступают в сборник-улавливатель 12, из которого они могут направляться:
- на ЛС ОПВ через открываемый на время слива ИМ 16 и переливной карман 13;
- для реализации следующего ОСП в ванне 1 через открываемый на время операции струйной промывки ИМ 15 и включенный насос 14.

Очищенная от ОСП промывная вода, содержащая основной отмываемый компонент электролита (раствора) ванны 1 в концентрации, допускающей использование для целей промывки, может быть направлена в РК 5 с ЭФС ванны 4 (через открываемый на время промывки ИМ 26) или непосредственно в сборник-улавливатель 12.

После окончания ОСП деталей в ванне 4 они поступают в ванну 9 для проведения операции промывки погружением для смыва оставшейся части (2 - 5%) электролита ванны 1, для чего производят активное перемешивание промывной воды ванны 9 за счет подачи сжатого воздуха в ее барботер путем открывания на время промывки ИМ 24.

После окончания операции промывки погружением (ОПП) в ванне 9 детали подвергаются выгрузке, в процессе осуществления которой может производиться и удаление остатков промывной воды с их поверхности (с целью снижения возможного разбавления электролита последующей ванны обработки) за счет подачи сжатого воздуха в РК 10 с ЭФС ванны 9 путем открывания (на время выгрузки деталей из ванны 9) ИМ 25.

В случае понижения уровня воды в ванне 9 или возможного увеличения концентрации основного отмываемого компонента в ее промывной воде сверх установленного по технологии значения подачу или смену воды осуществляют за счет чистой (например, дистиллированной, деионизованной) воды путем открывания ИМ 22.

При этом избыток промывной воды через переливной карман и трубопровод 11, поступает в сборник-улавливатель 12 для последующего использования вышеописанным образом.

После окончания выгрузки деталей из ванны 9 и их перемещения к последующей, по технологии, ванне обработки, установка готова для проведения нового процесса гальванохимической обработки.

Таким образом, предлагаемый способ по сравнению с известным решением, выбранным в качестве прототипа, позволяет при том же количестве каскадов промывки (три):
- существенно (до 25- 40%) сократить длину линий (установок) гальванохимической обработки. При этом, например, второй и третий каскады промывки могут, при необходимости, быть реализованы и в одной промывной ванне в виде комбинированной промывки - погружным и струйным методами;
- значительно (до 60-80%) снизить загрязнение воздуха гальванического цеха вредными и зачастую токсичными испарениями горячего электролита (раствора) на поверхности деталей при их перемещении от процессной ванны до ванны промывки;
- существенно (до 30-40%) уменьшить вероятность непроизводительного расхода промывной воды или получения некачественной промывки при значительных изменениях длительности промежутков времени, через которые детали поступают на обработку и на начальном этапе процесса гальванохимической обработки;
- снизить вероятность возможной кристаллизации горячего электролита на поверхности деталей, при их перемещении от процессной ванны до ванны промывки.

Экспериментальная проверка предлагаемого способа в производственных условиях участка фосфатирования на ПО "Старт" (г. Заречный, Пензенская обл.) при струйной промывке изделий из черных металлов на подвеске в процессе их выгрузки из ванны фосфатирования (t_ср.= 95^oC) показала, что в процессе струйной промывки смывается порядка 70% электролита, выносимого деталями из ванны (измерялось по изменению концентрации основного отмываемого компонента - Zn²⁺ в ванне промывки без и с использованием струйной промывки), при этом расход промывной воды составил 5,1 л на подвеску (Smax,1тех

≈ 1 м²), при времени струйной промывки, равном 5 с и количестве испаряющегося и удаляемого бортовыми отсосами ванны раствора, равном ~15 л в 1 ч, что доказывает (при производительности установки 2-3 подвески в 1 ч) возможность реализации бессточного процесса гальванохимической обработки (фосфатирования в данном случае) и эффективность предлагаемого способа. При этом улучшилось качество получаемой фосфатной пленки (отсутствует грязный налет солей) и снизился вынос раствора деталями.

Реализация предлагаемого способа довольно проста и не встречает принципиальных затруднений.

Так, например, размещаемые в верхней части процессной ванны распределительные коллекторы с элементами формирования струй могут быть изготовлены из термокоррозионно-стойкого материала, например полиэтилена, полипропилена, фторопласта и др.

Источники информации
1. УДК 620.197: 543.3: 006.354 ГОСТ 9.314-90. Вода для гальванического производства и схемы промывок. М.: изд-во стандартов, 1991 г., с. 9, черт. 2 (продолжение).

2. УДК [621.357.7:658.52.011.56.012.3] (035). Гибкие автоматизированные гальванические линии: Справочник /Под общ.ред. В.Л.Зубченко. - М.: Машиностроение, 1989 г., с.358, 359, рис.9, 10.

3. Мареичев А.В. Гальванотехника и обработка поверхности. - 1993. - 2, N 5. - с. 54 - 58, рис. 2 - прототип.

4. Патент N 2043427 РФ. Способ А.Н.Алексеева химической обработки поверхности деталей. А.Н.Алексеев. М. Кл. C 23 F 1/00// C 25 D 21/08, 1991 г.

Основную гальванохимическую обработку проводят погружным методом в процессной ванне. Первый из каскадов промывки осуществляют струйным методом непосредственно в процессной ванне при выгрузке из нее подвески с деталями посредством расположенных в верхней части процессной ванны распределительных коллекторов с элементами формирования струй. Для промывки используют промывную воду, содержащую основной отмываемый компонент применяемого электролита, подаваемый непосредственно или после очистки, и/или сконденсированные испарения процессной ванны, и/или воду от магистрального трубопровода. Расход моющей жидкости для струйной промывки определяют расчетным путем. Применение способа сокращает количество каскадов операций промывки. При этом снижается вынос деталями электролита из процессной ванны и расход промывной воды. 3 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ гальванохимической обработки деталей, в частности, на подвесках, при использовании нагреваемых электролитов (растворов) процессных ванн, включающий последовательное, согласно ходу технологического процесса, выполнение операций основной гальванохимической обработки погружным методом в процессной ванне и многокаскадной промывки с двумя и более каскадами промывных операций, восполнение потерь объема электролита (раствора) процессной ванны промывной водой, содержащей основной отмываемый компонент применяемого электролита (раствора) и подаваемой непосредственно или после очистки, и/или сконденсированными испарениями процессной ванны, используемые также и при проведении операций промывки, отличающийся тем, что первый из каскадов операций промывки выполняют струйным методом и осуществляют непосредственно в процессной ванне при выгрузке из нее подвески с деталями с помощью расположенных в верхней части процессной ванны распределительных коллекторов с элементами формирования струй, в которые с помощью локальной напорной системы подают воду, используемую для восполнения потерь объема электролита (раствора) процессной ванны, и/или от магистрального трубопровода - воду, используемую для приготовления электролита (раствора) процессной ванны и операций промывки, причем расход моющей жидкости в процессе струйной промывки деталей при их выгрузке из процессной ванны, определяют из соотношения

где Qстрi

- расход моющей жидкости (промывной воды) в i-й операции струйной промывки (ОСП), i = 1,2,...;
Q↑часи,в - часовые потери объема электролита (раствора) в процессной ванне, при ее выходе на температурный режим, обусловленные испарением и уносом в бортовые отсосы;
nчас,maxтех - максимально возможное по технологии количество операций основной гальванохимической обработки деталей в час, реализуемых в процессной ванне

tminтех - минимально возможная по технологии длительность операций основной гальванохимической обработки деталей в процессной ванне (мин);
Δtminзагр - минимальное возможное по технологии время между двумя загрузками деталей в процессную ванну (мин);
Q↑,удs - величина удельного выноса электролита (раствора) единицей площади обработанных деталей при их выгрузке из процессной ванны;
Smax,1тех - максимально возможная по технологии площадь поверхности деталей, загружаемых в процессную ванну, при реализации одной операции основной гальванохимической обработки. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что, по крайней мере, при проведении операции струйной промывки в процессной ванне используют промывную воду, диспергированную сжатым воздухом. 3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что по крайней мере, в процессе проведения гальванохимической операции в процессной ванне осуществляют подачу сжатого воздуха и ее распределительные коллекторы с элементами формирования струй, величину расхода которого определяют из соотношения
Qсж.в.,часВВС ≤ Qсж.в.,часРК ≤ Qв.часБО-Qч.часПВ.
где Qсж.в.,часРК - часовой расход сжатого воздуха, подаваемого в распределительные коллекторы с элементами формирования струй процессной ванны при проведении операции гальванохимической обработки;
Qсж.в.,часВВС - часовой расход сжатого воздуха, диспергируемого в промывную воду (для создания водовоздушной смеси) при проведении операции струйной промывки;
Qв.часБО - часовой объем воздуха, удаляемого из верхней части процессной ванны ее бортовыми отсосами;
Qч.часПВ - часовой объем испарений процессной ванны после ее вывода на заданный температурный режим и загрузки в нее деталей. 4. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что по крайней мере, при струйной промывке деталей, при их выгрузке из процессной ванны осуществляют экранирование зоны верхнего обрамления последней от попадания брызг обрабатывающей среды вне ее габаритов.