Технологические режимы электролиза

 

Наносимый металл	g, г/см^3	a, г/(Ач)	h, %	h, мкм (максимум)
Хром	6,9...7,1	0,324	11...32
Железо	7,7...7,8	1,042	85...95	100...150
Цинк	7,0	1,220	97...99	6...24
Медь	8,9	1,186	80...90	До 25
Никель	8,8	1,095	90...94	2...60

 

Используемые при осаждении металлов электролиты чаще все­го в своей основе содержат растворы солей осажденных металлов. Технологический процесс восстановления деталей нанесением покрытий включает три этапа: подготовка поверхностей деталей; осаждение покрытий; обработка нанесенного покрытия.

Подготовка деталей к покрытию состоит из механической об­работки поверхностей, обезжиривания обработанной поверхнос­ти и декапирования.

Механическая обработка включает пескоструйную обработ­ку, шлифование и полирование. Выбор способа механической обработки зависит от назначения покрытия. Когда покрытие на­носят с целью восстановления изношенной поверхности, про­изводят шлифование для получения правильной геометричес­кой формы и полирование для получения необходимой шерохо­ватости поверхности. Шлифование выполняют на шлифовальных станках с использованием шлифовальных или войлочных кру­гов, накатанных абразивным порошком. Полирование произво­дят бязевыми кругами, на которые наносят полировальные пас­ты (обычно пасту ГОИ).

Детали, наращиваемые противокоррозионными покрытиями, обычно подвергаются пескоструйной (металлическим «песком») обработке.

Поверхности деталей, не подле­жащие восстановлению, изолируют (при хромировании используют токонепроводящие материалы — лаки и синтетические материалы: поли­хлорвиниловый пластик, цапон-лак и др.). Затем детали монтируются на подвесное приспособление (рис. 16.2). Обезжиривание деталей произво­дят одним из следующих способов:

обрабатывают поверхность ра­створителями (бензин, уайт-спи­рит, четыреххлористый углерод, ацетон и другие растворители);

проводят механическую очистку венской известью (кашицеобразным раствором кальцемагниевой извести);

обезжиривают в растворах щелочей (проводят путем погруже­ния деталей в горячий щелочной раствор (t = 60 °С) и выдержки в нем 5... 60 мин);

проводят электрохимическое обезжиривание в растворах щело­чей. Оно заключается в погружении деталей в горячий (7 = 60... 80 °С) щелочной раствор, через который пропускают ток (катод — дета­ли, а анод — пластины из малоуглеродистой стали). Плотность тока 5... 10 А/дм², длительность процесса — 1... 2 мин. Выделяющийся на поверхности детали водород в виде пузырьков срывает с поверхно­сти жировую пленку.

Декапирование (анодная обработка деталей) — это удале­ние тончайших окисных пленок с обрабатываемой поверхности детали, которые образуются во время обезжиривания и промыв­ки, а также обнажения структуры металла детали.

При хромировании обработку ведут в основном электролите, при этом детали сначала выдерживаются 1... 2 мин без тока для нагрева детали до температуры электролита, а затем проводят сам процесс в течение 30...45 с при анодной плотности тока 25... 35 А/дм². Пос­ле этого, не вынимая детали из ванны, переключают деталь на ка­тод и хромируют ее.

При железнении анодную обработку ведут не в основном элек­тролите, а в специальном.

Хромирование

Хромирование получило широкое распространение как для вос­становления деталей и повышения их износостойкости, так и для декоративных и противокоррозионных целей.

Преимущества электролитического хрома: электролитичес­кий хром — металл серебристо-белого цвета с высокой микро­твердостью 400... 1200 МН/м² (в 1,5... 2,0 раза выше, чем при закалке ТВЧ), близкой к микротвердости корунда; обладает высокой из­носостойкостью, особенно в абразивной среде (в 2...3 раза по срав­нению с закаленной сталью); устойчивостью в отношении хими­ческих и температурных воздействий, причем высокая коррозион­ная стойкость сочетается с красивым внешним видом; имеет низкий коэффициент трения (на 50 % ниже, чем у стали и чугуна); высо­кую прочность сцепления покрытия с поверхностью детали.

Недостатки хромирования и хромового покрытия: низкий выход металла по току (8...42%); небольшая скорость отложения осадков (0,03 мм/ч); высокая агрессивность электролита; большое количество ядовитых выделений, образующихся при электролизе; толщина отложения покрытия практически не превышает 0,3 мм; гладкий хром плохо удерживает смазочное масло.

Электролитические осаждения хрома отличаются от других галь­ванических процессов как по составу электролита, так и по усло­виям протекания процесса. Эти особенности состоят в следующем:

в качестве электролита используют хромовую кислоту (водный рас­твор хромового ангидрида СгО₃) с небольшими добавками серной кислоты (H₂SO₄), а не растворы их солей, как при осаждении других металлов. Концентрация хромового ангидрида в электролите может колебаться в широких пределах — от 100 до 400 г/л, а серной кислоты — от 1 до 4 г/л (причем соотношение CrO₃: H₂SO₄ должно на­ходиться в пределах 90... 120). В этом случае выход по току хрома наи­больший и процесс идет устойчиво. Количество трехвалентного хро­ма в ванне должно быть 3...4% содержания хромового ангидрида;

электролиз в хромовокислых электролитах ведется с нераство­римыми свинцово-сурьмистыми анодами. Применение раствори­мых хромовых анодов невозможно ввиду того, что анодный выход по току хрома в 6...8 раз выше катодного;

процесс осаждения хрома проводится при высокой катодной плотности тока (D_к = 20…30 А/дм₂). При повышении катодной плотности тока увеличиваются твердость осадка и хрупкость слоя, а при пониженных значениях D_к осадки получаются пластичными;

обратная зависимость выхода по току от температуры электро­лита и его концентрации. С повышением концентрации электро­лита выход по току резко понижается, тогда как в большинстве других гальванических процессов выход по току повышается;

хромовые ванны имеют плохую растворяющую способность, т. е. толщина осадков оказывается неравномерной в зависимости от положения анода по отношению к детали (катоду). На ближайших к аноду участках получается большая толщина слоя, а на удален­ных — меньшая;

возникновение значительных растягивающих напряжений в элек­тролитически осажденном слое. Напряжение тем больше, чем тол­ще покрытие. При определенной толщине растягивающие напря­жения достигают таких значений, которые приводят к отслоению покрытия. В хромовых покрытиях в связи с этим снижается устало­стная прочность на 20...30%.

Указанные недостатки хромовых покрытий накладывают огра­ничение на максимально допустимую толщину слоя, которая не должна превышать 0,3 мм.

В зависимости от вида хрома выбирают состав электролита и определяют режим нанесения покрытия (табл. 16.2). Время, необ­ходимое для получения заданной толщины покрытия, рассчиты­вают по формуле (16.3). В ремонтной практике наибольшее распро­странение получил универсальный электролит.

Таблица 16.2 Состав электролитов и режимы хромирования

 

Наименование компонентов и параметров	Электролит и условия электролиза
Разведен­ный	Универсаль­ный	Концентриро­ванный
Хромовый ангидрид (Сг03), г/л	120...150	200...250	350...400
Серная кислота (H2SО4), г/л	1,2...1,5	2,0...2, 5	3,5... 4,0
Температура электролита, °С	40...100	20...60	15...30
Плотность тока, А/дм^2	50...65	45...55	40...50
Выход по току, %	16...18	13...15	10...12

 

При хромировании получают блестящие, молочные или серые покрытия (рис. 16.3). Блестящий хром характеризуется высокой мик­ротвердостью (600...900 МН/м²), мелкой сеткой трещин, види­мой под микроскопом. Осадки хрупкие, но с высокой износостой­костью. Молочный хром характеризуется пониженной микротвердостыо (400...600 МН/м²), пластичностью и высокой коррозионной стойкостью. Серый хром отличается весьма высокой микротвердостью (900...1200 МН/м²) и повышенной хрупкостью, что снижает его износостойкость.

В зависимости от того, в каких условиях работает восстановлен­ная деталь, стремятся получить тот или иной вид осадка. Напри­мер, для деталей неподвижных соединений могут применяться как блестящие, так и молочные осадки. В подвижных соединениях, работающих при давлениях до 0,5 МПа, рекомендуются блестя­щие осадки; в деталях, работающих при давлениях свыше 5 МПа и знакопеременной нагрузке, — молочные осадки.

Саморегулирующий электролит. Его применяют для более устой­чивой работы ванн хромирования. Это достигается путем введения в ванну труднорастворимого сульфата стронция. Наиболее широ­кое распространение получил электро­лит следующего состава (г/л): хромовый ангидрид СгО₃ — 200...300, сульфат стронция SrSO₄ — 5,5...5,6, кремнефторид калия K₂SiF₆ — 18...20. Плотность тока D_к = 40...80 А/дм², температура 55...65°С. Выход по току в этом элект­ролите равен h = 17... 19%. Положи­тельные свойства электролита — возможность применения более высо­ких плотностей; скорость осаждения выше, чем в сернокислых электроли­тах; хорошая рассеивающая способ­ность; меньшая чувствительность к из­менению температуры и к загрязнению электролита железом, медью и другими металлами. Отрицательные с в о й с т в а: агрессивность и ядовитость электролита; детали подвесных приспособлений, аноды и детали ванн разрушаются больше, чем в сер­нокислом электролите.

Холодные электролиты в ремонтном производстве применяют двух типов: электролит с добавкой фтористых солей и тетрахроматные Наибольшее распространение для восстановления изношенных дета­лей получил тетрахроматный электролит следующего состава (г/л)-СгО₃ - 350...400, NaOH - 40...50, H₂SO₄ - 2...2,5, сахар - 1...2. Режим электролиза: катодная плотность тока D_к = 50... 100 А/дм² температура раствора — 17... 23 °С. Этот электролит позволяет полу­чать качественные осадки с большой производительностью (выход по току 30... 33 %), имеет меньшие внутренние напряжения. Покры­тия получаются более мягкие, беспористые (без трещин), серого оттенка, легко полируемые до зеркального блеска. Применяют для получения защитно-декоративных покрытий. Особенность тетрахроматных электролитов — малая агрессивность к углеродистым сталям. Поэтому вполне допустимо изготовление ванн для хромирования из малоуглеродистой листовой стали без дополнительной футеровки.

Саморегулирующийся холодный электролит — наиболее перспек­тивный электролит. Его состав (г/л): хромовый ангидрид — 380...420, кальций углекислый — 60...75, кобальт сернокислый — 18...20. Режим электролиза: катодная плотность D_к = 100...300 А/дм², тем­пература электролита — 18...25°С. Преимущества электроли­та — высокий выход по току (35...40%). Недостаток — требу­ются мощные холодильные агрегаты для достижения 18... 25 °С при высокой плотности тока (до 200 А/дм²).

Специальные процессы хромирования. Пористое хромирование. При­меняют для повышения износостойкости деталей, работающих при больших давлениях и тем­пературах и недостаточ­ной смазке. Пористый хром представляет собой покрытие, на поверхнос­ти которого специально создается большое коли­чество пор или сетка тре­щин, достаточно широ­ких для проникновения в них масла. Его можно по­лучить механическим, хи­мическим и электрохими­ческим способами. Наибо­лее широко применяют электрохимический спо­соб, который заключает­ся в том, что хром осаж­дается при режиме блес­тящего хромирования, обусловливающем появление в покрытии сетки микротрещин. Для их расширения и углубления покрытие подвергают анодной обра­ботке в электролите того же состава, что и при хромировании, g зависимости от режима хромирования и анодного травления мож­но выполнить пористость двух типов: канальчатую и точечную. Для получения пористых покрытий деталь хромируют в универсаль­ном электролите при плотности тока 40... 50 А/дм², а затем переклю­чают полярность ванны и проводят анодное травление при той же плотности тока. Канальчатую пористость получают при температу­ре электролита 58...62°С и продолжительности травления 6...9 мин, а точечную — при 50...52°С и 10... 12 мин. Пористые покрытия используют при размерном хромировании, например поршневых колец. Их толщина составляет 0,1...0,15 мм. Пористое хромирова­ние колец увеличивает их износостойкость в 2...3 раза, а износос­тойкость гильзы — в 1,5 раза. Детали, покрытые пористым хро­мом, обычно подвергают термообработке в масле при температуре 150... 200 °С в течение 1,5... 2 ч для устранения водородной хрупко­сти и насыщения пор маслом.

Струйное хромирование. Его проводят в саморегулирующемся электролите при температуре 50... 60 °С в широком диапазоне плот­ности тока, достигающей 200 А/дм². Скорость протекания электро­лита 40...60 см/с, катодно-анодное расстояние — 15 мм. При этом получают блестящие покрытия. Выход по току достигает 22 %, что вместе с высокой плотностью тока ускоряет процесс осаждения хрома: при t = 50 °С и D_к = 100 А/дм² скорость осаждения состав­ляет 0,1 мм/ч. При струйном хромировании в тетрахроматном элек­тролите высококачественные покрытия осаждаются при D_к = 150... 160 А/дм² со скоростью 0,25 мм/ч. В универсальном элект­ролите хромируют: при температуре — 50 °С, плотности тока — 70...90 А/дм², скорости протекания электролита — 100... 120 см/с, катодно-анодном расстоянии 15 мм. Скорость осаждения хрома со­ставляет 0,08...0,10 мм/ч. Схема установки для струйного хроми­рования показана на рис. 16.4.

Протонное хромирование. Оно обеспечивает блестящие покрытия повышенной твердости и износостойкости и улучшенной равно­мерности покрытия в универсальном электролите с повышенным содержанием серной кислоты (3...7 г/л) при температуре — 55...65°С, плотности тока — 100... 150 А/дм², скорости протекания электролита — 100... 120 см/с и межэлектродном расстоянии — 15...30 мм. Выход по току составляет 20...21 %. Способ эффективен Для хромирования цилиндров и коленчатых валов двигателей.

Железнеиие

Процесс железнения представляет собой осаждение металла На ремонтируемую поверхность детали в водных растворах солей Железа. Он нашел широкое применение при восстановлении деталей с износом от нескольких микрометров до 1,5 мм на сторону. Производительность процесса железнения примерно в 10 раз вьше, чем при хромировании. Средняя скорость осаждения металла составляет 0,72... 1 мкм/с, а выход металла по току равен 80...95 %.

Железнение возможно из водных растворов сернокислых или хлористых закисных солей. Сернокислые электролиты по сравне­нию с хлористыми менее агрессивны, ниже по производительно­сти и при одних и тех же условиях электролиза осадки отклады­ваются хрупкие, с большими внутренними напряжениями. Исход­ный материал сернокислых электролитов дороже хлористых. В ремонтной практике наибольшее распространение получили хлористые электролиты. Выбор того или иного электролита зави­сит от условий работы деталей и производственных возможнос­тей предприятий.

Электролит готовят растворением в воде солей хлористого же­леза и других компонентов. Если для приготовления электролита используется стружка из малоуглеродистой стали, то ее перед упот­реблением подвергают обезжириванию в 10...15%-ном растворе каустической соды при температуре 80...90°С, а затем промывают в горячей (t = 70...80°С) воде. После этого обезжиренную стружку травят до насыщения соляной кислоты.

Электролиты бывают горячие и холодные. Горячие электроли­ты (t = 60...95°С) производительнее холодных, но при работе с ними необходимы дополнительный расход энергии на поддержа­ние высокой температуры электролита, частая его корректиров­ка, дополнительная вентиляция и большая предосторожность со стороны рабочих.

Холодные электролиты (t < 50 °С) устойчивее против окисле­ния. Позволяют получать качественные покрытия с лучшими ме­ханическими свойствами. Во все холодные электролиты вводится хлористый марганец, который замедляет образование дендритов и способствует получению гладких покрытий большой толщины. Мар­ганец на электроде не осаждается и сохраняется в электролите длительное время.

При железнении применяют растворимые аноды, изготовлен­ные из малоуглеродистой стали с содержанием углерода до 0,2%. При электролизе аноды растворяются, образуя на поверхности не­растворимый шлам, состоящий из углерода, серы, фосфора и дру­гих примесей. Попадая в ванну, они загрязняют ее и ухудшают качество покрытий. Во избежание этого аноды необходимо поме­щать в диафрагмы из пористой керамики или чехлы, сшитые из кислотостойкого материала (стеклоткань, шерсть и др.).

Железнение проводят в стальных ваннах, внутренние стенки которых облицовывают кислотостойкими материалами (антегмитовая плитка АТМ-1, эмаль типа 105А, железокремниймолибденовый сплав МФ-15, кислотостойкая резина, фторопласт-3, кера­мика, фарфор). Один из существенных недостатков процесса железнения — болъшое количество водорода в осадке (до 2,5 м³ на 1 мкг осадка). Он в осадке находится в различных формах и отрицательно влияет на механические свойства восстановленных деталей. С целью освобож­дения от водорода в осадке необходимо детали после железнения подвергать низкотемпературному сульфидированию с последующей размерно-чистовой обработкой пластическим деформи­рованием. В этом случае усталостная прочность деталей повышает­ся на 40...45%, а износостойкость возрастает в 1,5...2 раза.

При восстановлении крупногабаритных деталей сложной конфи­гурации (блоки цилиндров, картеры коробок передач и задних мос­тов, коленчатые валы и другие) возникают трудности, связанные 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 т.д. Для железнения таких деталей применяют вневанный способ.

Принцип вневанного железнения — это в зоне нанесения по­крытия создание местной ванны (электролитической ячейки), при сохранении традиционной технологии железнения. В этом случае непокрываемые поверхности не изолируют, уменьшается обедне­ние прикатодного слоя электролита и возможно увеличение плот­ности тока в несколько раз и, следовательно, повышение произ­водительности процесса.

Способы вневанного осаждения металлов. Струйное железнение. С помощью насоса электролит подают струями в межэлектродное пространство через отверстия насадка. Насадок одновременно слу­жит анодом и местной ванночкой. Для получения равномерного покрытия деталь вращает­ся с частотой до 20 мин^-1. Железнение возможно из концентрированного хо­лодного хлористого электролита при плотнос­ти тока D_к = 40...55 А/дм² с производительностью 0,4 мм/ч. Для упрощения технологического процес­са применительно к ре­монту шеек коленчатых ва­лов разработана электроли­тическая ячейка (рис. 16.5), которая дает возможность вести железнение и хро­мирование шеек без вращения детали. В эту ячейку электролит поступает под давлением через патрубок 1 и благодаря наклонному распо­ложению отверстий в цилинд­рическом аноде 8 приобрета­ет вращательное движение вокруг катода. Скорость проте­кания электролита в анодно-катодном пространстве при­нимают 100... 150 см/с при удельном его расходе 40... 45 л/мин на 1 дм² покрывае­мой поверхности.

Проточное железнение. С по­мощью приспособлений изно­шенное отверстие детали пре­вращается в закрытую мест­ную гальваническую ванночку. В ее центр устанавливают анод 5 (рис. 16.6) и через нее прокачивают насосом элект­ролит. Анод и деталь непод­вижны. При их подключении к источнику постоянного тока на поверхности отверстия осаждается железо. Электролит протекает в катодно-анодном пространстве со скоростью 15... 18 см/с. Температура электролита — 75... 80 °С, катодная плот­ность тока — 25...30 А/дм². Осаждаются качественные гладкие по­крытия со скоростью 0,3 мм/ч, толщиной до 0,7 мм и твердостью 4000...4500 МПа. Износостойкость восстановленных данным спо­собом посадочных поверхностей на 25...50% выше износостой­кости новых.

Электронатирание. При этом способе осаждения металла де­таль не опускается в ванну, а устанавливается либо на специаль­ном столе, либо в центрах (патрон) товарного станка и присое­диняется к катоду источника постоянного тока (рис. 16.7). Ано­дом служит стержень 4, изготовленный из любого металла или графита и обернутый каким-либо адсорбирующим материалом так, чтобы образовался плотный тампон 5. Тампон в зависимости от требуемого покрытия пропитывают электролитом до полного его насыщения и посредством кабеля соединяют с анодом источ­ника тока. Анодный тампон, непрерывно смачиваемый электроли­том, из сосуда 1 накладывают на деталь 8, которая медленно вра­щается, и устанавливают требуемую плотность тока. В системе катод (деталь 8) — тампон 5 (своего рода гальваническая ванна) — анод (стержень 4) протекает электрохимическая реакция и на поверхности катода (детали) осаждается тот или другой металл. Стекающий электролит собирается в ванну 9 для повторного ис­пользования. Постоянное поступление в зону электролиза свеже­го электролита и перемещение анода по покрываемой поверхности препятствуют росту зародившихся кристаллов металла, снижают внутренние напряжения в покрытии и уменьшают дендрито-образование. Все это позволяет получать мелкозернистые покры­тия высокого качества. Этот способ железнения целесообразно применять для восстановления посадочных поверхностей круп­ных валов, осей и корпусных деталей.