Гальванические покрытия

Восстановление деталей гальваническими покрытиями основано на пользовании явления электролиза. Свойства покрытий зависят от состава и концетрации электролита и режима электролиза. Последний характеризуется тремя основными показателями: кислотностью электролита (г/л или единица водородного показателя рН), его температурой (°С) и катодной плотностьютока (А/дм²). Плотность тока – сила тока, приходящаяся на единицу площади (Sk) поверхности катода:

(4.2.5)
Силу тока, который необходимо пропустить через электролит, определяют в зависимости от катодной плотности тока и количества одновременно наращиваемых деталей по формуле

(4.2.6)

где S'_k – площадь покрываемой поверхности одной детали, дм²;

n – количество одноименных деталей, одновременно загружаемых в ванну.

При приготовлении и корректировании электролитов и растворов, если концентрация вещества выражена в граммах на литр, необходимое для растворения количество (кг) каждого компонента электролита определяют по формуле

(4.2.7)

где q – концентрация компонента в электролите, г/л;

V_p – рабочий объем ванны (электролита), л.

При корректировании электролита количество вещества, которое необходимо добавить в него для доведения до требуемой концентрации, вычисляют по формуле

(4.2.8)

где q – требуемая (заданная) концентрация вещества, г/л;

q₁ – фактическая концентрация вещества, г/л.

Технология гальванопокрытий. Технологический процесс нанесения гальванических покрытий (табл. 4.58) включает три операции: подготовку деталей к наращиванию, нанесение покрытия и обработку деталей после покрытия. Приведенные в таблице перечень и последовательность операций могут изменяться в зависимости от вида покрытия, конструкции деталей и подвесок.

Подготовка деталей. Главная задача подготовки покрываемых поверхностей – обеспечить высокую прочность сцепления покрытия с деталью.

Механическую обработку выполняют, как правило, шлифованием при сильном охлаждении и окружной скорости круга 30...35м/с.При небольшом и равномерном износе вместо шлифования покрываемую поверхность детали зачищают наждачной шкуркой. Поверхности деталей, не подлежащие покрытию металлом, изолируют токонепроводящими материалами: тонкой резиной, листовым целлулоидом, изоляционной лентой, пленочными полимерными материалами (полиэтилен и т.д.), эмалями, церезином, пластизолем и др.

Таблица 4.58

Схема типового технологического процесса восстановления

деталей гальванопокрытиями

Примечание: "+" — операция выполняется обязательно;

"+ -" – операция может выполняться или не выполняться в зависимости от конкретных условий.

Подвески для завешивания деталей в ванну изготавливают из стали, а крючки – из меди или латуни. Сечение подвесок должно быть таким, чтобы плотность тока в них не превышала для стали – 0,5...1А/мм², меди – 2.5...3, латуни – 2...2,5А/мм². Металлические поверхности подвески, кроме мест контактов, надежно изолируют электроизоляционным материалом.

Обезжириваниепокрываемых поверхностей обычно проводят в горячих щелочных растворах химическим и электрохимическим методами. Составы растворов и режимы обезжиривания стальных и чугунных деталей приведены в табл. 4.59. При электрохимическом обезжиривании детали завешивают в качестве анодов.

Таблиц 4.59

Составы растворов и режимы обезжиривания

¹.Жидкое стекло добавлять необязательно.

².Определяют опытным путем в зависимости от характера и степени загрязнения поверхности.

Хорошее качество обеспечивает обезжиривание венской известью (смесь оксидов кальция и магния в соотношении 1:1). Для этой цели можно также использовать отходы карбида кальция от ацетиленового генератора.

Травление деталей выполняют химическим и электрохимическим методами. Составы растворов и режимы травления приведены в табл. 4.60.

Таблица 4.60

Составы растворов и режимы травления

Анодное травление в электролите № 3 применяют при восстановлении деталей железнением. Катодами в этом случае служат свинцовые пластины, площадь которых в 4...5 раз больше площади покрываемых поверхностей.

Электролит №4 предназначен для бесшламного анодного травления стальных деталей непосредственно в хлористом электролите железнения. После травления детали водой не промывают. С целью улучшения очистки поверхности от шлама и повышения сцепляемости покрытий железнение в этом случае начинают на периодическом токе при Дк=20...30 А/дм² и Р =1,1...1,2 в течение 2 мин, а затем постепенно за 4...5 мин р увеличивают до бесконечности и переключают на постоянный ток.

Электролит №5 применяют для анодного травления деталей перед хромированием. Иногда травят детали непосредственно в электролите для хромирования. Промывка после травления также необязательна.

Нанесение покрытий. Для восстановления деталей из гальванических покрытий чаще применяют железнение, реже - хромирование, цинкование, никелирование.

Железнение дает хорошие технико-экономические показатели. Электролиты для железнения по составу делят на три группы, различающиеся видом аниона соли железа: хлористые, сернокислые и смешанные (сульфатно-хлористые). Наибольшее применение получили простые хлористые электролиты.

В табл. 4.61 приведены наиболее распространенные и перспективные электролиты. Электролит № 1 стабилен и прост по составу, позволяет получать плотные и гладкие покрытия твердостью до 6500 МПа и толщиной до 1...1.5 мм. Он применяется наиболее часто. С помощью высококанцентрированного электролита № 2 получают качественные покрытия толщиной до 3 мм.

Таблица 4.61

Составы электролитов и режимы железнения

Наличие в электролите № 3 аскорбиновой кислоты предотвращает его окисление и образование гидрооксида железа, в результате чего возможно получение высококачественных покрытий при низкой температуре и достаточно нмсокой плотности тока. Однако дороговизна аскорбиновой кислоты препятствует широкому применению этого электролита. Холодный сульфатно-хлористый электролит № 4 обладает достоинствами хлористых и сернокислых электролитов: менее агрессивен и более устойчив к окислению, чем хлористые, и в то же время позволяет получать покрытия хорошего качества с высокой производительностью. Электролит № 5 рекомендуется для реализации новой технологии, когда анодное травление стальных деталей и осаждение на них покрытий осуществляют из электролита одного и того же состава. Электролит № 6 рекомендуется для осаждения покрытий повышенной твердости (более 8000 МПа) и износостойкости.

Гальванические покрытия соответствует схеме, приведенной в табл. 4.58. Применяют три варианта анодного травления перед железнением: в 30%-ной серной кислоте, в хлористом электролите железнения с последующей очисткой в 30%-ной серной кислоте, в высококонцентрированном хлористом электролите железнения без последующей очистки и промывки.

Для получения высокой прочности сцепления железного покрытия с деталью применяют так называемый разгонный цикл: подготовленные детали завешивают на катодную штангу ванны железнения и выдерживают без тока 10...60 с. После выдержки деталей без тока включают ток плотностью 2...5 А/дм² и проводят электролиз 0,5...1,0 мин. Затем в течение 5...10 мин катодную плотность тока постепенно увеличивают до заданного значения.

При выборе режима железнения следует иметь в виду общие для большинства гальванических процессов особенности: чем выше катодная плотность тока, тем больше скорость осаждения металла и производительность процесса, чем ниже температура и концентрация электролита и выше плотность тока (жестче режим), тем больше твердость железных покрытий и меньше их максимально достижимая толщина, чем выше температура и концентрация электролита, тем большую плотность тока можно допустить без ущерба для качества покрытий.

Продолжительность железнения (после выхода на заданный режим) определяют приближенно из выражения (при η_к = 75%)

(4.2.9)

где to – продолжительность электролиза, ч;

h – толщина покрытий, мм;

Dk – катодная плотность тока, А/дм².

Толщину покрытия определяют в зависимости от износа детали с учетом припуска на механическую обработку, который принимают равным 0,10…0,20 мм для последующего шлифования и 0,20..0,30 мм для токарной обработки.

Основные дефекты железнения и способы их устранения приведены в табл. 4.62.

Таблица 4.62

Основные дефекты железнения и способы их устранения

*Под проработкой электролита током понимается ведение электролиза при определенном режиме до осаждения высококачественных покрытий.

Железнению из горючих электролитов, присущи серьезные недостатки. Применение периодических токов (реверсированного, асимметричного, импульсного и т.д.) вместо постоянного позволяет путем изменения параметров прямого и обратного импульсов значительно уменьшить концентрационные ограничения и повысить рабочую плотность тока при холодном электролите, в широких пределах управлять свойствами железных покрытий, повысить прочность сцепления их с деталями.

При осаждении металлов на асимметричном токе режим электролиза характеризуется не одним, а двумя электрическими параметрами: катодной плотностью тока Dk и катодно-анодным показателем р. Оптимальными значениями этих параметров при холодном железнении из обычных электролитов является Dk = 20...30 А/дм² и β= 6...10. Кислотность электролита должна быть равна рН= 0,5...0,9, температура не регламентируется.

Для восстановления железнением крупногабаритных деталей сложной конфигурации (блоки цилиндров, корпуса редукторов и т.д.) применяют вневанные способы: проточный, струйный, электроконтактный и др. Принцип безванного нанесения покрытия заключается в том, что у поверхности, подлежащей покрытию, с помощью несложных устройств создают местную электролитическую ячейку (ванночку), в которую подают электролит, а деталь и анод подключают к источнику тока.

При проточном способе электролит прокачивают насосом с определенной скоростью через пространство между покрываемой поверхностью и анодом (например, через отверстие в корпусе коробки передач). Наибольшая скорость осаждения металлов при проточном способе достигается при скорости протекания электролита более 1 м/с, при которой создается турбулентный режим течения. В этом случае при определенных условиях плотность тока при железнении может быть увеличена до 200...300 А/дм² и более.

Частным случаем проточного способа является местное железнение при неподвижном электролите. В этом случае восстанавливаемое отверстие герметизируют снизу, заливают в него электролит, устанавливают анод и подключают к источнику тока. Таким образом, само отверстие служит ванночкой (местной). Этот способ часто применяют для восстановления посадок под подшипники в корпусных деталях.

Железнение проводят в электролите № 2 при катодной плотности тока 10...20 А/дм². Предварительно нагретый до 50...60°С электролит заливают в местную ванну. В дальнейшем температура электролита' поддерживается в пределах 60...90°С за счет выделения теплоты при электролизе. Иногда при местном железнении анодное травление поверхности проводят непосредственно в электролите железнения: включают ток обратной полярности ("+" на деталь, "–" на анод) и травят при плотности тока 10...15 А/дм² в течение 1...2 мин. Затем переключают полярность ("–" на деталь, "+" на анод) и проводят железнение до необходимой толщины.

Хромированиепозволяет получать мелкозернистые покрытия микротвердостью 4000... 12000 МПа, обладающие низким коэффициентом трения и высокой сцепляемостью с основой. Хром химически стоек против воздействия многих кислот и щелочей, жароустойчив. Высокие твердость, жаростойкость, химическая стойкость и низкий коэффициент трения хрома обеспечивают деталям высокую износостойкость даже в тяжелых условиях эксплуатации, превышающую в 2...5 раз износостойкость закаленной стали. Наибольшей износостойкостью хромовое покрытие обладает при твердости 7000...9200 МПа. В то же время хромирование – энергоемкий, дорогой, малопроизводительный процесс, применять который нужно в строго необходимых случаях.

Хромирование используют для следующих целей:

– защитно-декоративное хромирование;

– увеличение износостойкости и срока службы пресс-форм, штампов, измерительных и режущих инструментов, трущихся поверхностей деталей машин (поршневые кольца, штоки гидроцилиндров) и др.;

– восстановление малоизношенных ответственных деталей.

Электролитыдля хромирования получают растворением в воде хромового ангидрида (СrО₃) с добавлением серной кислоты (табл. 4.63).

Таблица 4.63

Составы электролитов и режимы хромирования

Для осаждения покрытий хорошего качества и с наибольшим выходом по току необходимо, чтобы отношение СгОз/НгБОц было равным 100 (допускается изменение от 90 до 120). С этой же целью в электролите должно быть 1...2% (от количества СпОз) ионов трехвалентного хрома, который получают проработкой электролита током при температуре 45...50°С, Дк = 4...6 А/дм² и соотношении Si:S_a = 4...6. При проработке на каждый литр электролита необходимо пропустить 3...4 А · ч электричества.

Наибольшее распространение имеет электролит № 2, который позволяет получать покрытия как твердые износостойкие, так и с хорошими защитно-декоративными свойствами. Его обычно называют универсальным или стандартным.

В электролите № 4 соотношение хромового ангидрида и сульфат-ионов (SO₄) поддерживается на заданном уровне автоматически. Поэтому такой электролит называется саморегулирующимся.

Саморегулирующийся холодный электролит № 5 имеет высокие выход по току (35...40%) и скорость осаждения хрома (0,18...0,50 мм/ч), примерно в 10 раз превышающую скорость осаждения из обычных электролитов, при хорошем качестве покрытий. Однако для поддержания температуры 18...25°С при плотности тока до 300 А/дм² требуется мощный холодильный агрегат.

При хромировании обезжиренные детали завешивают в ванну, выдерживают с целью их прогрева без тока 0,5...1,5 мин и подвергают анодному травлению по описанному уже режиму. Затем переключают полярность и устанавливают заданный режим хромирования.

Продолжительность хромирования (ч) определяют приближенно (при Лк=13%):

(4.2.10)

где h – толщина покрытия, мм;

D_k – катодная плотность тока, А/дм².

Обычно малоизношенные детали хромируют в универсальном электролите (№ 2) при плотности тока 50...60 А/дм² и температуре электролита 55±2°С. Применяют нерастворимые аноды из свинца или сплава свинца с 6% сурьмы. Площадь поверхности анодов должна в 2 раза превышать площадь хромирования. Расстояние между деталями и анодами 30...50 мм.

Для восстановления крупногабаритных деталей применяют струйное и проточное хромирование.

Применение периодических токов позволяет значительно повысить производительность хромирования и качество покрытий.

Возможные дефекты хромирования и способы их устранения приведены в табл. 4.64.

Таблица 4.64

Основные дефекты хромирования и способы их устранения

Никелирование.Никель химически стоек против атмосферного воздуха, воды, щелочей и органических кислот. В серной и соляной кислотах он растворяется медленно, в разбавленной азотной – быстро. Твердость покрытий достигает 6000 МПа. Они хорошо полируются до зеркального блеска. При введении в электролит специальных добавок удается получить блестящие покрытия без полирования. Никелевые покрытия применяют обычно для защиты изделий от коррозии и декоративной отделки их поверхности. С целью восстановления изношенных деталей электролитическое никелирование практически не применяется.

В ремонтном производстве иногда применяют химическое никелирование. При этом детали погружают в нагретый до 85...95°С раствор и выдерживают в нем без электрического тока. Осаждение металла происходит в результате реакции восстановления никеля из водных растворов его солей гипофосфитом натрия (восстановитель). Покрытия осаждаются гладкими и блестящими, обладают высокой коррозионной стойкостью и твердостью. Обычно применяют кислые растворы, наиболее простые из которых приведены в таблице 4.65.

Таблица 4.65

Составы растворов и режимы химического никелирования

Плотность загрузки ванны составляет 1...2 дм²/л. В этих условиях скорость осаждения покрытий равна 10...15 мкм/ч.

Перед покрытием детали обезжиривают, промывают и подвергают химическому травлению в 5%-ном растворе соляной кислоты в течение 2...3 мин, затем снова промывают и завешивают в раствор для никелирования.

Цинкование.Цинковые покрытия обычно бывают мягкими (500...600 Пa) и пластичными. Цинкование чаще всего применяют для защиты изделий из черных металлов от коррозии. В ремонтном производстве цинковые покрытия применяют для защиты от коррозии крепежных деталей и восстановления посадочных поверхностей малонагруженных деталей.

Для цинкования разработано много составов электролитов. В ремонтном производстве применяют наиболее простые и доступные электролиты (табл. 4.66): кислые (№ 1), щелочные (№ 2 и 3), цинкатные (№ 2), аммиакатные (№ 3). Для увеличения плотности тока и производительности процесса многие электролиты перемешивают.

Кислые электролиты обладают плохой рассеивающей способностью, а покрытия, полученные в них, – меньшей коррозионной стойкостью, чем полученные в щелочных. В то же время кислые электролиты устойчивы, допускают применение высокой плотности тока при выходе цинка по току, близком к 100%. В последние годы все больше применяют щелочные цинкатные (№ 2), аммиакатные (№ 3) и другие электролиты. Они просты по составу и дешевы, обладают высокой электропроводностью и хорошей рассеивающей способностью.

Таблица 4.66

Составы электролитов и режимы цинкования

При цинковании применяют цинковые аноды марок Ц0, Ц1 и Ц2, которые во избежание загрязнения электролита необходимо помещать в чехлы из кислотостойкой ткани. Перед цинкованием детали подвергают обезжириванию промывке и химическому травлению в растворе серной кислоты.

Продолжительность (ч) цинкования определяют из выражения (при η_к 90%)

(4.2.11)

где h – толщина покрытия, мм;

D_k – катодная плотность тока, А/дм².

Мелкие и крепежные детали цинкуют в колокольных или барабанных ваннах. Колокол или барабан вращается с частотой 8...15 мин^-1.

Для восстановления посадочных отверстий под подшипники качения применяют электроконтактное цинкование (электронатирание). Цинкование проводят в электролите, содержащем 280...300 г/л сернокислого цинка и 20... 40 г/л борной кислоты. Процесс начинают вести при плотности тока 30... 50 А/дм², которую постепенно увеличивают до 200 А/дм². Скорость перемещения анодного тампона относительно покрываемой поверхности равна 10 м/мин. Активирование поверхности перед цинкованием можно проводить в этом же электролите, переключив полярность, или в растворе серной кислоты. Обычно используют размерное цинкование, т.е. покрытые поверхности не обрабатывают механически.

Применение для этих целей железоцинкового сплава значительно повышает износостойкость деталей. Его также наносят электроконтактным способом. Рекомендуется электролит следующего состава: 200...250 г/л сернокислого цинка, 80... 120 г/л сернокислого железа, 80...120 г/л сернокислого марганца и 2...3 г/л серной кислоты. Режим электролиза: температура электролита на выходе из зоны осаждения 40...45°С, плотность тока 60... 120 А/дм², частота вращения анодной головки 40... 100 мин^-1, расход электролита 4...6 л/мин. Сплав содержит 3...4% железа и обладает твердостью 800... 1200 МПа. Обезжиренные , детали подвергают анодному травлению при Да = 40...50 А/дм² в течение 30 с. Затем переключают полярность и ведут электролиз в течение 1 мин, затем в течение 2...3 мин плотность тока повышают до заданного значения. Зазор между деталью и анодным тампоном 1...1,5 мм.