Гальванические покрытия

Предельный износ многих деталей локомотивов (гильз, поршне­вых колец, поршней, плунжерных пар, щеточных окон щеткодер­жателей и др.) составляет всего десятые и сотые доли миллиметра. При восстановлении подобных деталей эффективно применение гальванических покрытий, которые позволяют не только восстано­вить первоначальные размеры, но и значительно улучшить качест­во поверхности, увеличив ее износостойкость. Структура основного металла при этом не испытывает никаких изменений, не возника­ют внутренние напряжения и деформирование деталей. Для нане­сения большинства гальванических покрытий анод изготавливают из металла, который осаждается на изделии, электролитом служит раствор соли этого же металла, а катодом — восстанавливаемая де­таль. Металл на катоде осаждается из электролита, концентрация которого остается постоянной за счет растворения анода.

Электролитические (гальванические) покрытия в ремонтном производстве делятся на следующие группы: износостойкие и ре­монтные покрытия — хромирование гильз, колец, осталивание по­садочных мест валов и т.д.; покрытия, улучшающие приработку де­талей, — лужение поршней; защитные покрытия — цинкование и кадмирование крепежных деталей; декоративные покрытия — хро­мирование и никелирование различных деталей.

Хромирование увеличивает толщину покрытия 0,1—0,3 мм, до­статочно твердого и износостойкого. Применяется для восстанов­ления цилиндровых втулок, поршневых колец и др. Хромирова­нием целесообразно также восстанавливать детали трущихся пар, сопровождающихся небольшим износом: гильзы цилиндра, плун­жерные пары топливного насоса, компрессионные кольца порш­ней дизеля и т.п.

Хром — твердый, хрупкий металл, серебристо-стального цвета, с температурой плавления 1890 °С. Процесс хромирования отличает­ся от других гальванических покрытий некоторыми особенностями.

В качестве анода применяется не хром, а свинец; причиной это­го являются легкость анодного растворения хрома; хрупкость ме­таллического хрома; высокая стоимость изготовления массивных электродов. Отношение площади анода к площади катода состав­ляет 1/1 или 2/1. В качестве электролита используется раствор хро­мового ангидрида и для улучшения протекания процесса добавля­ют до 4 % серной кислоты H₂S0₄. Во время электролиза содержа­ние хрома в электролите постоянно уменьшается, что требует пос­тоянного добавления СЮ₃ (катализатор).

Операции (переходы) гальванического процесса делятся на три этапа: подготовка, хромирование и обработка после хромирования.

Подготовка к хромированию заключается в следующем:

- механическая обработка для восстановления геометрии по­верхности детали;

— очистка детали от ржавчины и грязе-масляных отложений; химическое обезжиривание (промывка в 5—10 % растворе каyстической соды при t — 95 °С);

— электрохимическое обезжиривание: промывка в ванне со ще­лочным раствором при пропускании электрического тока (деталь — катод, анод — мягкая сталь);

— анодная обработка: в ванне с 30 % раствором H₉S0₄ с добав­лением 25 г/л закисного сернокислого железа (деталь — анод, ка­тод — свинцовые пластины, t — 20 °С, Т = 2—4 мин, плотность тока 10—60 А/дм²).

— декапирование (травление), применяется для удаления окис- ных пленок с поверхности детали, производится в тех же ваннах, где и основной процесс: деталь — анод, пластины — катод, время Т= 0,5—1 мин, плотность тока 30—35 А/дм², / = 50 °С.

После подготовки проводится основной процесс хромирования.

Обработка после хромирования заключается в следующем:

— промывка в холодной проточной воде;

— промывка в течение 1 мин в нейтрализующем 3—5 % раство­ре углекислого натрия при t = 18—25 °С;

— промывка холодной проточной водой;

— промывка горячей проточной водой;

— сушка в печи при / = 120—130 °С;

—термическая обработка при t = 200—250 °С для удаления во­дорода, Т = 2—3 ч.

После хромирования деталь подвергается механической обра­ботке.

Меняя температуру раствора, плотность тока, толщину наращи­ваемого металла, можно получить различные механические свойс­тва электролитического хрома.

Для лучшего удержания смазки на деталях применяют пористое хромирование, так как плотный беспористый хром плохо смачива­ется маслом. Применение пористых покрытий улучшает смачива­емость поверхностей самой детали в 3—5 раза, в сопряженной де­тали — в 1,5—2 раза. Пористость достигается анодной обработкой в том же растворе. Скорость травления зависит от плотности тока, должна составлять 40—60 А/дм², с увеличением температуры по­ристость уменьшается, время выдержки Т = 5—12 мин.

Преимущество хромирования — высокая твердость, износос­тойкость, жаропрочность, низкий коэффициент трения и устойчи­вость к воздействию влажной атмосферы, большинства кислот и щелочей.

Недостаток хромирования — плохая смачиваемость маслом, дли­тельность процесса и сложность подготовительных операций, не­возможность восстановления деталей с большим износом больше 0,2—0,3 мм (при большом слое хром отталкивается), малая произ­водительность — за 1 ч — 0,015—0,03 мм.

Осталивание дает возможность получения довольно твердо­го слоя без термообработки. Толщина наращиваемого слоя 2,5 - 4 мм и более. Сущность этого процесса заключается в электро­литическом осаждении железа на поверхности детали. По твер­дости и износостойкости электролитическое железо, полученное при определенных режимах, может соответствовать закаленной стали, в связи с чем применяется как наружное осталивание. Различные электролиты и режимы электролиза позволяют по­лучить как мягкие (НВ 150—180), так и твердые (НВ 200—700) покрытия.

При осталивании используют как растворимые (из малоуглеро­дистой стали), так и нерастворимые (из графита) аноды. Наибо­лее распространенным электролитом является раствор хлористо­го железа FeCl₂.

Электролиты с низкой плотностью (200—220г/л) обеспечивают получение покрытий небольшой толщины (до 0,3—0,4мм), но с вы­сокой твердостью, а в электролитах с высокой плотностью (650 700г/л) могут быть получены покрытия толщиной 0,8—1,0мм, но с меньшей твердостью. Скорость процесса осталивания составля­ет о,3—0,5мм/ч. В холодных электролитах уменьшается химичес­кая агрессивность, что упрощает защиту ванн и улучшает условия труда. Процесс протекает при 20—50°С, при малой плотности то­ка, скорость осаждения не превышает 100—130мкм/г. В электро­литах, нагретых до 50—105°С, электролиз при высоких плотнос­тях тока (10—20А/дм²) повышает скорость отложения металла. Температура электролита оказывает влияние на твердость осаж­денного металла. При снижении температуры до 75³С повыша­ется твердость до 300НВ. Однако снижение температуры приво­дит к увеличению хрупкости электролитического железа и боль­шому содержанию водорода. Нагрев уменьшает хрупкость дета­лей и количество содержащегося в слое водорода. Повышение температуры до 500—600°С снижает твердость осадка железа на 40 45 %.

Преимущество осталивания перед хромированием:

— применение более дешевых электролитов;

— применение растворимых анодов, что исключает проведение корректировки электролита; более высокая скорость процесса пок­рытия (0,3—0,5 мм/ч);

- возможность наращивания слоев большей толщины.

Недостаток осталивания:

- по своей сложности не уступает хромированию;

- электролиты агрессивно воздействуют на металл ванны, что требует изолировать их внутреннюю поверхность химически стой­кими материалами (графитовыми плитами, эмалью, резиной, ке­рамикой);

— необходимо строго поддерживать температуру в заданных пре­делах ±2 °С, так как в противном случае возникающие колебания напряжения в наращиваемом слое вызовут растрескивание и от­слаивание покрытия.

Осталиванием восстанавливают неподвижные посадки валов вертикальной передачи, водяного и масляного насоса; деталей ан­тивибратора, валов редукторов и т.п.

Меднение используют для восстановления изношенных повер­хностей деталей из меди и сплавов (вкладышей моторно-осевых подшипников, щеткодержателей). Электролит представляет собой раствор медного купороса и серной кислоты. Восстанавливаемая деталь служит катодом, анод изготавливают из отходов меди. Для гальванического покрытия поверхности вкладыша моторно-осево­го подшипника необходим ток 150—200 А при плотности электро­лита 1,17 г/см³.

Никелирование применяют в основном для декоративно-защит­ных целей тонким слоем никеля покрывают поручни лестниц (или держатели поручней), рамки зеркал заднего вида и др.

Цинкование используют для функциональной защиты деталей от атмосферной коррозии. При ремонте цинкование применяется для восстановления изношенных посадочных мест подшипников качения при толщине покрытия до 0,5 мм, а также для защитно­го покрытия крепежных деталей болтов, гаек, шайб, винтов, шу­рупов, шпилек и частей электроаппаратуры.

Все способы гальванического покрытия сопровождаются вред­ными газовыми выделениями, поэтому электролитические ванны устанавливают в изоли­рованных помещениях с уси­ленной вентиляцией, а все работы выполняют в соот­ветствии с правилами безо­пасности труда.

Электролитические пок­рытия делятся на твердые и мягкие. К твердым отно­сятся хромовые, никелевые, стальные, к мягким — пок­рытие цинком, медью, оло­вом, латунью и др. Процесс электролитического покрытия осно­ван на электролизе, т.е. способности металла осаждаться на катоде при прохождении постоянного тока через электролиты. Различают гладкие покрытия и пористые. Гладкие применяют для неподвиж­ных посадок, пористые — для подвижных.

При электролитическом натирании деталей восстанавливаемая деталь вращается в центрах станка, а к изношенной поверхности под­водится электролит. Деталь вращается со скоростью 10—20 об/мин. Производительность гальванического процесса увеличивается в 10—15 раз за счет применения более высоких плотностей тока.