Теоретичні основи електролітичного формування гальванічних покриттів

Електролітичне осадження металів у гальванотехніці здійснюється з електролітів - водних розчинів солей, кислот та основ. Під час розчинення у воді молекули цих речовин дисоціюють на протилежно заряджені частинки: позитивні іони металу та водню (M_e⁺, H⁺), які називаються катіонами, і негативні іони кислотних залишків, гідроксильних груп і кисню (SО₄^{- -}, OH^-, O^{- -}), що називаються аніонами. Такі розчини називаються електролітами і є провідниками другого роду.

Якщо в електроліт помістити металеві пластини, під’єднані до клем джерела постійного або змінного струму, то на межі поверхні металічної пластини і електроліту відбуватимуться електрохімічні реакції, тобто електроліз. Таким чином, електроліз ^_ це сукупність процесів, які проходять при проходженні електричного струму через електроліт. Метал, опущений в електроліт, у сукупності з примикаючим шаром електроліту називається електродом. Позитивний електрод називається анодом, негативний електрод - катодом.

Під дією зовнішнього електричного поля позитивні іони (катіони) переміщуються до негативного електрода-катода, при дотику до нього отримують невистачаючі електрони, перетворюються в нейтральні атоми металу і водню. Атоми металу кристалізуються на поверхні катоду (деталі), атоми водню частково поглинаються металом, а частково утворюють молекули і виходять в навколишню атмосферу.

Негативні іони (аніони) переміщуються до позитивного електроду-аноду, при дотику з ним віддають надлишок електронів, перетворюються в нейтральні атоми або групи атомів з вільними зв’язками, які реагують з розчинником і залишаються в електроліті.

У гальванотехніці в якості електролітів застосовують розчини солей і кислот тих металів, які потрібно нанести на деталь.

На анодах, крім розрядження негативно заряджених іонів, відбувається процес розчинення металу з переходом його у вигляді іонів в електроліт. Таким чином, скільки з електроліту виходить іонів металу, осаджуючись на катоді, стільки його розчиняється з анода, поповнюючи електроліт, тобто електроліт не збіднюється на іони металу.

Процес електролітичного осадження металів підпорядковується законам Фарадея: кількість речовин, виділених або розчинених на електродах, прямопропорційна кількості електрики, що пройшла через електроліт.Під час проходження через електроліт певної кількості електрики - маси речовин, що виділяються на катоді або розчиняються на аноді, пропорційні їхнім хімічним еквівалентам.

Кількість електрики, що являє собою добуток сили струму на час (), виражається числом кулонів чи ампер-годин. Для виділення на катоді одного грам-еквівалента (, де А-атомна маса; n-валентність елемента) будь-якої речовини, необхідно пропустити через електроліт кількість електрики, що дорівнює 96500 К_л або 26,8 А^.год. Атомна маса і валентність подана в додатку Б.

У гальванотехніці користуються електрохімічним еквівалентом, що являє собою кількість речовини в грамах, яка виділилась на електроді при проходженні через електроліт одиниці кількості електрики (однієї ампер-годин), г/(А^.год)

, г(А×год).

На катоді, крім осадженого металу, виділяється водень або протікають побічні процеси електрохімічного відновлення (наприклад, F_е⁺⁺⁺+е ® F_е⁺⁺). З цієї причини кількість виділеного металу менша, ніж розрахована за законом Фарадея. Для оцінки корисно використаного струму в гальванотехніці прийнято параметр - вихід по струму А_с. Його визначають як відношення практично виділеного металу на катоді до теоретично розрахованого за законом Фарадея, - тобто вихід по струму - це ККД електричного струму. Його значення знаходять з наступної залежності

де q₁ та q₂ - маса зразка, відповідно до і після нанесення покриття, г;

e - електрохімічний еквівалент, г/(А^.год);

I - сила струму, А;

t - тривалість процесу, год.

Основним параметром, який характеризує процес електролізу, є густина струму на катоді D_k або на аноді D_a, що являє собою відношення сили струму до площі електроду і виражається в амперах на квадратний метр (в даних методичних вказівках використовують одиницю ампер на квадратний дециметр (А/дм²).

У відповідності за законом Фарадея товщину h, мм, осаджуваного металевого покриття розраховують за формулою

мм,

де f - вихід по струму,%;

r -густина металу,г/см³.

Для розрахунку часу, необхідного для осадження покриття заданої товщини h, використовують співвідношення

год.

Силу струму, необхідну для осадження покриття на конкретну площу, визначають за формулою

А,

 

де S_к-площа покриття металом, дм².

Схема електролітичного процесу і схема установки для нанесення покрить зображені на рисунку 8.1 і 8.2.

Рисунок 8.1 – Схема електролітичного процесу

1 – електроліт; 2 – вольтметр; 3 – амперметр;

4 – реостат; 5 – джерело живлення; 6 – ванна

Рисунок 8.2 – Схема установки для нанесення гальванічного покриття

 

8.5.1 Відомості про процес електролітичного залізнення

Залізнення широко використовується в авторемонтному виробнитцтві через простоту методу, дешевизни використовуваних матеріалів і високої продуктивності.

Процес названий залізненням тільки за аналогії твердості покриття з твердістю сталей. В дійсності, покриття являє собою електролітичне залізо, яке за структурою і твердістю відрізняється від металургійного. Висока твердість електролітичного заліза обумовлена особливістю катодного процесу, при якому, крім заліза, в осадок входить водень, який утворює твердий розчин укорінювання з структурними перетвореннями метастабільної фази в стабільну.

На твердість осаду впливає попадання в нього невеликої кількості гідроксиду заліза, а також дрібнозернистого осаду.

В залежності від умов електролізу (концентрації електролізу, температури, густини струму), можна отримати осади заліза з різними фізико-механічними властивостями (твердість, зносостійкість, пористість, внутрішні напруження та ін.).

Маючи високу твердість і зносостійкість, деталі покриті електролітичним залізом мають на 20…25% меншу міцність ніж середньовуглецеві загартовані сталі через появу внутрішніх напружень. Це пояснюється наявністю в покритті мікротріщин, які при роботі деталей в умовах знакозмінних навантажень розширюються, подовжуються і приводять до втомного руйнування. Тому залізненням бажано відновлювати деталі, які працюють в умовах тертя, наприклад: штовхачі, впускні і випускні клапани, вісі, вали (шийки), колінчасті вали компресорів, шатуни тобто зношені поверхні деталей, які не працюють в умовах знакозмінних навантажень. Перевагою залізнення над хромуванням є те, що при хромуванні можуть бути нарощені покриття завтовшки до 0,3 мм, а під час залізнення - 1,0...1,5 мм. При великій товщині хрому проходить відшарування його від основного металу через дуже великі внутрішні напруження розтягуючого типу. Тому, однією із важливих вимог залізнення є міцне зчеплення покриття з основним металом. Зчеплення буде міцним в тому випадку, коли при розряді іонів заліза відстань між його атомами і атомами основного металу будуть не більше 5 нм (5^.10 ^-9м). При цьому здійснюється взаємодія електронних оболонок обох видів атомів, в результаті чого спостерігається фізичне зрощування з основним металом і міцність зчеплення досягає 500 МПа. Для того, щоб забезпечити необхідну відстань, потрібно акуратно знежирити поверхню деталі з метою усунення жирних плям і правильно здійснити електрохімічну обробку (анодне травлення) перед залізненням для усунення окисних плівок і оголення кристалічної структури.

Для електролітичного осадження заліза застосовують два види електродів, які розрізняються температурою процесу: холодні і гарячі. При залізненні гарячими електролітами використовують три основні групи електролітів: хлористі, сірчанокислі і змішані. На практиці встановлено, що хлористі електроліти мають перевагу над сірчанокислими і змішаними. До хлористих електролітів входить хлористе (двовалентне) залізо F_еCl₂^. 4H₂O і соляна кислота HСl. Гаряче залізнення ведеться, в цілому, на постійному струмі, а холодне на асиметрично змінному струмі промислової частоти.

Залізнення на асиметрично змінному струмі має ряд переваг перед залізненням в гарячих електролітах на постійному струмі: високу універсальність, тобто можливість одержання осадів заліза різної твердості без зміни температури електроліту і його складу; спрощену конструкцію ванн через відсутність необхідності підігріву електроліту; покращання умов праці у зв^,язку із зменшенням кількості випаровувань з поверхні електроліту; низька вартість; зменшення шорсткості поверхні осаду.

Асиметричний змінний струм можна отримати накладанням постійного струму на змінний або включенням в електричне коло двох однопівперіодних випрямлячів у протилежному напрямку і опорів, які під’єднані до цих випрямлячів. Випрямлячі регулюють струм позитивних і від’ємних складових.

Електрична схема установки для залізнення на асиметричному змінному струмі зображена на рисунку 8.3, а осцилограми кривих асиметричного змінного струму - на рисунку 8.4.

1 – понижуючий трансформатор; 2 – кремнієві діоди ВК-50;

3 – реостати; 4 – амперметри; 5 – гальванічна ванна

Рисунок 8.3 – Схема установки осталювання на асиметричному змінному струмі

 

Асиметричний змінний струм з будь-яким значенням катодної і анодної складової отримують увімкненням тих або інших секцій реостатів, які знаходяться в катодному і анодному електричному колі.

З метою зручності підбору режимів залізнення використовують коефіцієнт В, який представляє собою відношення катодної складової до анодної асиметрично змінного струму

де І_к - катодний імпульс, А;

І_а - анодний імпульс, А.

Асиметричний змінний струм покращує зчіплюваність покриття з основним металом завдяки можливості поступово підвищувати твердість осаду заліза. Спочатку, протягом 2...3 хв., осаджують шар з невисокою твердістю (1960...2450 МПа) з ненапруженою граткою, який зчіплюється значно міцніше з основним металом, ніж твердий шар з великими внутрішніми напруженнями розтягувального типу. Потім

Рисунок 8.4 – Осцилограми кривих асиметричного змінного струму

твердість поступово збільшують шляхом підвищення катодно-анодного відношення - коефіцієнт B. Таким чином, змінюючи катодно - анодне відношення (зменшенням анодної складової), можна в одній ванні мати осади різної твердості. На рисунку 8.5 і 8.6 показані графіки зміни твердості осаду заліза і швидкості нарощування його в залежності від коефіцієнту В.

Рисунок 8.5 – Графік зміни твердості осаду заліза в залежності від коефіцієнта β

 

8.5.1.1 Склад електроліту і режим електролітичного залізнення

Залізо хлористе (F_еCl₂^.4H₂O) - 400 кг/м³.

Соляна кислота (HСl) - 1,5...2,0 кг/м³.

Катодна густина струму (Dк) - 20 А/дм².

Вихід по струму (f) - 80...90 %.

Температура електроліту (T) - 293 К.

8.5.2 Порядок виконання роботи

8.5.2.1 Очищення деталі від технологічних забруднень 10 % розчином каустичної соди протягом 0.5...1 год (для виконання лабораторної роботи деталь підготовлена).

 

Рисунок 8.6 – Графік зміни швидкості нарощування шару заліза в залежності від коефіцієнта β

 

8.5.2.2 Механічна обробка поверхні деталі (шліфування), служить для зняття поверхневого дефектного шару, надання деталі правильної геометричної форми і необхідної шорсткості. Необхідно притупити гострі кромки, так як на них виникає наріст металу.

8.5.2.3 Монтаж деталей на підвісні пристрої. При цьому необхідно досягти надійного контакту деталей, підвісного пристрою і струмопідвідної шини.

8.5.2.4 Ізолювання місць, які не підлягають нарощуванню і механічних поверхонь пристрою целулоїдним лаком, хімічно стійкою фарбою або спеціаль-ними швидкознімними пластмасовими чохлами.

8.5.2.5 Знежирювання деталей (хімічне чи електрохімічне). Дана операція впливає на міцність зчеплення покриття з основним металом. В ремонтному виробництві використовують хімічний спосіб. Деталь промивають у бензині або уайт-спіриті з наступним протиранням поверхонь деталей віденським вапном (СaО^.МgО)- сумішю оксиду магнію і кальцію з домішкою 1,5 % їдкого натрію або 3% соди.

Найбільш ефективне електрохімічне знежирювання в лужних розчинах. При цьому на поверхні деталей, які вішають на катодну штангу, бурхливо виділяється водень, який сприяє механічному відриву жирової плівки. Склад розчину: їдкий натрій- 25 г/л, сода поташ - 50 г/л, тринатрійфосфат - 25 г/л, рідке скло - 3 г/л. Густина струму - 5...10А/дм². Аноди - стальні пластинки. Температура - 70...80⁰с. Час знежирювання - 10...30 хв. Щоб запобігти насиченню воднем поверхонь деталей, що збільшує ламкість основного металу, наприкінці процесу знежирювання змінюють полярність на обернену і протягом короткого часу (0.2...0.25) тривалості обробки на катоді обробляють деталі на аноді. Цього ж ефекту досягають і при електрохімічному знежирюванні змінним струмом.

8.5.2.6 Промивання в протічній гарячій, а потім в холодній воді.

8.5.2.7 Електрохімічна обробка (анодне травлення) поверхні деталі в 30% розчині сірчаної кислоти при температурі 50...60⁰С і анодній густині струму 30...40 А/дм² протягом 1...3 хв. У процесі анодної обробки одночасно з розчиненням оксидів і наклепаних поверхневих шарів металу, утворених під час механічної обробки, відбувається насичення поверхні іонами кисню, тобто утворення мономолекулярної пасивної плівки, яка оберігає поверхню від глибшого окислення, ніж на товщину цієї плівки, під час промивання деталей і перебування їх в електроліті до вмикання електричного струму.

8.5.2.8 Промивання деталей в протічній воді.

8.5.2.9 Нанесення покриття. Здійснюється в спеціальних ваннах, футерованих хімічно стійкими матеріалами. Аноди використовують розчинні із маловуглецевої сталі марок 10 або 20.

Після завантаження деталей в ванну залізнення, вмикають асиметрично змінний струм (I_a<I_k на 15...20%) протягом 30-40 с для руйнування пасивної плівки. Після, не вимикаючи струму, виводять на режим, який полягає в посту-повому зменшенні анодної складової асиметрично змінного струму.

8.5.2.10 Вихід на режим твердого залізнення:

а) осадження заліза протягом 2 хв при В =2, твердість осаду заліза- 2500...2800 МПа;

б) осадження заліза протягом 2 хв при В =4, твердість осаду – 4000 МПа;

в) осадження заліза протягом 2 хв при В =6, твердість осаду – 6000 МПа;

г) осадження електролітичного заліза при В =8, до отримання покриття необхідної товщини.

8.5.2.11 Вимкнути струм, вийняти деталі, промити їх в протічній воді, висушити і демонтувати з підвісного пристрою.

8.5.2.12 Контроль якості покриття. Виконати оцінку шорсткості, оцінку дендритоутворення, оцінку міцності зчеплення способом ударних навантажень, а також оцінку мікротвердості покриття. Визначити масу деталі після нарощування.

8.5.2.13 Механічна обробка - шліфування до необхідних розмірів і якості поверхні у відповідності з технічними умовами.

Технологічні процеси отримання інших електролітичних покриттів, приблизно, аналогічні.

8.5.3 Охорона праці і техніка безпеки

Гальванічне виробнитцтво пов^,язане з виділенням шкідливих для організму людини пари, газів і пилу різних хімічних речовин. Під час відновлення спрацьованих деталей машин застосовують шкідливі кислоти, луги і речовини. При роботі в гальванічних лабораторіях або дільницях необхідно виконувати наступні вимоги щодо охорони праці і техніки безпеки. Основні з них:

- до роботи допускаються особи з дозволу викладача, які пройшли відповідний інструктаж;

- видалення з цеху пари, газів, надмірної вологи та пилу за допомогою загальної і місцевої припливно-витяжної вентиляції (5...10 м³/хв). В лабораторних умовах при використанні ванн малих об^,ємів можна використовувати витяжну шафу;

- застосування в цеху парового чи водяного опалення і підтримання температури в приміщенні в межах 288...291 К;

- достатня площа цеху і його висота, яка має не менше як 5 м;

- підлога приміщення має бути викладена метлахською плиткою, а стіни на висоту 1.5...2 м від підлоги облицьовані керамічною плиткою;

- при роботі з шкідливими електролітами необхідно одягати справні спецодяг та спецвзуття (гумові рукавички, чоботи, фартух та окуляри);

- ванни з розчинами після роботи необхідно закривати спеціальними кришками;

– готуючи електроліт, треба лити кислоту у воду, а не навпаки;

-при попаданні кислот або лугів на шкіру або в очі пошкоджене місце необхідно терміново промити струменем води і нейтралізувати кислоту за допомогою 3...5 % розчину кальцинованої соди, а луг нейтралізувати 1% розчином соляної кислоти або 2% розчином оцтової кислоти;

-до струмопідвідних штанг при включеній установці забороняється доторкатися незахищеними руками;

- у лабораторії КАТЕГОРИЧНО ЗАБОРОНЯЄТЬСЯ зберігати і вживати харчі, доторкатися до обличчя, роту, носу і очей немитими руками;

-при будь-яких вищенаведених порушеннях доповідати викладачу або лаборанту.

8.5.4 Обробка результатів і складання звіту

8.5.4.1 Основні дані про деталь:

8.5.4.1.1 Назва деталі ___________________________

8.5.4.1.2 Матеріал ______________________________

8.5.4.1.3 Вага деталі q_1,2 _________________________

8.5.4.1.4 Розмір і ескіз деталі:

а) діаметр, ширина, мм ____________________

б) довжина, мм ___________________________

в) площа Sдет, дм²_________________________

г) товщина h₂, мм _________________________

8.5.4.2 Основні дані до технологічного процесу

8.5.4.2.1 Вид покриття ____________________________

8.5.4.2.2 Товщина покриття, мм: h= h₁-h₂,

де h₁ - товщина деталі з покриттям, мм;

h₂ - товщина деталі перед нанесенням покриття, мм.

8.5.4.2.3 Режим нанесення покриття (задані і розрахункові показники процесу):

- катодна густина струму Дк, _________________

- розрахунковий катодний струм А ___________________

-катодно-анодний показник _______________

-анодний імпульс ________________________

-електрохімічний еквівалент ____

-вихід металу по струму _________

-товщина покриття _____________

-час нанесення покриття відповідної товщини _______________________

8.5.4.3 Виконати аналіз отриманих і розрахункових параметрів h,t та інше.

8.5.4.4 Висновки

8.6 Контрольні питання

1. Як визначається кількість речовини, яка виділяється із електроліту в процесі електролізу?

2. Що характеризує електрохімічний еквівалент?

3. Які чинники впливають на електрохімічний еквівалент?

4. Як визначається вихід по струму?

5. Які вихідні дані використовують для визначення сили струму при нанесенні електролітичних покриттів?

6. За якою формулою визначають товщину осадженого металу?

7. За якою формулою визначають необхідний час для нанесення покриття?

8. Які операції входять у технологічний процес підготовки деталей до нарощування?

9. Як проводиться електрохімічна обробка деталей перед нарощуванням?

10.Чим відрізняється процес залізнення на асиметричному змінному струмі від процесу на постійному струмі?

11. Як визначають коефіцієнт асиметрії, яке його призначення?

12. Як пояснюється деяка втрата втомної міцності електролітичного залізнення?

13. Які електроліти використовують для залізнення?

14. Як вибирають густину струму?

15. Які компоненти входять в електроліт при залізненні змінним асиметричним струмом?

16. Чому дорівнює вихід по струму при асиметричному залізненні?

17. Які основні правила охорони праці і техніки безпеки необхідно виконувати при нанесенні гальванічних покриттів?

 

Рекомендована література: [3, с.371-373, 466-477]; [6, с. 101-104]; [7, с. 269-287]; [11, с. 5-21, 161-175].

 

 

Рекомендована література

 

1. Боднев А.Т., Шаверин Н.Н. Лабораторный практикум по ремонту автомобилей. – Учеб. пособие. – М.: Транспорт, 1989. – 142с.

2. Цеханов А.Д. Лабораторный практикум по ремонту автомобилей. – Учеб. пособие – М.: Транпорт, 1978. – 136с.

3. Основи технічного обслуговування і ремонту автомобілів. У 3 кн. Кн. 3. Ремонт автотранспортних засобів: Підручник / В.Є. Канарчук, О.А. Лудченко, А.Д. Чигиринець. – К.: Вища шк.., 1994. – 599с.

4. Красильников В.Е., Перлов В.А., Сметнев Н.Н. Лабораторный практикум по технологии производства и ремонта автотракторного электрооборудования: Учеб. пособие для машиностроительных техникумов. – М.: Машиностроение, 1986. – 128с.

5. Справочник технолога авторемонтного производства. Под ред. Г.А.Малишева. – М.: Транспорт, 1977. – 432с.

6. Капитальный ремонт автомобилей. Справочник / Л.В. Дехтеринский, Р.Е. Есенберлин, К.Х. Ахмаев и др. Под ред. Есенберлина. – М.: Транспорт 1989. – 335 с.

7. Шадричев В.А. Основы технологии автостроения и ремонт автомобилей: Учебник для вузов – Л.: Машиностроение, 1976. – 560с.

8. Стародубцева В.С. Сборник задач по техническому нормированию в машиностроении. - М.; Машиностроение, 1974, 272 с.

9. Режимы резания металлов. Справочник Под ред. Барановского Ю.В.- М., Машиностроение, 1972, 407 с.

10. Миллер Э.Э. Техническое нормирование труда в машиностроении. – М.: Машиностроение, 1972 – 248с.

11. Ямпольский А. М., Ильин В. А. Краткий справочник гальванотехника.-М.:Машгиз, 1962,-244с.

 

 

 

Таблиця А.3- Розмірні групи гільз та поршнів двигуна ЗИЛ-130

Найменування розміру	Розмір, мм	Позначення розмірної групи гільзи та поршня
	Гільзи	Поршні	До жовтня 1972	З жовтня 1972
Основний за робочим кресленням	100,06-100,05 100,05-100,04 100,04-100,03 100,03-100,02 100,02-100,01 100,01-100,00	99,99-99,98 99,98-99,97 99,97-99,96 99,96-99,95 99,95-99,94 99,94-99,93	А АА Б ББ В ВВ	Е Д Г В Б А
1 - ий ремонтний розмір	100,56-100,55 100,55-100,54 100,54-100,53 100,53-100,52 100,52-100,51 100,51-100,50	100,49-100,48 100,48-100,47 100,47-100,46 100,46-100,45 100,45-100,44 100,44-100,43	Г ГГ Д ДД Е ЕЕ	М Л К И З Ж
2- ий ремонтний розмір	101,06-101,05 101,05-101,04 101,04-101,03 101,03-101,02 101,02-101,01 101,01-101,00	100,99-100,98 100,98-100,97 100,97-100,96 100,96-100,95 100,95-100,94 100,94-100,93	Ж ЖЖ И ИИ К КК	Т С Р П О Н

 

Додаток Б

Атомні маси деяких елементів

Найменуван-ня	Позначення	Валентність	Атомна маса
Залізо Золото Кадмій Марганець Мідь Нікель Олово Паладій Радій Свинець Срібло Сурма Хром Цинк	Fe Au Cd Mn Cu Ni Sn Pd Ra Pb Ag Sb Cr Zn	2, 3 1, 3 2-7 1, 2 2, 4 2, 4 2, 3 3, 5 2, 3, 6	55,85 197,0 112,41 54,94 63,54 58,69 118,7 106,7 102,91 207,21 107,88 121,76 52,01 65,38