Введение к работе
Актуальность исследования. Гальванические покрытия имеют широкий спектр применения в технике. С их помощью защищают изделия от коррозии и осуществляют их защитно-декоративную отделку; повышают твердость поверхности деталей, увеличивая тем самым сопротивление механическому износу; восстанавливают форму изношенных деталей; придают поверхности изделий специфические свойства (антифрикционные, оптические, магнитные, жаростойкость и др.). Практически на всех приборо- и машиностроительных предприятиях имеются гальванические участки, где готовые детали проходят заключительную обработку. Большую роль играет получение гальванопокрытий с заданными характеристиками качества: равномерностью распределения по поверхности детали, микротвердостыо, пористостью, сцеплением покрытия с основой и некоторыми другими показателями. Помимо этого в рыночных условиях важную роль играет получение покрытий декоративного вида, который увеличивает конкурентную способность изделий.
Традиционные способы осаждения гальванопокрытий с использованием постоянного тока часто не позволяют достигнуть заданных значений критериев качества покрытий. Это приводит к негативным последствиям. Например, неравномерное распределение покрытия либо не позволяет достигнуть заданной минимальной толщины (что приводит к браку), либо ведет к перерасходу материала покрытия (цветных, драгоценных и редкоземельных металлов). Низкая микротвердость не позволяет покрытию эффективно осуществлять защиту изделия от механического износа. Некоторые металлы (Sn, Pb, Zn, Ag) не позволяют получать покрытия декоративного вида без присутствия в электролитах специальных химических добавок, которые дороги.
Одно из решений проблемы повышения качества гальванопокрытий - применение реверсивного тока. Экспериментальным путем доказано, что использование реверса тока позволяет получать беспористые блестящие металлические осадки с низкими внутренними напряжениями и повышенной коррозионной устойчивостью. Однако известные исследования в этой области не являются полными и законченными. Не изучены механизмы влияния реверса тока на качественные показатели гальванопокрытия. Отсутствуют экспериментальные исследования зависимости критериев качества от режимов реверсирования в широком диапазоне их изменения. Не известны оптимальные режимы реверсивного тока для проведения различных гальванотехнических процессов. Поэтому проведение исследований в области применения реверса тока
в гальванотехнике с целью улучшения качественных показателей гальванопокрытий и повышения производительности оборудования является актуальной проблемой, имеющей большое научное и практическое значение.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с научно-исследовательской программой ГКВШ "Разработка теории САПР гальванических роботизированных производств".
Целью работы является повышение качественных характеристик получаемых гальванопокрытий. Соответствующая указанной цели научная проблема - оптимизация режимов проведения гальванотехнических процессов нанесения металлических покрытий с использованием реверсивного тока.
Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие частные задачи: проведен анализ процесса нанесения гальванических покрытий с использованием реверсивного тока, определены основные критерии оценки качества металлических гальванопокрытий; поставлена задача оптимизации гальванотехнических процессов с реверсом тока с точки зрения критериев качества получаемых металлических покрытий; разработаны методики оптимизации гальванических процессов с реверсом тока с точки зрения критериев качества в случае наличия ограничений на эти критерии и в случае отсутствия информации об ограничениях и значимости критериев; проведено оптимальное планирование экспериментального исследования и проведена серия экспериментов по изучению влияния параметров реверсивного тока на равномерность распределения и микротвердость цинковых гальванопокрытий; аналитическим методом построена математическая модель, описывающая влияние параметров реверсивного тока на равномерность распределения гальванических покрытий; экспериментальным методом построена математическая модель, описывающая зависимость микротвердости цинковых гальванопокрытий, полученных в аммиакатном электролите, от параметров реверсивного тока; решена задача оптимизации режимов реверсирования тока с точки зрения критериев качества цинковых покрытий; произведено внедрение оптимальных режимов аммиакатного цинкования с точки зрения равномерности распределения получаемых покрытий.
Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе применялись методы планирования экспериментов, экспериментальные методы исследования физико-химических процессов, методы математического моделирования, численные методы решения дифференциальных уравнений, методы оптимизации.
Научная новизна. Поставлена задача оптимизации гальванотехнических процессов с реверсом тока с точки зрения равномерности распределения и микротвердости покрытий, а также производительности оборудования и предложены методики ее решения; аналитическим методом построена математическая модель, описывающая влияние параметров реверсивного тока на равномерность распределения гальванопокрытий при нелинейной поляризации, учитывающая особенности процесса при смене полярности электродов, геометрические особенности детали, а также ее расположение в электролизере; экспериментальным методом построена математическая модель, описывающая влияние параметров реверсивного тока на микротвердость цинковых гальванопокрытий, полученных из аммиакатного электролита; решены задачи оптимизации аммиакатного цинкования с реверсом тока с точки зрения критериев равномерности и микротвердости получаемых покрытий, а также производительности процесса, получены оптимальные режимы проведения электроосаждения цинковых покрытий; экспериментальным путем показана возможность получения цинковых гальванопокрытий декоративного вида (светлые и полублестящие) при проведении процесса с использованием реверсивного тока без использования в электролите специальных химических добавок и найдены режимы реверсирования, обеспечивающие наилучший блеск.
Практическая значимость. Получены и внедрены режимы проведения аммиакатного цинкования с использованием реверса тока, оптимальные с точки зрения равномерности распределения покрытия, его микротвердости и производительности процесса. Предложены режимы реверса тока для проведения аммиакатного цинкования, позволяющие получать светлые и блестящие цинковые покрытия без использования в электролите блескообразователей.
Реализация результатов работы. На предприятиях АО "Тамбовмаш" (г. Тамбов), АО "Завод "Комсомолец" (г. Тамбов), АО "НИИРТМАШ" (г. Тамбов) внедрены оптимальные режимы реверса тока, что дало экономию цинка 29 - 32 %.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных конференциях "Математические методы в химии и технологиях" (г. Тверь, 1995 г.; г. Новомосковск, 1997 г.; г. Владимир, 1998 г.), 1 Всероссийской научно-технической конференции "Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве" (г. Нижний Новгород, 1999 г.).
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано семь печатных работ в научных журналах и сборниках.
Объем работы. Диссертационная работа изложена на 167 страницах; она состоит из введения, пяти глав, выводов, списка используемой литературы, содержащего 92 наименования, и приложения.