Восстановление деталей электролитическими и химическими покрытиями

Электролитические способы восстановления работоспособности деталей основаны на законах электролиза, т.е. прохождении постоянного электрического тока через электролиты - водные растворы солей и кислот. При этом положительно заряженные ионы (катионы) в виде атомов металла и водорода направляются к катоду, а отрицательно заряженные ионы (анионы) в виде кислотных остатков и гидроксильной группы - к аноду. В результате разряда ионов на катоде (детали) осаждается слой металла. Масса выделившегося при этом металла согласно первому закону Фарадея:

М_э = сJTh , кг, (3.63)

где с - электрохимический эквивалент осаждаемого металла, кг/А×ч; J - сила тока, А; Т - время электролиза, ч; h - выход по току (к.п.д. ванны),%.

В зависимости от вида электролитического покрытия, суммарной площади восстанавливаемых поверхностей, составов электролита (их рассеивающей способности) и их температуры, значение силы тока должно быть строго определенным, так как от этого зависит качество покрытия и производительность процесса. Отношение силы тока к площади покрытия носит название катодной плотности. Этот параметр является строго фиксированной величиной и он используется инженером-механиком для расчета необходимой величины тока для электролиза и выбора по ней источника постоянного тока, т.е.:

J = Д_к×SF, А, (3.64)

где Д_к - катодная плотность тока, А/м²; ×SF - суммарная площадь одновременно восстанавливаемых поверхностей деталей, м².

Целесообразность назначения и выбор конкретных электролитических и химических покрытий (табл. 3.25) для ремонтных целей определяется рядом факторов, основными из которых являются: экономическая эффективность по сравнению с другими видами покрытий; требуемые сроки службы покрытий; условия эксплуатации восстановленных деталей, их поверхностей; характер и величина дефектов деталей; материально-технические и технологические возможности реализации конкретного вида покрытия; эксплуатационные свойства конкретных покрытий. Сущность и методика анализа указанных факторов, кроме двух последних, рассмотрены ранее.

Состав оборудования и материалов, используемых при нанесении электролитических и химических покрытий определяются содержанием реализуемых при этом технологических процессов.

Наиболее наглядно это демонстрируется на примере технологического процесса нанесения хромового покрытия, операции которого выполняются в следующей последовательности [37]:

1) удаление с поверхности деталей смазки и загрязнений, для чего детали промывают в бензине, керосине или специальных очистителях;

2) сушка деталей после удаления смазки и загрязнений (протирка чистой ветошью, обдувка сухим сжатым воздухом);

3) наружный осмотр в целях выявления дефектов;

4) удаление слоя хрома с деталей, находящихся ранее в эксплуатации; с латунных и бронзовых деталей хром снимают в 20-25-процентном растворе соляной кислоты при температуре 18-25 ⁰С, а со стальных деталей - в 10-15-процентном растворе едкого натра при температуре 18-25 ⁰С и плотности тока 10-15 А/дм²;

5) промывка в холодной проточной, а затем в горячей воде при температуре 70-80⁰С;

6) обдувка сухим сжатым воздухом или протирка чистой ветошью;

7) магнитный контроль для выявления трещин в детали;

8) шлифование или полирование для получения размера, указанного в чертеже;

9) контроль качества обработки резанием;

10) изоляция деталей и подвесочных приспособлений (полихлорвиниловой пленкой, перхлорвиниловым лаком или цапонлаком № 932, клеем АК-20, клеем БФ);

11) обрезка изоляции с рабочей поверхности и мест контактов, зачистка поверхности наждачной шкуркой;

12) закрепление деталей на подвесочные приспособления так, чтобы был обеспечен плотный контакт и правильное расположение экранов;

13) монтаж и установка анодов;

14) обезжиривание деталей, для чего их протирают венской известью или обрабатывают в щелочном растворе (40-50 г/л тринатрия фосфата, 10-12 г/л едкого натра, 25-35 г/л жидкого стекла; температура раствора 60-70 ⁰С; выдержка на катоде 3-5 мин, на аноде - 1-2 мин);

15) промывка теплой проточной водой;

16) химическое декапирование в течение 0,25-1,0 мин в растворе серной кислоты при температуре 18-25 ⁰С;

17) промывка холодной проточной водой;

18) электрохимическое декапирование в электролите, используемом при хромировании (плотность тока 30-35 А/дм², температура 50±2⁰С);

19) хромирование (составы электролитов и режимы принимает технолог);

20) промывка дисциллированной водой над ванной хромирования;

21) промывка в холодной проточной воде;

22) промывка в течение 0,5-1 мин в нейтрализующем 3-5-процентном растворе углекислого натрия при температуре 18-25 ⁰С;

23) промывка холодной проточной водой;

24) промывка горячей проточной водой;

25) сушка в печи при температуре 120-130 ⁰С или обдувка чистым сжатым воздухом;

26) контрольный обмер деталей после демонтажа с подвесок, снятие изоляционного слоя;

27) термическая обработка при температуре 200-250 ⁰С для удаления водорода из хромированных деталей (продолжительность 2-3 ч);

28) шлифование до номинальных размеров;

29) окончательный контроль размеров и качества хромированной поверхности.

Таблица 3.25.

Характеристика основных видов покрытий

Продолжение табл. 3.25.

*Условные обозначения: Л, С, Ж, ОЖ - легкие, средние, жесткие, особо жесткие условия.

В качестве абразивных материалов при шлифовании и полировании широко используются искусственные материалы на основе электрокорунда и карбида кремния.

Из природных абразивов применяется наждак, корунд (AL₂O₃), каолин, маршалит (пылевидный кварц SiO₂), тяжелый шпат, крокус (окись железа), технический мел.

Абразивные материалы используются крупностью 200-16 и 12-3 мкм, М63-М14 и М10-М15 (ГОСТ 3647-80). Для подготовки поверхностей к нанесению покрытий и их окончательной обработки применяются также шлифовально-полированные пасты (табл. 3.26).

Для нанесения покрытий применяется оборудование для подготовки поверхностей деталей (шлифовально-полировальные станки с частотой вращения шпинделя от 1420 до 2850 мин^-1; барабаны и колокола для шлифования и полирования мелких деталей, не требующих высокой чистоты обработки; установки для электролитического полирования с целью предупреждения усталостного разрушения восстанавливаемых деталей; установки для химической подготовки поверхностей, в том числе для ультразвуковой очистки, травления и обезжиривания, ванны для промывки деталей, оборудование для нанесения покрытий (стационарные ванны или автоматические линии), энергетические источники (выпрямители, преобразователи), контрольно-измерительная аппаратура.

Таблица 3.26.

Составы шлифовально-полировальных паст

Продолжение табл. 3.26.

Хромовые покрытия подразделяются на молочные (твердостью от 4000 до 6000 МПа), блестящие (6000-9000 МПа), матовые или серые (9000-12000 Мпа), а также на гладкие и пористые.

Серые покрытия имеют высокую хрупкость и в ремонтном производстве применяются редко; блестящие покрытия характеризуются повышенной хрупкостью, но высокой износостойкостью; молочные покрытия пластичны и пригодны для восстановления деталей, работающих при знакопеременных нагрузках и повышенных удельных нагрузках. Пористые хромовые покрытия хорошо удерживают смазку, что значительно повышает их износостойкость, которая превышает в 1,5-8 раз износостойкость новых закаленных поверхностей стальных деталей [3].

Хромовые покрытия химически стойки; на них не действуют органические кислоты, сероводород, мало действует азотная кислота. Покрытия жароустойчивы (до 1232⁰С); обладают высокой отражательной способностью (66-70%); способны осаждаться почти на всех металлах с толщиной от 1 до 250 мкм и высокой точностью, позволяющей исключить последующую механическую обработку (размерное хромирование).

К основным недостаткам хромирования и хромовых покрытий относятся: длительность процесса (электрохимический эквивалент составляет 0,324 г/А ч, а скорость осаждения хрома от 0,01 до 0,07 мм/ч); значительная энергоемкость процесса осаждения хрома (катодная плотность составляет от 3000 до 10000 А/м², а температура электролита в большинстве случаев - от 25 до 75 ⁰С); низкий выход по току (12-18%); снижение на 30-40% усталостной прочности стальных деталей, восстановленных этим методом; возможность восстановления сравнительно небольшого износа; сложность подготовительных операций; высокая стоимость.

Хромовые покрытия с заранее заданными свойствами получают варьируя значения параметров процесса: плотности тока, концентрации хромового ангидрида и серной кислоты в электролите (обычно соотношение равно 90-120), температуры электролита, материала анода (свинцовые, из сплавов свинец-сурьма, свинец-олово, свинец-олово-сурьма), его формы, размеров (ширина от 50 до 100 мм, толщина 5-7 мм), расстояния от изделия (100-150 мм).

В условиях мелкосерийного ремонтного производства при хромировании используют стационарные ванны с двойными стенками, пространство между которыми заполняют водой или маслом. Внутренняя поверхность ванны облицовывается сплавом свинца или винипластом, кислотостойкими плитками или покрывается полихлорвиниловым лаком. Детали в ванне располагают на высоте не ниже 80-100 мм от ее дна и на 40 мм ниже верхнего уровня электролита.

Для хромирования используются электролиты различного состава: разведенные, универсальные, концентрированные (на основе хромового ангидрида и серной кислоты); саморегулирующие (содержащие хромовый ангидрид, сульфат стронция S₂SO₄, кремнефторид калия K₂SiF₆ или углекислый кальций CaSO₄, окись магния MgO), тетрахроматные (содержащие хромовый ангидрид, серную кислоту, едкий натр, сахар) и другие. Соотношение площадей анода и покрываемых поверхностей берется в пределах от 1:1 до 3:1.

Никелевые электролитические покрытия используются в ремонтном производстве для восстановления изношенных поверхностей редко (поршень, поршневые кольца). В основном же они используются для защитно-декоративных целей с толщиной слоя до 12-36 мкм.

Никелевые покрытия хорошо полируются, имеют достаточно хорошую отражательную способность (58-62%), но плохо выдерживают развальцовку и клепку, являются катодными по отношению к стали, поэтому их защитные свойства определяются в основном отсутствием пор.

Никелевые электролитические покрытия подразделяются на блестящие и износостойкие. Для получения блестящих покрытий используются электролиты, в состав которых входят сернокислый никель NiSO₄×7H₂O, сернокислый аммоний (NH₄)₂SO₄, сернокислый кадмий, хлористый натрий (калий), аммиак 25-процентный), а электролиз протекает при катодной плотности от 200 до 600 А/м² и температуре 20-30 ⁰С.

Для получения износостойких покрытий используются щавелевокислые электролиты, в состав которых входят щавелевокислый аммоний NH₄×C₂H₄×H₂O, сернокислый никель, хлористый натрий (калий), а электролиз протекает при катодной плотности тока порядка 1000 А/м² и температуре 75-82 ⁰C.

В качестве материала анодов используется никель марки Н-1 (ГОСТ 849-70).

Никелевые химические покрытия используются в ремонтном производстве чаще, нежели электролитические; они обладают достаточной твердостью (после отпуска до 950 МПа) и износостой-костью; легко наносятся на детали сложной формы равномерным по толщине слоем. Эти покрытия используются, например, при восстановлении деталей с небольшим износом (валы топливных насосов, плунжерные пары, поршневые пальцы, челноки и другие детали швейных машин).

Химическое никелирование выполняется без применения электрического тока за счет восстановления ионов никеля до металла с помощью гипофосфата натрия NaH₂PO₂, калия, кальция, аммония или в боргидридных растворах (здесь твердость покрытия достигнет 14500 МПа). Скорость осаждения никеля химическим способом обычно сравнительно низкая и она находится в пределах 15-30 мкм/ч, однако в последнее время она достигает значения 120 мкм/ч, что соответствует электролитическому способу никелирования. Состав оборудования при химическом никелировании определяется составом технологических операций этого технологического процесса: механическая обработка; изоляция непокрываемых поверхностей; мойка и обезжиривание; химическое травление; промывка водой; химическое никелирование; промывка водой. Операция химического никелирования выполняется в фарфоровых, стеклянных, эмалированных емкостях с использованием установок Т.В.Ч. для интенсификации процесса. Существенным недостатком химического никелирования является сравнительно низкая производительность процесса и необходимость в сложных дорогостоящих реактивах.

Железнение электролитическое (осталивание) предназначено для восстановления изношенных поверхностей деталей путем нанесения слоя электролитического железа, соответствующего по своим свойствам среднеуглеродистым незакаленным сталям. По сравнению с хромированием железнение имеет ряд преимуществ. Выход по току при железнении в 6 раз выше, чем при хромировании и достигает 85-96%, плотность тока - в 2-3 раза ниже и составляет 1000-3000 А/м²; скорость осаждения железа - в 10-20 раз выше и достигает 0,15-0,30 мм/ч. Электрохимический эквивалент железа равен 1,042 г/А×ч. Без значительного снижения качества покрытия осталиванием наносят слой железа до 1,2-1,5 мм. Одним из недостатков железных покрытий является их повышения хрупкость, которая устраняется при нагреве покрытия до 300-400 ⁰С; при этом одновременно примерно в 2 раза повышается твердость, которая соответствует твердости отожженой высокоуглеродистой стали, содержащей 1,2% С. При дальнейшем нагревании до 800-900 ⁰С электролитическое железо быстро и полностью теряет твердость. Прочность сцепления железного покрытия с основанием равна 200-4000 МПа; износостойкость же соответствует износостойкости стали с содержанием 0,5% С.

Следует отметить снижение предела выносливости деталей, восстановленных осталиванием. В работе [29] приводится уравнение регрессии, устанавливающее влияние на усталостную прочность (У_уст) деталей, восстановленных электролитическим железом, таких параметров процесса, как температуры электролита (х₁), катодной плотности тока (х₂), кислотности электролита (х₃), концентрации электролита (х₄):

(3.65)

Максимальное значение У_уст равно 195 МПа, минимальное - 47,5 МПа, и наиболее часто встречающееся - 175 МПа. Анализ представленной математической модели (3.65) позволяет сделать вывод, что предел выносливости деталей с железными покрытиями повышается с увеличением катодной плотности тока и с уменьшением температуры, кислотности и концентрации электролита. Все электролиты для железнения делятся на горячие и холодные, а также на сульфатные (на основе сернокислого закисного железа или сульфата железа), хлористые (на основе хлористого закисного железа) и смешанные.

Для железнения используют аноды из низкоуглеродистой стали, причем соотношение их площадей и восстанавливаемых деталей должно быть равно 2:1. Так как аноды растворимые, то их помещают в кислотостойкие чехлы, тем самым предохраняя электролит от засорения шлаком.

По аналогии с хромированием в ремонтном производстве широко используется пористое железнение, после осуществления которого рекомендуется восстановленные детали подвергать отпуску при температуре 250-300 ⁰С и выдержке (1-1,5 ч).

Электролитическое железнение производят в ваннах, облицованных кислотоупорной эмалью или диабазовыми плитками на кислотоупорном цементе. Механическую обработку железных покрытий осуществляют на токарных, шлифовальных станках с использованием резцов из твердых сплавов (скорость резания 20-25 м/мин), корундовых или электрокорундовых абразивных кругов зернистостью 46-60 (скорость шлифования 15-25 м/с). Толщина осажденного слоя после окончательной обработки должна быть не менее 0,2-0,3 мм.

К недостаткам процесса восстановления деталей электролитическим железнением относятся: необходимость постоянной корректировки плотности электролита; низкая твердость покрытия без специального электролита или дополнительной обработки (цементации, хромирования); трудность выбора материала ванны.

Меднение электролитическое в ремонтном производстве используют для восстановления плотных посадок в сопряжениях различных деталей машин (подшипников качения, вкладышей, втулок, валов); поверхностей зацепления червячных передач; в качестве подслоя под хромовый, никелевый и другие покрытия. Медь наносится хорошо на металлы своей группы и хуже на сталь. Для меднения применяют кислые и цианистые электролиты. Кислые электролиты, содержащие борфтористоводородную медь - Cu(BF₄)₂, борфтористоводородную кислоту - HBF₄ борную кислоту - H₃BO, стабильны в работе и выход по току в них достигает 100%, но они обладают низкой рассеивающей способностью и не обеспечивают достаточного сцепления меди со сталью. Процесс электролиза в них проводится при катодной плотности от 2000 до 6000 А/м² и температуре от 20 до 60 ⁰С. Цианистые электролиты, содержащие цианистую медь - Cu(CN)₂, цианистый натрий - NaCN, роданистый калий и другие составляющие, в значительной степени лишены недостатков кислых электролитов, но они ядовиты. Процесс электролиза в них проводится при катодной плотности от 800 до 1000 А/м², температуре от 60 до 75 ⁰С при выходе по току 97-100%. Для меднения применяют медные аноды из меди марок М0, М1, М2 (ГОСТ 767-91).

Кроме рассмотренных покрытий в ремонтном производстве находят все более широкое применение электролитические сплавы. К таким сплавам относятся, например, сплавы хрома с никелем; хрома с железом; никеля с фосфором; железа с марганцем; железа с никелем. Покрытие восстанавливаемых поверхностей указанными и другими сплавами осуществляется в электролитах соответствующего состава. Например, покрытие из сплава Fe-Cr-Ni обладает значительной износостойкостью и коррозионной стойкостью, аналогичной для стали 1Х18Н9Т, получают из электролита, содержащего соли хрома Cr₂(SO₄)₃, железа - FeSO₄×7H₂O, никеля - NiSO₄×7H₂O, борной кислоты - H₃BO₄, мочевины. Процесс ведется при плотности тока от 1500 до 2000 А/м², температуре от 40 до 45 ⁰С, что позволяет получать покрытие твердостью 6000-8000 МПа.

Основное время при нанесении гальванических покрытий определяется по формуле:

, (3.66)

где - толщина покрытия, мм; - удельная масса осаждаемого металла, г/см³; Д_к - катодная плотность тока, А/дм²; - электрохимический эквивалент, г/А×ч; - выход металла по току.

Толщина покрытия рассчитывается в зависимости от величины износа Dt и суммарного припуска SZ_i на предварительную и окончательную механическую обработку поверхности детали. Часть операций, переходов при нанесении гальванопокрытий выполняется параллельно с основными, а часть - последовательно. Поэтому вспомогательное время для параллельных операций учитывается лишь при единичном, групповом восстановлении детали и не учитывается при серийном восстановлении. Вспомогательное время при выполнении вспомогательных операций (загрузка и выгрузка деталей из ванны, промывка деталей сразу после их выгрузки...) принимается равным от 10 до 30 мин.

Штучное время определяют по формуле:

Т_шт=Т_ог/n_д×n_в×k_в, мин, (3.67)

где n_д - количество деталей при одной загрузке ванны; n_в - количество ванн покрытия; k_в - коэффициент использования ванн, равный 0,65-0,75.