КЛАССИФИКАЦИЯ И ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СПОСОБОВ ГАЛЬВАНИЧЕСКОГО И ХИМИЧЕСКОГО НАРАЩИВАНИЯ МАТЕРИАЛА

Гальванические и химические по­крытия применяют в ремонтном про­изводстве для восстановления размеров изношенных поверхностей дета­лей, повышения их износостойкости, защиты деталей от коррозии, прида­ния поверхностям эстетичного внешнего вида, улучшения прирабатываемости трущихся поверхностей, защиты их от науглероживания при цементации.

Возможность применения тех или иных способов восстановления раз­меров изношенных поверхностей деталей гальваническими и химически­ми покрытиями зависит от степени износа деталей автомобилей, посту­пающих в капитальный ремонт. В связи с тем что при хромировании мо­гут быть наращены покрытия толщи­ной до 0, 3 мм, а при железнении 1, 0 — 1, 5 мм и более, эти процессы обеспе­чивают возможность восстановления довольно большой номенклатуры де­талей автомобилей практически при любом их износе.

Восстановление деталей гальвани­ческими покрытиями обладает сле­дующими достоинствами в сравнении с другими способами восстановле­ния:

отсутствием термического воздей­ствия на детали, вызывающего в них нежелательные изменения структу­ры и механических свойств;

получением с большой точностью заданной толщины покрытий, что по­зволяет снизить до минимума припуск на последующую механическую обработку и ее трудоемкость;

осаждением покрытий с заданными непостоянными по толщине физи­ко-механическими свойствами;

одновременным восстановлением большого числа деталей, что снижает трудоемкость и себестоимость ремонта единицы изделия; автоматизацией технологического процесса.

Гальванические и химические по­крытия классифицируют по назначе­нию, способу получения и характеру защиты. По назначению их делят на покрытия для компенсации износа, защиты, защитно-декоративные и специальные покрытия. Назначение первых — обеспечить возможность повторного использования деталей в результате компенсации износа их рабочих поверхностей. Основная цель защитного покрытия — защита поверхности от атмосферной корро­зии. Защитно-декоративные покры­тия защищают детали от коррозии и придают им эстетический вид. Специ­альные покрытия применяют для придания деталям поверхностной твердости, износо- и жаростойкости, отражательной способности, элект­ропроводности, изоляционных и дру­гих специальных свойств.

По способу получения металличе­ские покрытия можно разделить на физические, химические и гальванические. Наиболее распространенным способом в ремонтном производстве является гальванический..

По характеру защиты металличе­ские покрытия делят на анодные и катодные. Характер защиты зависит от электрохимической характеристи­ки металла покрытия по отношению к основному металлу детали в условиях эксплуатационной среды. Относи­тельная электрохимическая характе­ристика металлов определяется значениями их стандартных электрод­ных потенциалов, приведенными в табл. 10.1.

Покрытия, имеющие од сравнению с Металлом детали более отрица­тельный потенциал, называются анодными. Основной металл элект­рохимически защищает только анод­ные покрытия. В этом случае элект­рохимический потенциал металла по­крытия электроотрицательнее потен­циала покрываемого металла (ме­талла детали). В порах такого покры­тия при наличии влаги между металлом покрытия и металлом основы возникает замкнутый гальваниче­ский элемент, в котором анодом бу­дет металл покрытия. При этом ме­талл покрытия, разрушаясь, защи­щает основной металл детали (рис. 10.1, а).

К анодным покрытиям можно отнести цинковые покрытия на стали, ни­келевые на медики т. д.

Покрытия металлами, потенциал которых положительнее потенциала металла детали в условиях эксплуа­тации, называют катодными. Такие покрытия защищают детали только механическими качество защиты за­висит в основном от сплошности по­крытия: чем меньше пор, тем оно вы­ше. Это объясняется тел, что при воз­никновении гальванической пары металл основы становится анодом и при эксплуатации будет интенсивно рас­творяться (рис. 10.1, б). К катодным покрытиям следует отнести медные и никелевые — по. стили, золотые и серебряные— по меди.

Электролитическое осаждение ме­таллов в гальванике осуществляется из электролитов — водных растворов со­лей, кислот и оснований. При растворе­нии в воде молекулы этих веществ диссоциируют на противоположно заря­женные частицы: положительные ионы металла Ме⁺ и водорода Н+, которые называются катионами, и отрица­тельные ионы кислотных остатков, SO₄^--, гидроксильных групп ОН^- и кислорода О^—, называемые аниона­ми. Такие растворы являются проводниками II рода. Если в электролит поместить металлические пластины, подсоединенные к клеммам источни­ка постоянного или переменного то­ка, на границе поверхности металли­ческой пластины и электролита про­текают электрохимические реакции, т. е. происходит электролиз (рис. 10.2).

Таблица 10, 1. Стандартные электродные потенциалы металлов в водных растворах при 298 °К

В качестве электролитов применя­ют растворы кислот и солей тех ме­таллов, которые необходимо нанести на деталь. На анодах, помимо раз­рядки отрицательных ионов, проте­кает процесс растворения металла с переходом его в виде ионов в электро­лит. Таким образом, сколько из электролита уходит ионов металла, осаждаясь на катоде, столько же раство­ряется с анодов, пополняй электро­лит, т. е. электролит не обедняется ионами металла.

Количественная связь между про­шедшим через границу электрод — электролит электричеством и коли­чеством образующегося и расходуе­мого вещества определяется закона­ми Фарадея.

Процесс электролитического осаждения металлов подчиняется за­конам Фарадея. Первый закон Фара­дея гласит, что количество вещества, выделенного или растворенного на электродах, прямо пропорционально количеству электричества, прошед­шего через электролит:

M= cQ = cIt                                                              (10.1)

где с — электрохимический эквивалент, г /(А. ч); Q — количество электричества, А*ч; I — сила тока, А; t — продолжительность электролиза, ч.

Коэффициент пропорционально­сти называется электрохимическим эквивалентом. Он представляет собой массу вещества, выделенного на электроде при прохождении через электролит единицы количества электричества. За единицу количест­ва электричества может быть принят 1Кл = 1А-с. Электрохимический эк­вивалент принято выражать в мг/Кл (миллиграмм/Кулон) или г/ (А -ч). Электрохимические эквиваленты приведены в табл. 10.2.

Согласно второму закону Фарадея, при прохождении через электролит некоторого определенного количест­ва электричества массы выделяю­щихся на катоде или растворяющих­ся на аноде веществ пропорциональ­ны их химическим эквивалентам А:

m₁/A₁=m₂/A₂=…..=const

Если принять количество электри­чества Q = 1F, то из уравнения (10.1) получим: m₁ =c₁; m₂ = c₂и т. д. Тогда

c₁/A₁=c₂/A₂=…..=1F

Следовательно, для выделения на катоде одного грамм эквивалента

любого вещества необходимо пропу­стить через электролит количество электричества, равное 96487 Кл, или 26, 8 А-ч.

На катоде помимо осажденного ме­талла выделяется водород или проте­кают побочные процессы электрохи­мического восстановления (напри­мер, Ре⁺⁺⁺+е = Fe⁺⁺). по этой при­чине количество выделенного метал­ла меньше, чем рассчитано по закону Фарадея. Для оценки полезно использованного тока в гальванотехни­ке принят параметр " выход по току", Он определяется отношением практически выделившегося металла на катоде к теоретически рассчитанно­му по закону Фарадея, т. е. выход по току — это к. п. д. электрического то­ка в процентах:

η |=100m_п / m_т=100(m₂—m₁) / (сIt),

где m_п — практически прореагировавшая масса вещества; m_т — теоретическая масса вещества, которая должна была прореагиро­вать в соответствии с законом Фарадея; m₂ и m₁— масса детали соответственно до и после нанесения покрытия.

Таблица 10.2. Электрохимические эквиваленты

Катодные выходы по току для наи­более распространенных гальваниче­ских процессов приведены ниже (зна­чения катодных выходов по току, %):

Золочение.................................................... 90

Кадмирование..................................... 85 — 95

Меднение:

цианидный электролит..................... 40 — 75

кислый.................................................. 95—100

Никелирование............................... 90 — 100

Свинцевание....................................... 90—100

Серебрение........................................ 95—100

Хромирование:

блестящее............................................. 8 — 12

твердое............................................... 12 — 28

Цинкование:

цианидный электролит................... 75 — 95

кислый................................................. 95—100

цинкатный....................................... 85 — 100

В соответствии с законом Фарадея толщина h, мм, осаждаемого метал­лического покрытия

H=D_kcη t/(1000γ )

где Dк — рекомендованная для данного элект­ролита и его температуры катодная плотность тока, А/дм; c— электрохимический эквива­лент, г/ А -ч; 1) — выход по току, %', t — про­должительность электролиза, ч; γ — плот­ность металла, г/см.

Для расчета времени, необходимо­го для осаждения покрытия заданной толщины h, используют соотношение

T=1000hγ /(D_kcη )

Сила тока, необходимая для нане­сения покрытия на конкретную пло­щадь,

I_k=S_kD_k

где S_k— площадь покрытия металлом, дм².

Аналитические зависимости полу­чены из условия равномерности рас­пределения осадка по наращиваемой поверхности. В действительности толщина осадкана различных участ­ках детали не одинакова — на выпуклых поверхностях толщина слоя больше. Свойство электролита обеспечивать получение равномерных по толщине покрытий характеризуется его рассеивающей способностью. За­висит она от степени равномерности распределения электрических сило­вых линий, идущих от анода к катоду (рис. 10.3). Для повышения равномер­ности распределения тока и металла на поверхности деталей применяют дополнительные аноды (рис. 10.4) ил и аноды, копирующие форму катода, дополнительные катоды или непрово­дящие экраны, которые могут объе­диняться в ячейки (рис. 10.5), исполь­зуют подвески, обеспечивающие ра­циональное размещение деталей.

Кроме рассеивающей способности, на качество покрытий оказывает вли­яние кроющая способность электро­лита, под которой понимается свойст­во электролита обеспечивать получе­ние покрытия на углубленных частях деталей, независимо от его толщины. Кроющая способность улучшается с увеличением концентрации основной соли в электролите.

Наиболее существенно влияет на качество электролитических покры­тий поляризация электродов. Поля­ризацией (перенапряжением) назы­вается разность между потенциала­ми выделения металла на катоде или растворения металла на аноде и электрода при отсутствии электриче­ского тока (потенциалом равнове­сия). Она вызывается изменением концентрации ионов в прикатодном слое (концентрационная поляриза­ция) и сопротивлениями, возникаю­щими при протекании химических реакций в процессе электролиза(хими­ческая поляризация).

Электролитическое покрытие об­разуется в результате одновременно­го протекания двух процессов: обра­зования центров кристаллизации и их роста. Структура покрытия зависит от того, какой из этих процессов будет преобладающим. Если скорость об­разования новых центров кристалли­зации будет опережать скорость рос­та образовавшихся кристаллов, то структура осадка будет мелкокристаллической. При преобладающей скорости роста кристаллов покрытие получается крупнокристаллическим.

С повышением катодной поляризации увеличивается скорость образо­вания ''центров кристаллизации, " а следовательно, осадок.получается более мелкозернистым. Зависит ка­тодная поляризация от состава элек­тролита и режима нанесения покры­тия. Для ее изменения к электролиту применяют добавки органических и поверхностно-активных веществ, из­меняющих структуру осадков " и проч­ность сцепления их С основным ме­таллом.

На свойство электролитических покрытий очень сильно влияет водо­род, выделяющийся на катоде одно­временно с металлом. Неравномерно распределяясь в осадке, водород вы­зывает пористость, отслаивание; ис­кажает кристаллическую решетку, создавая внутренние напряжения и делая осадок хрупким. Основная причина выделения водорода на ка­тоде совместно с металлом — низкое перенапряжение водорода. Для обес­печения наибольшего перенапряже­ния водорода необходимо на опреде­ленном уровне поддерживать кислот­ность электролита, оцениваемую во­дородным показателем, рН. Водо­родный показатель рН равен показа­телю степени дроби показывающей концентрацию водородных ионов в растворе; если концентрация ионов [Н+] = 1/10⁵, то рН = 5. В нейтраль­ном растворе концентрации ионов во­дорода [Н⁺] и гидроксида [ОН^-] оди­наково равны 1/10⁷, т. е. водородный показатель рН = 7. При добавлении в раствор кислоты увеличивается концентрация ионов водорода, при добавлении щелочи увеличивается концентрация ионов гидроксила. Растворы, в которых концентрация [Н+]> [ОН^-], являются кислыми (рН< 7); при [Н+]< [ОН^-]раствор является щелочным (рН> 7). Произве­дение концентраций [Н⁴1 и [ОН~] всегда постоянно и равно Г/10.

Отмеченные Особенности процесса электролиза приводят к тому, что свойства металла, осажденного электролитически, отличаются от свойств расплавленного металла после его кристаллизации. Этим объясняется повышенная, твердость и хрупкость осадков наличие растягивающих внутренних напряжений, снижение усталостной прочности деталей, ра­ботающих при знакопеременных на­грузках. По этой причине при восста­новлении деталей гальваническими покрытиями стремятся к получению осадков мелкокристаллической структуры с высокой износостойкостью и прочностью сцепления с основ­ным металлом, с минимальными внутренними напряжениями. Обес­печения этих требований можно до­стичь только при соблюдении опти­мальных технологических процессов подготовки деталей к нанесению по­крытий, режимов электролиза и по­следующей обработки покрытий,

ПОДГОТОВКА ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ К НАНЕСЕНИЮ ПОКРЫТИЙ

Технологический процесс нанесе­ния гальванических покрытий пре­дусматривает выполнение трех групп операций: подготовки поверхности деталей к нанесению покрытия, нане­сения покрытия и завершающей об­работки после покрытия.

Подготовка поверхности основного металла выполняется для придания детали правильной геометрической формы, удаления жировых и окисных загрязнений и уменьшения шерохо­ватости поверхности. Подготовка со­стоит из следующих операций:

механическая обработка поверх­ностей, подлежащих наращиванию;

очистка деталей от оксидов и про­мывки их органическими растворите­лями;

монтаж деталей на подвесные при­способления и изоляции мест, не под­лежащих покрытию;

обезжиривание (химического или электрохимического);

промывка в проточной горячей, а затем в холодной воде; химическая или электрохимиче­ская обработка; повторная промывка в проточной воде.

Предварительная механическая обработка осуществляется для уст­ранения следов износа и восстанов­ления правильной геометрической формы. Наиболее часто применяе­мые способы предварительной меха­нической обработки — шлифование и полирование. Обычно поверхность шлифуют до шероховатости, соответ­ствующей 6 — 8-му классам. В про­цессе нанесения защитнодекоратив­ных покрытий требуется более тща­тельная механическая обработка для получения минимальной шерохова­тости. Обрабатывая деталь, следует закруглять, где это допустимо, ост­рые кромки, фаски и углы, что позво­лит избежать образования на них на­ростов.

Шлифование и полирование перед нанесением покрытия производят с помощью шлифовальных кругов или непрерывной гибкой абразивной лен­ты. При этом используют шлифо­вальные круги двух типов: твердые и изготовленные из эластичных мате­риалов. Твердые состоят из зерен абразивного материала размером 250— 1200 мкм, скрепленных связ­кой. Круги из эластичных материа­лов (войлока, фетра) применяют Для тонкого окончательного шлифования перед нанесением защитно-декора­тивных покрытий. Абразивным мате­риалом служат мелкие зерна (75 — 120 мкм) корунда, наждака, кварца, которые наклеивают по периферии круга. Цветные металлы шлифуют кругами из мягкого войлока, сталь­ные детали — кругами из жесткого войлока.

Режимы шлифования выбирают так, чтобы исключить прижоги и об­разование трещин. Обычно окруж­ная скорость круга или ленты со­ставляет для черных металлов 30 — 35 м/с, для меди и ее сплавов 20 — 25 м/с, для алюминия 10 — 20 м/с. При этом применяют обильное охлажде­ние.

При подготовке мелких деталей к нанесению гальванических и химических покрытий используют галтовку, заключающуюся в обкатке деталей совместно с абразивными материа­лами в колоколах или барабанах. Аб­разивный материал и режимы обра­ботки при галтовке указаны в табл. 10.3.

Ниже приведена продолжитель­ность процесса галтовки в часах:

Удаление заусенцев............. 0, 25—2, 00

"    окалины............................... 1 — 4

Шлифование.................................. 4 — 40

Полирование небольших деталей:

стальных штамповочных.............. 3 — 4

"      поковок............................... 4 — 6

латунных и бронзовых.............. 2 — 4

Для окончательной отделки дета­лей (перед нанесением защитно-де­коративных покрытий) их полируют с использованием очень мелких абра­зивных материалов (микропорош­ков), обрабатывают при помощи эла­стичных кругов или лент с нанесен­ным слоем полирующей пасты. Абра­зивные материалы в качестве абра­зива содержат природный оксид же­леза (крокус), оксиды хрома и алюми­ния или другие соединения; связую­щими веществами служат стеарин, парафин, техническое сало (говяжье, баранье, свиное) и перезин (смесь твердых углеводородов).

Перспективным способом механи­ческой обработки деталей перед на­несением покрытий является их виб­роабразивная обработка. В этом слу­чае детали и абразив помещают в контейнер, которому сообщается ко­лебательное движение (вибрация) с частотой 1500 — 3000 колебаний в минуту (25 — 50 Гц) при амплитуде 1— 5 мм. Оптимальные значения ча­стоты и амплитуды колебаний со­ставляют соответственно 35 — 50 Гц и 1 — 3 мм.

При виброшлифовании, очистке деталей и снятии заусенцев в качест­ве рабочей среды применяют бой аб­разивных кругов, при виброполиро­вании — порошки оксидов железа, хрома, алюминия, а также мрамор, мел. Детали занимают 30 % вмести­мости контейнера, абразив —60 %, остальное пространство остается незаполненным. Виброобработку дета­лей выполняют сухим и мокрым спо­собами.

Для очистки поверхности деталей от ржавчины, окалины, краски, тра­вильного шлама и других загрязне­ний можно использовать кварцевание, при котором дисковым щеткам из проволоки диаметром 0, 05—0, 3 мм, за­крепленным на шпинделе шлифовально-полировального станка или на ва­лу электродвигателя, сообщают вра­щение с частотой 1200—2500 об/мин. Для карцевания стальных деталей служат стальные щетки, для карце­вания цветных деталей — щетки из латунной проволоки, а мягкие метал­лы обрабатывают волосяными, кап­роновыми или травяными щетками.

В процессе очистки деталей с поверхностей удаляются продукты кор­розии, масляные и другие загрязне­ния. При монтаже деталей на подвес­ное приспособление требуется обес­печить надежный контакт в электрической цепи деталь —подвеска — штанга, убедиться в наличии благо­приятных условий для равномерного распределения покрытия по поверх­ности деталей и для удаления пу­зырьков водорода, выделяющегося при электролизе.

Поверхности деталей, не подлежа­щие покрытию, изолируют, т. е. защи­щают диэлектриком от осаждения на них металла. Изоляция позволяет со­хранить геометрические размеры не­покрываемых участков, уменьшить непроизводительные потери электри­ческого тока и металла, защищает от коррозии внутренние поверхности. В качестве изоляторов служат съем­ные футляры, коробки, трубки, шай­бы, изготовленные по форме защища­емой поверхности из текстолита, эбо­нита, винипласта, фарфора и других электроизоляционных материалов. Детали несложной формы удобно изолировать пленочными материала­ми, которыми плотно обертывают защищаемые места. Лакокрасочные материалы наносят пульверизато­ром или кистью {в 2 — З слоя у промежуточной сушкой каждого.

Жировые пленки могут быть уда­лены с поверхностей деталей одним из следующих способов:

механической очисткой кашицеоб­разным раствором кальцемагниевой (венской) извести;

обезжириванием органическими растворителями;

химическим обезжириванием;

электрохимическим обезжирива­нием;

обезжириванием с применением ультразвука.

Следует помнить, что большинство органических растворителей токсич­ны, ряд из них пожароопасны. После обезжиривания ими на поверхности деталей остается очень тонкая плен­ка жиров, которая препятствует прочному сцеплению покрытия с ос­новным металлом. Растворяющая способность, кг/(м²-с), различных растворителей приведена ниже:

Фреон Ф-113.......................... 4, 45

Трихлорэтилен.................. 3, 10

Ксилол.............................. 2, 20

Тетрахлорэтилен.................... 1, 70

Бензин................................... 1, 30

Уайт-спирит.......................... 0, 90

Керосин................................. 0, 65

Для химического и электрохимиче­ского обезжиривания используются

растворы щелочей, причем при элек­трохимическом обезжиривании кон­центрации веществ берутся меньшими. При электрохимическом обезжи­ривании на поверхности деталей, за­вешиваемых на катодную штангу, бурно выделяется водород, который способствует механическому отрыву жировой пленки. Для предохранения поверхностей деталей от наводораживания, увеличивающего хруп­кость основного металла, в конце процесса обезжиривания меняют полярность на обратную, и в течение короткого времени (0, 2 —0, 25 дли­тельности обработки на катоде)об­рабатывают детали на аноде. Этот же эффект достигается > и при элект­рохимическом обезжиривании пере­менным током.

Составы растворов для химиче­ского и электрохимического обез­жиривания указаны в табл. 10.4 и 10.5, а режимы их работы приведены ниже:

⇐ Предыдущая23242526272829303132Следующая ⇒

Поделиться: