Способы вневанного осаждения металлов
Нанесение электролитических (гальванических) покрытий основано на электролизе металлов. При прохождении электрического тока через электролит (раствор солей, кислот и щелочей) в нем образуются положительно заряженные ионы электролита (катионы) и отрицательно заряженные (анионы). Катионы металлов и водорода движутся к катоду и образуют на нем металлический осадок (отложение) или выделяются в виде газа. Металлический осадок называется электролитическим (гальваническим) покрытием. Анионы движутся к аноду и растворяют его, если анод растворим.
Количество осажденного вещества на катоде, согласно закону Фарадея, можно определить по формуле:
G=cIt,
где G — теоретически возможное количество осажденного металла, г; с — электрохимический эквивалент, г/А*ч; I — сила тока, A; t — продолжительность электролиза, ч.
В связи с тем, что на катоде, кроме металла, выделяется водород и протекают другие процессы, количество фактически осажденного металла меньше теоретически возможного. Отношение количества фактически осажденного металла к теоретически возможному называют выходом металла по току или к.п.д. процесса (ванны).
Толщину осажденного слоя металла определяют по формуле:
b = с*Dk*tn/100y
где Dk — плотность тока, А/дм2; n — выход металла по току; у — плотность осажденного металла, г/см3.
Рис. Схема электролитического осаждения металла: 1 — ванна; 2 — анодная штанга; 3 — подвеска для анодных пластин; 4 — катодная штанга; 5 — подвеска для детали; 6 — анод; 7 — деталь (катод).
При заданной толщине слоя металла по формуле можно определить продолжительность процесса.
Восстановление деталей электролитическими покрытиями имеет ряд преимуществ перед наплавкой: простота оборудования; в металле детали не происходят структурные изменения; возможность одновременно восстанавливать несколько деталей. Процесс позволяет восстанавливать детали с малыми износами и получать износостойкие покрытия. Недостаток процесса — большая трудоемкость, что ограничивает его применение при восстановлении деталей с большими износами.
Наиболее широко применяют хромирование и железнение, реже — никелирование, меднение и цинкование.
Хромирование
Электролитические покрытия хромом обладают высокой твердостью и износостойкостью. Поэтому хромированием восстанавливают износостойкие поверхности с небольшими износами (плунжерные пары, золотники распределителей, поршневые пальцы и др.).
Аноды изготовляют из свинца или сплава свинца и сурьмы. Отношение площади анодов к площади катодов принимают от 1:1 до 2:1. В процессе хромирования аноды не растворяются. Хромируемую деталь подвешивают к катоду. В качестве электролита используют раствор хромового ангидрида в воде с добавлением серной кислоты. Наибольший выход по току при соотношении хромового ангидрида и серной кислоты 100:1. Концентрация хромового ангидрида в электролитах — от 150 до 350 г/л. Плотность тока — от 15 до 80 А/дм2, напряжение — 12-15 В, температура электролита — 40—65°С.
Хромирование выполняют в ваннах, облицованных свинцом, винипластом или другим кислотостойким материалом. Стенки ванны делают двойными. Пространство между ними заполняют водой или маслом, которые являются теплоносителем для подо-грева электролита в ванне. Конструкция ванны должна предусматривать вытяжку для удаления продуктов испарения и газов, выделяющихся при электролизе. В качестве источников питания постоянного тока применяются выпрямители ВАКГ-12/6-300, ВАКГ-12/600М с напряжением 12 В, низковольтные генераторы АНД 500/250 и др. Для интенсификации процесса электролиза применяют реверсивный постоянный ток (полярность меняется по определенной программе).
Качество гальванического покрытия во многом зависит от подготовки поверхности и режима процесса. Подготовка деталей «гальваническому покрытию включает: очистку деталей; механическую обработку дяя придания правильной формы поверхностям; предварительное обезжиривание растворителями; изоляцию мест, не подлежащих покрытию, перхлорвиниловой лентой, эмалью ПХВ-715 и др. После этого деталь монтируют на подвески и проводят обезжиривание мест восстановления. Обезжиривание может проводиться химическим, электрохимическим и ультразвуковым способами.
Химическое обезжиривание проводят путем погружения деталей в горячий (60 «С) щелочной раствор и выдержки в нем от 5 до 60 мин.
Электрохимическое обезжиривание заключается в погружении деталей в щелочной раствор, через который пропускают ток. Детали служат катодом, а пластины из малоуглеродистой стали — анодом. Обезжиривание проводят при плотности тока 5-15 А/дм2, температуре электролита 60-70 «С в течение 2-3 мин на катоде и 1-2 мин на аноде. После обезжиривания промывают в воде. Чтобы получить прочное сцепление покрытий с основным металлом, необходимо провести активацию наращиваемых поверхностей (удалить пленку оксидов). Растворение оксидов проводят химическим или электрохимическим травлением. Черные металлы травят в водном растворе серной или соляной кислот. Электрохимическое травление поверхностей проводят в ванне при пропускании тока через деталь и раствор. Наиболее распространено анодное травление в ванне для электролиза (детали устанавливают на анодные штанги).
Для получения качественных хромовых покрытий необходимо соблюдать соотношение между плотностью тока и температурой электролита. Изменяя температуру электролита и плотность тока (без изменения состава электролита), можно получить три вида осадков хрома: блестящий (твердость — до НВ 900, высокая износостойкость и хрупкость), молочный (твердость — НВ 500-600, достаточная износостойкость и пластичность), матовый (наиболее твердый и хрупкий). Повышенная хрупкость матового осадка снижает его износостойкость, поэтому этот вид осадка при восстановлении деталей не используется. Блестящие осадки используют в декоративных целях.
Среднее значение выхода по току при хромировании составляет 13-15%, а скорость осаждения хрома — 0,03-0,06 мм/ч.
По причине плохой смачиваемости поверхности хромового покрытия снижается износостойкость деталей. Поэтому при восстановлении деталей, работающих в условиях повышенного удельного давления, высокой температуры и недостатка смазки (поршневые кольца, гильзы цилиндров и др.), применяют пористое хромирование. Пористость поверхности получают механическим, химическим или электрохимическим способами.
Железнение
Железнением восстанавливают стальные и чугунные детали (посадочные места под подшипники, отверстия в головках шатуна и др.) с износом, достигающим 1 мм и более. При восстановлении деталей железнение применяют более широко, чем хромирование. В отличие от хромирования при железнении применяют растворимые аноды из малоуглеродистой стали. Их площадь должна быть в два раза больше покрываемой поверхности (катода). Выход по току при железнении — 85-95%, скорость осаждения металла — 0,2-0,5 мм/ч, твердость осадка НВ 700. Себестоимость восстановления деталей железнением составляет 30-50% от стоимости новых деталей.
Из горячих электролитов применяют электролит, состоящий из 200—500 г/л хлористого железа, 100 г/л хлористого натрия, кислотность (рН) — 08—1,2. Режим железнения: плотность тока — 10-50 А/дм2, температура 70-80 °С.
Из холодных электролитов чаще применяют электролит, состоящий из 400-600 г/л хлористого железа, 0,5-2,0 г/л аскорбиновой кислоты, кислотность (рН) — 0,5-1,3. Режим железнения: плотность тока — 10-40 А/дм2, температура — 20-50 °С.
Подготовка поверхности детали к железнению в основном такая же, как и для хромирования. Ванны для железнения аналогичны ваннам, применяемым при хромировании. При железнении в горячем электролите внутреннюю поверхность ванны облицовывают кислотоупорным материалом (эбонитом, винипластом и т. п.).
Электролитическое осаждение железа можно вести и вневанным способом. Он позволяет восстанавливать отдельные изношенные отверстия в крупногабаритных деталях (блоки цилиндров, корпуса коробок передач задних мостов и т. д.). Кроме того, вневанное железнение позволяет повысить производительность процесса за счет циркуляции электролита и увеличения плотности тока до 300 А/дм2.
Различают три способа вневанного осаждения железа:
- струйное
- проточное
- электроконтактное
При проточном железнении изношенные отверстия превращают в местную ванночку, через которую циркулирует электролит.
Электроконтактное железнение часто называют электронатиранием, так как электроосаждение металла происходит при прохождении постоянного тока в зоне контакта детали с анодом (тампоном из фетра, войлока, непрерывно смачиваемым электролитом).
Местное железнение — частный случай проточного железнения, сущность которого в том, что восстанавливаемое отверстие герметизируют снизу, заливают электролит, устанавливают анод 3 и подключают к источнику тока.
Рис. Схема местного железнения: 1 — деталь; 2 — электролит; 3 — анод; 4 — резиновые прокладки; 5- стакан; 6 — распорка; 7 — опорная плита; 8 — подставка; 9 — кольцо; 10 — выпрямитель.
Вневанное электролитическое осаждения металла
При ремонте автомобилей процесс электролитического осаждения применяют для восстановления деталей, имеющих сравнительно малые износы, для защиты деталей от коррозии, а также для декоративного покрытия.
Сущность процесса
Электролитическое (гальваническое) покрытие – это процесс нанесения металла на поверхность детали путем кристаллизации его из раствора соответствующей соли (электролита) в результате прохождения через соль электрического тока.
Рис. 23.1. Схема электролитического осаждения металла: 1 – ванна; 2 – анод; 3 – катод; 4 – электролит
При пропускании через электролит постоянного тока молекулы расщепляются на положительно заряженные частицы – катионы, которые перемещаются к отрицательному электроду (катоду), где осаждаются, превращаясь в нейтральные атомы, и отрицательные частицы – анионы, перемещающиеся к положительному электроду, где также теряют свой заряд и превращаются в нейтральные атомы. При многих процессах катодом служит обрабатываемая деталь, анодом либо металл, соль которого находятся в растворе, либо металл, который нерастворим в электролите.
Хромирование
Хромовые покрытия применяют для восстановления размеров изношенных деталей, а также в качестве антикоррозионного и декоративного покрытия. Хромовые покрытия отличаются высокой твердостью, хорошей износостойкостъю, превышающей в 2 – 3 раза износостойкость закаленной стали 45, хорошей сцепляемостью с любыми металлами, высокой кислотостойкостъю и теплостойкостью. К недостаткам хромирования относят ограничение толщины покрытия (до 0,3 мм), так как при большой толщине слой хрома отслаивается и теряет износостойкие свойства; относительно низкую производительность (до 0,03 мм/ч) из-за малых значений выхода металла по току; высокую стоимость процесса.
Подготовительные операции имеют такую последовательность:
1) предварительная механическая обработка (шлифование и при необходимости полирование) изношенной поверхности детали с целью придания этой поверхности правильной геометрической формы и доведения ее до нужных размеров с учетом припуска на хромовое покрытие;
2) очистка деталей от окислов и предварительное обезжиривание;
3) установка детали в подвесном приспособлении с целью придания ей правильного положения относительно анода;
4) изоляция мест, не подлежащих хромированию;
5) окончательное обезжиривание (электролитическое в щелочных электролитах);
6) анодная обработка (декапирование) для удаления тончайших пленок окислов, когда деталь служит анодом.
После анодной обработки деталь, не вынимая из ванны, переключают на катод и наносят покрытие.
При хромировании в качестве электролита используют водный раствор хромового ангидрида (СrО3).
В зависимости от назначения покрытия применяют электролиты различных составов. Электролит № 1 называемый разведённым, обеспечивает наиболее высокую износостойкость покрытия (120-151 г/л хромового ангидрида). Электролит № 3, называемый концентрированным, используют для защитно-декоративных целей. Электролит № 2, называемый универсальным, по своим показателям занимает промежуточное положение и применяется для получения износостойких покрытий с хорошими защитно-декоративными свойствами.
Рис. 23.2. Зоны расположения хромовых осадков
В зависимости от плотности тока и температуры электролита при неизменном его составе можно получить покрытия трех видов: серые (матовые), блестящие и молочные. Серые осадки отличаются высокой твердостью, повышенной хрупкостью и пониженной износостойкостью. Серые осадки при восстановлении деталей не применяют. Блестящие осадки обладают повышенной твердостью, но меньшей хрупкостью. Эти осадки отличаются хорошей износостойкостью при умеренных нагрузках. Молочные осадки отличаются достаточной пластичностью, но менее тверды. Такие осадки наносят на детали, работающие при знакопеременных и ударных нагрузках.
Заключительные операции после хромирования следующие. Промывка детали вместе с подвеской в ванне с дистиллированной водой с целью сбора дорогостоящего хромового ангидрида. Промывка в холодной проточной воде и затем погружение на 0,5 – 1 мин в ванну с 3 – 5% раствором кальцинированной соды для нейтрализации остатков электролита и в заключение – промывка в теплой проточной воде. С целью снятия в хромированном слое внутренних напряжений, возникающих в результате растворения в хромовом покрытии водорода, в отдельных случаях проводят тепловую обработку детали путем ее нагрева в масляной ванне до температуры 150 – 220 °С с выдержкой в течение 1,5 – 2 ч.
Завершающей операцией является шлифование хромированных поверхностей электрокорундовыми кругами с зернистостью 60 – 120 и твердостью М2 – М3. Припуск на шлифование оставляют 0,08 – 0,1 мм. Хромовые покрытия, нанесенные с декоративной целью, подвергаются полированию с применением пасты ГОИ.
Пористое хромирование. С целью достижения хорошей смачиваемости покрытия маслом и лучшей прирабатываемости применяют пористое хромирование. Пористость получают путем анодного травления покрытия в электролите. Переключается полярность тока (деталь становится анодом). Продолжительность травления 5 – 10 мин. Пористым хромированием повышают износостойкость поршневых колец, поверхность цилиндров двигателей и других деталей, работающих в условиях трения скольжения.
Осталивание
Это процесс электролитического осаждения железа. Осталивание намного производительнее и экономичнее хромирования, так как, скорость осаждения металла составляет 0,3 – 0,5 мм/ч (в 5 – 6 раз выше). Сцепляемость железного покрытия с поверхностью стальной детали достаточно высокая (400 – 450 МПа). К недостаткам процесса относится снижение усталостной прочности деталей, достигающее 30 % при покрытии стальных деталей. Это обусловлено наличием растягивающих внутренних напряжений в покрытии.
Осталивание применяют для наращивания поверхностей деталей под неподвижные посадки, для восстановления деталей с большим износом (до 2-3 мм), а также с целью получения подслоя в 1 – 3 мм для тонкого хромового покрытия (0,02 – 0,03 мм).
Процесс осталивания обычно протекает в хлористых электролитах, основным компонентом которых является хлористое железо. Концентрация хлористого железа в электролитах может быть в пределах от 200 до 700 г/л.
При осталивании деталь является катодом. В качестве анода используется низкоуглеродистая сталь марка 08 или 10. В процессе электролиза анод постепенно растворяется. Качество покрытия (твердость, износостойкость, вязкость) зависит от состава и температуры электролита, плотности тока. Технологический процесс осталивания (в том числе подготовительные операции) мало чем отличается от хромирования.
Вневанное электролитическое осаждения металла
Восстановление хромированием или осталиванием крупногабаритных деталей (корпуса коробок передач, блоки цилиндров) и деталей сложной конфигурации (коленчатые валы) связано с рядом технологических трудностей (необходимо иметь ванны больших размеров, сложность подвесных приспособлений и изоляция мест, не подлежащих докрытию и др. Поэтому такие детали восстанавливают вневанным осаждением, принцип которого заключается в том, что местная ванна создается только в зоне покрытия. Вневанный процесс выполняется тремя способами: струйным, проточным и натиранием.
Рис.23.3. Схема струйного процесса хромирования: 1 – подводная труба электролита; 2 – насадка; 3 – деталь; 4 – ванна; 5 – электролит
Рис. 23.4. Схема проточного процесса хромирования: 1 – деталь (втулка); 2 – анод 3 – электролит
Струйные процессы обычно применяются для осаждения металла на телах вращения. Из схемы видно, что электролит подается насосом на шейку вала через подводящую трубу и отверстия специальной насадки, которая является анодом. Катодом служит деталь. Под деталью расположена ванночка, в которую стекает электролит. Насосом электролит снова подается в подводящую трубу. Для обеспечения равномерного покрытия деталь вращается с частотой 2-5 об/мин.
Проточный процесс заключается в том, что в зоне покрываемой поверхности создается местная ванна, через которую циркулирует электролит. Этот способ особенно эффективен при покрытиях металлом внутренних цилиндрических поверхностей.
Электролитическое натирание заключается в перемещении анода выполненного в виде тампона и пропитанного электролитом, по поверхности детали, являющейся катодом. На схеме приведена в качестве примера установка для электролитического натирания шейки вала.
Рис. 23.5. Схема электролитического натирания: 1 – детали; 2 – угольный электрод; 3 – анодный тампон; 4 – электролит; 5 – корпус; 6 – рукоять; 7 – ванна
Перед электролитическим натиранием поверхность подготавливается так же, как и перед ванным покрытием. Процесс электролитического натирания производителен, так как в связи с перемещением анода по покрываемой поверхности плотность тока может достигать 150 – 200 А/дм 2 . Покрытие получается мелкозернистое, но слоистое. Наиболее эффективен этот процесс при восстановлении посадочных мест под подшипники в корпусных деталях, на валах, в бронзовых втулках при износах до 0,1 мм. Используют железные, цинковые и медные покрытия.
ВНЕВДННЫЕ И БЕЗВАННЫЕ СПОСОБЫ НАНЕСЕНИЯ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ
Научно-технический прогресс, успехи науки и практики в области гальванотехники нашли отражение в ремонтном производстве. В частности, стали более широко использоваться гальванические процессы восстановления деталей вневанными методами.
Струйные и проточные способы хромирования деталей характеризуются принудительной циркуляцией электролита, что обеспечивает повышение производительности процесса в 3,5 — 4 раза но сравнению с обычным хромированием, высокую равномерность покрытия по всей поверхности и толщину его до 1 мм на сторону, позволяет наращивать детали "в размер" без последующей механической обработки, снижать насыщенность осадка и основного металла водородом, существенно улучшить качество электролитических слоев. Помимо перечисленных достоинств, проточное и струйное железнение, проточные и струйные методы нанесения хрома, благодаря интенсивному обновлению электролита, удалению газообразных продуктов электролиза из анодно-катодного пространства, а также равномерному распределению тока повышенной плотности, способствуют получению мелкодисперсной структуры, осадков с повышенной твердостью, снижению в них остаточных напряжений. В связи с этим усталостная прочность деталей, восстановленных струйным и проточным хромированием по сравнению с деталями без покрытий, снижается только на 4 — 5 %.
При восстановлении крупногабаритных деталей сложной конфигурации (блоки цилиндров, корпуса коробок передач и задних мостов, коленчатые валы и др.) возникают трудности. Они связаны с изоляцией мест, не подлежащих покрытию (площадь их поверхности в десятки раз превышает покрываемую площадь), сложной конфигурацией подвесных устройств, необходимостью иметь ванны больших размеров, быстрым загрязнением электролитов и др.
Для восстановления таких дефектов деталей, как, например, восстановление размеров отверстий под подшипники в корпусах и корпусных деталях, применяют вневанный способ. Сущность вневанного способа нанесения гальванических покрытий заключается в том, что при помощи специальных прижимных приспособлений из восстанавливаемых поверхностей детали образуется электролитическая ячейка, в которую заливают электролит. По центру образовавшейся вместимости помещается анод. Восстанавливаемая деталь и анод подключаются к соответствующим клеммам источника тока. Данный способ является весьма эффективным при восстановлении отверстий в корпусных деталях или внутренних поверхностей других деталей.
К безванным способам гальванического осаждения металлов относятся: струйный, в проточном электролите и злектронатиранием. Все они позволяют местно наносить покрытия на деталь без погружения их в ванну и особенно эффективны для крупногабаритных деталей.
Преимуществами струйного способа являются:
возможность восстанавливать крупногабаритные детали с использованием постоянного тока малоймощности;
малые габариты установки и возможность ее изготовления в переносном исполнении, что особенно ценно при восстановлении крупных деталей;
эффективная возможность контролировать процесс осаждения во время работы;
относительная легкость нанесения покрытия;
увеличение выхода по току и расширение диапазона получения блестящих осадков;
отсутствие надобности в большом количестве электролита.
Метод струйного нанесения покрытий по своей технологичности дает возможность ввести операцию нанесения покрытия в единую линию технологического процесса с использованием электролитов, применяемых в гальванике.
Наиболее удачными являются конструкции анодных головок, приведенные на рис. 10.14, виг, поскольку электролиз с анодными головками, показанными на позициях рис. 10.14, о и б, протекает нестабильно, адсорбирующая ткань заполняется шламом, который проникает в покрытие. Ткань изнашивается быстрее, что часто приводит к замыканию электрической цепи и нарушению процесса.
Процесс с анодными головками, показанный на рис. 10.14, в, протекает при скорости потока электролита 0,5— 1,5 м/с с одновременным вращением анодной головки с частотой 60— 100 мин" 1 в зависимости от ее диаметра и межэлектродном зазоре 1,1 — З мм. Зазор уменьшается по мере увеличения толщины покрытия.
Минимальное его значение ограничивается толщиной натирающего тампона.
Электролиз с анодными головками, показанный на рис. 10.14, г, при восстановлении опор коренных подшипников блока цилиндров ЗИЛ-130 протекает при частоте вращения анода 0,7 с~', скорости потока электролита — 1,2 — 2 мм/с и его расходе — 8,4 — 13,4 м 3 /с. Тампон при этом выполнен в виде круглой щетки из капроновых нитей, что обеспечивает механическую активацию поверхности, способствует уменьшению дендрито-образования и уплотнению структуры осаждаемого металла.
Читайте также: