Восстановление деталей электролитическими и химическими

Покрытиями

Гальванические и химические покрытия применяют в ремонтном производ­стве для восстановления деталей, а также для нанесения на детали защитно-декоративных покрытий.

Формообразование материала путем отделения металла из растворов под действием электрического тока называется гальванопластикой, а под действием восстановительных реакций - химическим осаждением.

В ремонтном производстве находит применение восстановление дета­лей гальваническими и химическими покрытиями. Электролитические по­крытия широко применяются при восстановлении деталей при небольших величинах износа и при больших программах ремонта. При гальванических покрытиях не происходит значительного нагрева деталей, структура и свой­ства материала детали не изменяются. Гальванические и химические покры­тия обеспечивают высокие показатели износостойкости, твердости.

Гальванические покрытия получают путем осаждения металла из водных растворов солей под действием электрического тока напряжением 6 ... 24 В. Химические покрытия образуются в результате взаимодействия поверхности де­тали с раствором солей металлов в присутствии химических восстановителей. Восстановителями могут быть соли щелочных металлов и ангидриды.

При электролизе используются постоянный, пульсирующий (однополупериодного выпрямления), переменный - асимметричный (с соотношением ампли­туд положительной и отрицательной полуволн 5 ... 15) и ток переменной поляр­ности, позволяющий изменять амплитуды и периоды времени действия тока.

Ток поступает в электролит от источника через проводники, называе­мые электродами. Электрод, присоединенный к отрицательному полюсу, на­зывается катодом, а к положительному - анодом.

При прохождении тока че­рез электролит происходит движение ионов в определенном направлении: отрицательно заряженные ионы, называемые анионами, движутся к аноду, а положительно заряженные ионы - катионы - к катоду. На электродах проис­ходит соприкосновение положительного и отрицательного зарядов, сопрово­ждающихся разрядом. При этом ионы теряют свой заряд электричества и вы­деляются на электродах в виде нейтральных атомов.

При многих гальванических процессах катодом служит восстанавливаемая деталь, а анодом - пластины, изготовленные из металла, который осаждается на детали, т.е. анод растворяется и в процессе электролиза происходит переход ато­мов металла анода в раствор в виде катионов. Электроли­тами служат растворы солей, содержащие ионы металла, который подлежит оса­ждению на детали.

Процесс электролитического осаждения металла основан на законах элек­тролиза. Количество осажденного металла определяется по формуле:

где с - электрохимический эквивалент, г (А-ч); I - сила тока A; t - время электролиза, ч.

Отношение действительного веса осад­ка к теоретической, и выраженное в процентах, называют выходом по току

где G_д, - действительная масса осадка.

Отношение силы тока к поверхности катода, выраженной в дм², называется катодной плотностью D_к, А/дм².

Исходя из параметров процесса, толщина покрытия при равномерном осаж­дении металла может быть определена по формуле:

где γ - плотность осаждаемого металла, г/см³.

Используя эту зависимость, при заданной толщине покрытия можно опре­делить время осаждения.

Процесс электролитического осаждения металлов складывается из трех ста­дий:

•первая - перенос ионов из глубины раствора к границе прикатодного слоя и далее к поверхности электрода за счет диффузии, конвенции и миграции;

•вторая - электрохимические реакции, когда ионы теряют гидратные обо­лочки и изменяют свой заряд;

•третья - образование нового вещества, представляющего собой конечный продукт процесса (восстановления или окисления).

Образование покрытия на катоде происходит в результате электрокрис­таллизации, которая состоит из двух одновременных процессов - образования кристаллических зародышей и их роста.

Для деталей, работающих при знакопеременных нагрузках, большое значе­ние имеют прочность сцепления и возникающие в покрытиях внутренние растя­гивающие напряжения.

Увеличение плотности тока способствует формированию мелкозернистых покрытий. Однако повышать плотность тока можно до определенного предела, а далее наступает быстрое обеднение прикатодного слоя ионами металла, что при­водит к образованию рыхлых осадков.

Увеличение температуры электролита снижает катодную поляризацию и тем самым способствует образованию осадков с крупнозернистой структурой. Скорость электролита при этом увеличивается.

Перемешивание электролита увеличивает скорость диффузии ионов, созда­вая условия для получения высококачественных покрытий при повышенной плотности тока и пониженной температуре раствора.

Осаждение гальванических и химических покрытий на детали производится путем погружения их в ванны с электролитом или без ванн (рис. 556).

Рисунок 556. Схемы осаждения металлов

а - в ванне; б - деталь - ванна; в - проточный, струйным методом; г - электролитическим натиранием

При безванновом способе электролиты могут подводиться к изношенным поверхностям различными приемами: заливкой электролита в саму деталь (цилиндр, отверстие); путем принудительной подачи электролита в виде сплошного потока или струя­ми, путем подачи и пропитки электролитом тампонов, которые перемещаются по изнашиваемой поверхности.

Для интенсификации процесса осаждения в ваннах применяют принуди­тельное перемешивание электролита электромешалками, воздухом и ультразву­ком. Это позволяет выравнивать концентрацию раствора и применять повышен­ные плотности тока и скорости осаждения покрытий без снижения основных свойств осадков.

9.1. Технологический процесс нанесения гальванических покрытий

На детали

Процесс нанесения электролитических покрытий состоит из следующих ос­новных операций: предварительная механическая обработка, очистка деталей от окислов и предварительное обезжиривание; монтаж деталей на подвеску; изо­ляция поверхностей, не подлежащих покрытию, окончательное обезжирива­ние деталей, анодная обработка (декапирование); нанесение покрытия, ней­трализация остатков электролита на деталях, промывка деталей в холодной и горячей воде, демонтаж деталей с подвески и удаление изоляции, сушка дета­лей, термическая обработка (при необходимости), механическая обработка.

Предварительная механическая обработка выполняется с целью придания восстанавливаемой поверхности правильной геометрической формы путем шли­фования.

Очистку деталей от окислов выполняют шлифовальной шкуркой с предва­рительным обезжириванием (промывкой) в растворителях (уайт-спирит, бензин).

Изоляцию мест, не подлежащих покрытию, осуществляют резиновым клеем, цепон-лаком (целлулоид, растворенный в ацетоне) и др. Отверстия на пове С" ности должны закрываться свинцовыми пробками.

Монтаж деталей на подвеску должен обеспечить надежный контакт с токопроводящей штангой и равные расстояния между отдельными участками поверхности и анодами.

Окончательное обезжиривание служит для обеспечения прочного сцепления осадка с деталью. Для обезжиривания используют промывку деталей бензином, химическое обезжиривание в растворе щелочи, электролитическое обезжиривание, промывку венской известью. Электролитическое обезжиривание прово­дят в 10 %-ном растворе NaOH с добавлением 2 ... 3 г жидкого стекла при темпе­ратуре 80°С плотности тока D_к = 3 ... 10 А/дм².

Деталь является катодом, а ано­дом - железная пластина. При электролизе на поверхности детали выделяется во­дород, который механически срывает жировую пленку. Для устранения наводораживания в конце процесса обезжиривания изменяют полярность детали на об­ратную в течение 0,2 ... 0,3 мин.

После обезжиривания детали промывают в горячей, а затем в холодной воде.

Анодную обработку (декапирование) выполняют для удаления тонких окисных пленок с поверхности детали для обеспечения прочного сцепления по­крытия с основой.

Декапирование может быть также и химическим. При химиче­ском декапировании детали погружают в слабый (5 %-ный) раствор серной ки­слоты на 1 ... 2 мин. При анодном декапировании деталь выдерживают в ванне 5 ... 8 мин. без тока, затем переключают ток, чтобы деталь стала анодом, на 30 ... 50 с при плотности тока 20 ... 25 А/дм².

При железнении травление производят в основной ванне в течение 2 ... 5 мин при t = 70 ... 80°С и Dк = 40 ... 100 А/дм² и промывке в последующем в хо­лодной воде.

Последующую анодную обработку производят в 30 %-ном растворе H₂S0₄. Деталь завешивают на анод и в течение 20 ... 30 с пропускают ток Dк = 60 ... 80 А/дм² и t = 18 ... 25°С. Катодом служат свинцовые пластины. На аноде бурно вы­деляется кислород, который очищает поверхность детали от травильного шлама. После анодной обработки детали промывают в холодной, а затем в подогретой до 45 ... 50°С воде и переносят в ванну железнения, где выдерживают без тока в те­чение 10 ... 20 с для разрушения пассивной пленки.

Процесс нанесения покрытия ведется в ванне определенного состава при соответствующем режиме. Железнение начинают при Dк= 3 ... 5 А/дм², а затем в течение 5 ... 20 мин плотность доводят до заданного значения.

После нанесения покрытия детали промывают в горячей воде, демонтируют детали с подвесок и в последующем подвергают механической обработки путем шлифования.

Хромирование

В отличие от других электролитических процессов, где в качестве электро­литов используются водные растворы солей, при хромировании используется хромовая кислота - водный раствор хромового ангидрида (Сг0₃). В качестве ано­дов используются свинцовые пластины, т.е. аноды нерастворимы, что вызывает необходимость корректировки ванны.

Кроме хромового ангидрида СrО₃ в раствор добавляют чистую серную ки­слоту в отношении 100:1 с целью улучшения рассеивающей способности элек­тролита и повышения выхода по току. Количество хромового ангидрида в раз­личных электролитах может колебаться от 100 до 400 г/л.

В ремонтном производстве наибольшее распространение получили три со­става электролита: малоконцентрированный электролит, состоящий из 150 г/л –СrО₃, 1,5 г/л - H₂S0₄, работает при режиме Dк = 80 ... 100 А/дм² и t = 50 ... 65°С; универсальный, состоящий из 200 ... 250 г/л - Сr0₃, 2 ... 2,5 г/л - H₂S0₄, рабо­тающий при Dк = 20 ... 60 А/дм² и t = 45 ... 55°С; концентрированный, состоящий из 300 ... 350 г/л – СrО₃, 3,0 ... 3,5 г/л - H₂S0₄, работающий при Dк = 15 ... 30 A/дм² и t = 40...50°C.

Электролиты низкой концентрации имеют более высокий выход по току, хоро­шую рассеивающую способность и дают возможность получать более твердые и из­носостойкие покрытия, но требуют более частой корректировки состава. Применяют для восстановления деталей с повышенной износостойкостью.

Универсальные электролиты применяют для получения износостойких и твердых покрытий и для получения декоративных покрытий.

Электролиты с высокой концентрацией Сг0₃ более устойчивы в работе, т.к. не требуют частой корректировки. Применяются для получения защитно-декоративных покрытий.

Свойства хромовых покрытий зависят от режима хромирования - плот­ности тока Dк и температуры электролита t. Изменяя соотношение плотности тока и температуры, можно получать различные виды осадков, отличающиеся своими свойствами (рис. 56).

Из рисунка видно, что при одном составе электролита можно получать раз­личные виды покрытий - блестящие, молочные и матовые.

Рисунок 56 - Распределение видов хромовых покрытий в зависимости от пара­метров процесса (электролит средней концентрации)

Блестящие осадки отличаются высокой твердостью (6000 ... 9000 МН/м²), повышенной износостойкостью и хрупкостью. Они рекомендуются для восста­новления деталей, работающих на износ при малых удельных давлениях.

Молочные осадки обладают высокой износостойкостью и повышенной вяз­костью при твердости 4000 ... 6000 МН/м² и рекомендуются для восстановления деталей, работающих при высоких удельных давлениях и знакопеременных на­грузках.

Матовые осадки хрома некачественные. Они обладают высокой твердостью (9000 ... 12000 МН/м²), повышенной хрупкостью и пониженной износостойко­стью.

Увеличение температуры электролита способствует снижению хрупкости осадков и увеличению межкристаллических связей в осадках хрома.

С увеличением плотности тока увеличивается выход по току. Однако уве­личение плотности более 60 А/дм² увеличивает хрупкость, снижает твердость, из­носостойкость и сцепление с основой.

Твердость хромовых покрытий увеличивается с понижением температуры электролита и повышением плотности тока. Это можно объяснить тем, что с по­вышением плотности тока и понижением температуры электролита растет напря­жение на электродах, что обеспечивает более высокую кинетическую энергию ионов, приводящую к деформации кристаллической решетки осадка, увеличению внутренних напряжений и, следовательно, к повышению твердости. Твердость осадка увеличивается также и за счет внедрения в кристаллическую решетку во­дорода.

Внутренние напряжения в покрытии носят растягивающий характер и могут вызывать трещины в нанесенном слое. Для снятия внутренних напряжений и снижения хрупкости восстановленные детали нагревают в печи или в масле до температуры 180 ... 200°С и выдерживают в течение 2 ... 3 часов. Толщина осадков хрома может быть получена до 0,3 мм на сторону. Более толстые осадки получать не рекомендуется из-за малого КПД ванны, равного 13 ÷ 18 % (выход по току) и высокой стоимости.

Электролитический хром плохо удерживает смазку, поэтому помимо глад­ких осадков можно получать пористые.

Пористые осадки целесообразно применять для деталей, работающих в условиях граничного трения (поршневые пальцы, гильзы цилиндров). Поры удерживают смазку и тем самым повышают износостойкость. Пористый хром можно получать путем анодного травления в тех же электролитах.

Канальчатый хром получают анодным травлением молочно-блестящих осадков, а точечный - блестящих. Точечный хром применяют для деталей, тре­бующих в процессе работы хорошей приработки. Анодное травление проводят по режимам: t = 50 ... 55°С; Dк = 24 ... 45 А/дм². Длительность анодного травления колеблется в пределах 6 ... 10 мин, т.к. увеличение времени обработки уменьшает толщину покрытия.

С целью повышения производительности процесса и снижения частоты корректировки в состав электролита вводят сернокислый стронций SrS0₄ в количестве 5 ... 6 г/л, кремнефтористый калий KrSiF₆ в количестве 18 ... 20 г/л, в пределах, превышающих их растворимость. Тогда электролит получается са­морегулирующимся, т.к. автоматически поддерживается постоянство концентрации ионов S0₄ и SiF₆. Процесс протекает при t = 50 ... 70°С и Dк = 400 ... 100 А/дм².

Для повышения интенсивности процесса хромирования, повышения произ­водительности и качества осадков применяют хромирование в тетрохроматном электролите, когда в состав электролита вводят едкий натрий NaOH 40 ... 60 г/л и сахар - 1 ... 3 г/л, в результате чего образуется тетрохромат натрия. Выход по то­ку увеличивается до 30 %.

Применяется также хромирование в проточных электролитах и его разновидность - в струйных электролитах, позволяющее увеличить выход по току до 22 %; используется для восстановления внутренних поверхностей.

Для восстановления (преимущественно) деталей из алюминиевых сплавов
применяется хромирование в ультразвуковом поле с частотой 20 ... 30 кГц. Ульт­развук используется для снятия окисных пленок и способствует повысить плот­ность тока до 180 А/дм². '