Технологические режимы электролиза

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

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.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: