Новые разработки в области хромирования

В настоящее время все большую роль в гальванотехнике играют композиционные электрохимические покрытия.

Метод получения этих покрытий заключается в том, что вместе с металлом из гальванической ванны на детали соосаждаются неметаллические частицы: карбиды, бориды, оксиды, порошки полимеров и т.д.

Включение дисперсных материалов в металлическую матрицу существенно изменяет потребительские свойства покрытий.

Покрытия получаются компактные практически беспористые, стойкие к действию кислот.

На основании вышеизложенного для нанесения покрытий будем использовать гальванический способ нанесения хрома с добавками мелкодисперсного углерода.

Хром – алмазное хромирование. В основу этой технологии положен способ, сущность которого заключается в добавлении в электролит кол-лоидных частиц кластерного (ультрадисперсного) наноалмаза [15]. Кластер-ные материалы (наноалмазы) существенно меняют процесс гальванического осаждения металлов, что, в свою очередь, изменяет структуру износостойкого покрытия. Вследствие этого качественно улучшается адгезия хрома и достигается полное копирование микрорельефа покрываемой поверхности, что значительно увеличивает предельные напряжения сдвигового и нормального отрыва гальванического покрытия от основы.

Используемые наноалмазы представляют собой частицы, близкие по форме к сферическим или овальным, не имеющим острых кромок. Наноалмазы вообще не имеют четко очерченных граней и представляют собой сочетание одного из самых инертных и твердых веществ в природе - алмаза (ядро частицы НА) с достаточно химически активной оболочкой в виде различных функциональных групп, способных участвовать в различных химических реакциях, что приводит к появлению уникальных свойств у стандартных гальванических покрытий. В зависимости от состава электро-лита, выбранных подслоев и режимов нанесения возможно получение покрытий с различными заданными свойствами.

Такое защитное покрытие обладает высокой микротвёрдостью, высокой теплопроводностью, улучшается его микроструктура (рис. 3.3.-3.4), хроми-рованное оборудование и материалы выдерживают повышенные динами-ческие нагрузки при эксплуатации и отличаются высокой коррозионной стойкостью [15]. Ресурс такого гальванического покрытия увеличивается в 2,5-10 раз по сравнению с обычным твёрдым хромированием в зависимости от области использования изделия.

Параметры хром-алмазного покрытия [17].

- Микротвёрдость: до 1400 HV;

- Коэффициент сухого трения: до 0,09;

- Повышение коррозионной стойкости: в 2-2,5 раза (по сравнению с обычным хромированием);

- Увеличение износостойкости: в 2,5-5,7 раза (по сравнению с обычным твёрдым хромированием);

- Температура работы, не более: 1100 °С;

- Толщина покрытия: 0,5 - 500 мкм;

- Разовая загрузка: до 40 дм²;

- Максимальные размеры детали: 500×500×700 мм.

Сцепление с материалом поверхности на уровне прочности базового металла.

Нанесение осуществляется на любые углеродистые, инструментальные, штамповые стали, чугун, медь, латунь.

Области применения хром-алмазного хромирования

В настоящее время освоены технологические процессы нанесения хром- алмазного покрытия на следующие группы деталей:

Элементы бурового оборудования, в частности, детали, работающие под нагрузкой и требующие высокой износостойкости и коррозионной стойкости: сёдла клапанов нефтяных насосов; роторы винтовых насосов; корпуса буровых долот; штоки гидроцилиндров; внутренние поверхности цилиндров; детали узлов трения машин и механизмов, станков-экструдеров, детали волочильного оборудования, пресс-формы, матрицы, пуансоны, свёрла, развёрстки, метчики, резцы, металлорежущие фрезы, надфили, напильники, ножи и прочие инструменты и детали, требующие высокой износостойкости.

Пористое хромирование.Для улучшения работы трущихся деталей они подвергаются так называемому пористому хромированию. Износ трущейся поверхности зависит, как от твёрдости и чистоты её, так и от способности удерживать смазочные вещества, т.е. обладать свойством хорошей смачиваемости жидкостями. Пористые покрытия положительно сказываются на уменьшении износа деталей при трении, так как пористая поверхность хорошо удерживает смазку и легко прирабатывается.

Так, например, при использовании пористых поршневых колец в цилиндрах автомобильного двигателя уменьшается износ цилиндров в несколько раз по сравнению с обычными поршневыми кольцами.

Различают два вида пористости хромового покрытия:

- канальчатая - представляющая собой сетку, составленную из множества пересекающихся каналов различной ширины и глубины;

- точечная пористость - это поверхность с множеством выступов и углублений.

Пористость покрытий может быть получена механическим и электрохимическим путём. Наиболее широкое применение получил электрохимический способ благодаря возможности регулирования степени пористости, простоте и доступности. Для нормирования количества пор при дальнейшем растравливании используют осаждение хромовых покрытий с добавками кварцевого песка или др. компонентов.

Сущность способа растравливания заключается в анодной обработке деталей после хромирования в хромовом электролите. Анодное растравливание выявляет сетки трещин, характер которой определяется в основном режимом хромирования, т.е. плотностью тока, температурой и продолжительностью, а также наличием инородных включений.

Электролитический способ получения пористого покрытия состоит из двух основных операций:

1. электролитическое осаждение хрома;

2. анодное растравливание осадка с целью получения пористого осадка.

Пористость канального типа получается при плотности тока 60 А/дм² и температуре 60-65 °С. Для получения пористости точечного типа ведут процесс при плотности тока 50 А/дм² и температуре 50 °С. Основное влияние на пористость покрытия оказывает температура. Анодное растравливание покрытия производится в электролите содержащим 220-250 г/л хромового ангидрида и 2 г/л H₂SO₄ 10-15 мин. Толщина хромового покрытия колеблется обычно в пределах 0,1-0,3 мм.

Беспористое двухслойное хромирование, как правило, получают комби-нированным, двухслойным. При этом на изделие последовательно наносят два слоя: вначале так называемый слой «молочного» хрома, а затем блестящий - твёрдый хром. Процесс «молочного» хромирования имеет низкую производительность, т.к. выход по току составляет всего 10 % . «Молочный» слой, являющийся надёжной защитой от коррозии, толщиной 10-20 мкм получают при плотности тока 30-60 А/м² и температуре 68-72 °С. Второй слой, блестящий, осаждают при плотности тока 55 А/м², температуре 50 °С, толщина слоя составляет 20-30 мкм. Такое комбинированное покрытие позволяет одновременно защищать от коррозии и от механического износа, а также интенсифицировать процесс.

Из новых разработанных электролитов, содержащих диметилформамид или другие электроннодонорные апротонные растворители, можно получать блестящие хромовые покрытия в диапазоне плотностей тока 15-25 А/дм².

Декоративные блестящие покрытия можно осаждать из электролитов, содержащих трёхвалентный хром, на основе смеси воды и формамида с добавкой сульфосалициловой кислоты.

Новые альтернативные методы нанесения хромовых покрытий. Их можно разделить на две большие группы: методы химического и физического осаждения покрытий [16].

Физические методы: ионно-плазменное напыление, генерация потока осаждаемого вещества термическим испарением (газотермическое напыление), лазерное и электроискровое упрочнение.

Химические методы: эпиламирование

Газотермическое напыление включает электродуговую металлизацию, газопламенное напыление и плазменное напыление. Принцип прост: расплавленный электрической дугой или пламенем ацетиленовой горелки порошок или проволока распыляются по обрабатываемой поверхности. Обыкновенно, метод применяется для упрочнения и защиты деталей машин.

Лазерное и электроискровое упрочнение используется для нанесения покрытий на режущий инструмент и технологическую оснастку. Процесс основан на свойствах плазменных импульсных искровых разрядов между электродом и обрабатываемой поверхностью. Работа проводится в воздушной среде. Электрод периодически касается поверхности, перенося на нее металл.

Эпиламирование повышает износостойкость режущего инструмента, образуя на поверхности мономолекулярную пленку. Обрабатываемый предмет погружается в раствор (либо раствор наносится пульверизатором), содержащий активное вещество, которое абсорбируется на твердой поверхности. В результате, стойкость к износу инструмента или детали машины увеличивается от 2 до 5 раз. Круг материалов, которые можно обрабатывать эпиламами, очень широк: металлы, абразивы, узлы трения, полимеры, хрупкие неметаллические материалы и так далее. В настоящее время более 600 предприятий РФ применяет эпиламирование в производстве.

Финишное плазменное упрочнение (ФПУ) применяется для изготовления инструмента с особыми свойствами поверхности: стойкостью к износу, кор-розии, фреттинг-коррозии и высоким температурам, а также –антифрик-ционностью и антисхватыванием. На поверхности основы образуется диэлек-трическое пленочное покрытие, обладающее низким коэффициентом тепло-проводности, химически инертное, с низкой топографией поверхности. Плаз-менное упрочнение проводится при атмосферном давлении: между плаз-мотроном и изделием проходит разряд. К дуге подается аргон в качестве плазмообразующего газа, а материалом для покрытия, которое появляется в результате плазмохимических реакций, служит жидкий двухкомпонентный препарат СЕТОЛ. Преимуществом метода являются низкие температуры процесса: заготовка нагревается всего на 100-120 °С, что позволяет обрабатывать инструментальные стали с низкой температурой отпуска. А свойства покрытия из оксикарбонитрида кремния по микротвёрдости приближаются к алмазоподобным покрытиям, характеризуются высокой адгезионной прочностью и низким коэффициентом трения.