Материал: Восстановление деталей машин композитным хромовым покрытием. Жачкин С.Ю

7.3. Технологические показатели процесса восстановления методом гко

Электропроводность.

Электропроводность электролита, не оказывает на гальваническое осаждение хрома такого непосредственного влияния, как выход по току или рассеивающая способность, хотя естественно, что электропроводность обусловливает рост напряжения при электролизе и тем самым также общий расход энергии и стоимость хромирования. Во всяком случае, при выборе электролита или условий работы (плотность тока и температура) электропроводность не является основным параметром. Однако надо учитывать, что от электропроводности электролита в известной мере зависит рассеивающая способность ванны, которой при хромировании следует уделять особое внимание.

Рис.7.17. Электропроводность хромовой ванны в зависимости от температуры рабочей среды

Электропроводность хромовокислых электролитов, как и всех водных растворов, возрастает с повышением температуры. На рис. 7.17 показана зависимость между температурой и электропроводностью для электролита, содержащего 250 г/л СгО₃ и 2,5 г/л H₂SO₄, полученная в ходе проведения экспериментальных исследований по восстановлению хромом поверхностей типа тел вращения. Более существенное влияние на электропроводность электролита оказывает концентрация хромовой кислоты. Каждой температуре соответствует максимальное значение электропроводности при определенной концентрации хромовой кислоты. Значения концентраций, обеспечивающих наилучшую электропроводность, лежат в пределах 400—600 г/л СгО₃. На рис. 7.18 дана зависимость между концентрацией хромовой кислоты и электропроводностью электролита при различных температурах. Как видно из графика, при повышении рабочей температуры максимумы электропроводности соответствуют несколько более высоким значениям концентрации хромового ангидрида.

Содержание сульфата не оказывает значительного влияния на электропроводность раствора хромовой кислоты. Небольшой максимум электропроводности как будто существует при концентрации серной кислоты, составляющей 0,9—1,0% от количества хромового ангидрида.

Более сильное влияние оказывают катионы и, прежде всего трехвалентного хрома и железа. Они могут снизить электропроводность раствора. Общепринятые ограниченные концентрации их не имеют при этом никакого значения, но зато надо избегать содержания железа или трехвалентного хрома в количествах, превышающих 25 г/л, так как в этом случае значительно понижается электропроводность. При наличии других катионов также снижается электропроводность электролита вследствие частичной нейтрализации хорошо проводящей ток кислоты.

Выход по току

Катодный выход по току представляет собой один из существенных вопросов гальванического хромирования. Он зависит от состава ванны (концентрации хромового ангидрида, вида и количества катализатора и катионов), рабочей температуры и плотности тока. Все эти параметры взаимно связаны, поэтому изменение одного единственного условия уже влечет за собой нарушение обычной зависимости

Рис. 7.18. Электропроводность хромовой ванны в зависимости от концентрации хромовой кислоты и температуры рабочей среды:

1 — 15С; 2 — 30С; 3 — 60С

Из литературы [36; 61; 62] известно, что ванны хромирования по сравнению с другими гальваническими ваннами обладают исключительно низким выходом по току. Если в других гальванических ваннах выход по току составляет около 100% и в редких случаях ниже 70%, то в обычных ваннах хромирования выход по току достигает лишь 10—20% и только в исключительно благоприятных случаях в специальных ваннах хромирования доходит до 35%. Так как электрохимический эквивалент хрома, вследствие того, что он находится в хромовой кислоте в шестивалентной форме, также очень низок, расход тока при гальваническом хромировании приблизительно в 50 раз выше, чем при осаждении других металлов.

Напряжение на ванне при хромировании также значительно выше, чем на других ваннах, а поэтому и расход энергии почти в 100 раз больше. Если в гальванотехнике в большинстве случаев затраты на электрический ток не являются основными, то при хромировании они повышаются, поэтому всякая экономия тока весьма желательна. Как видно из изложенного выше, улучшение электропроводности не может дать большой экономии, а потому нужно прежде всего стремиться к повышению выхода по току.

На рис. 7.19 представлена зависимость полученная авторами между концентрацией хромовой кислоты и выходом по току при плотности тока 10 а/дм² и температуре 65° С. Как видно, максимальный выход по току, равный примерно 19%, достигается при концентрации СгОз, составляющей 250 г/л. При более высоких или низких концентрациях СгОз выход по току быстро падает. В зависимости от рабочих условий изменяются упомянутые общие соотношения. При температуре 55 °С и рассматриваемых пределах плотности тока повышение концентрации хромовой кислоты связано с понижением выхода по току. В то же время при температуре 25 °С, при которой выход по току в пределах рабочей плотности тока значительно выше, с понижением концентрации и при плотности тока менее 9 а/дм² повышается выход по току (так же как и при температуре 55° С), а при плотности тока выше 9 а/дм² уменьшение концентрации вызывает также и понижение выхода по току.

Содержание катализатора влияет на выход по току вполне определенно, а именно: при соотношении СгОз : SO₄^2- равном примерно 100:1, признанным наиболее благоприятным для обычных методов работы, достигается наибольший выход по току. На рис. 7.20 показана зависимость выхода по току от содержания сульфата для различных температур (45 и 60° С). При плотности тока 10 а/дм² максимальный выход по току достигается при соотношении СгОз:SO₄^2- равном 100: 1. При слишком малом содержании посторонних анионов или при их отсутствии вообще не происходит осаждения хрома.

Рис 7.19. Зависимость выхода по току от концентрации

хромовой кислоты при i = 10 а/дм²; t = 65 C

Трехвалентный хром и загрязнение ванны железом, согласно некоторым исследованиям [69; 74], не оказывают сколько-нибудь значительного влияния на выход по току хромовой ванны; однако надо избегать ненормально высоких концентраций трехвалентного хрома и железа, так как они вызывают недопустимое снижение электропроводности и рассеивающей способности ванны. Хотя, в общем, влияние трехвалентного хрома на выход то току невелико, все же установлено, что в хромовых ваннах, которые содержат этот хром, осаждение хрома начинается уже при более низких плотностях тока, чем в ваннах, не содержащих Сг³⁺. При самых низких плотностях тока выход по току в ваннах, содержащих Сг³⁺, сначала выше, чем в ваннах, не содержащих его; однако с повышением плотности тока это различие очень быстро исчезает, и в области нормальных плотностей тока, так как уже было упомянуто, почти нельзя установить влияния Сг³⁺ на выход по току.

Рис. 7.20. Зависимость выхода по току от содержания сульфата при различных температурах ванны

Рассеивающая способность. Кроющая способность

При гальваническом хромировании совершенно особое внимание должно быть обращено на рассеивающую способность ванны. Цианистые ванны обладают хорошей рассеивающей способностью, и изделия сложной конфигурации, а также сильно отполированные детали покрываются в них равномерно. Рассеивающая способность кислых ванн по сравнению с цианистыми всегда намного хуже. Кислые ванны применяют, например, для меди, никеля, цинка, хрома. Из всех этих ванн хромовая ванна отличается наихудшей рассеивающей способностью.

Понятие рассеивающей способности выражается количественным соотношением металла, выделенного в различных местах покрываемого предмета, имеющего глубокий профиль. Обычно на тех местах катода, которые наиболее удалены от анода, гальванические покрытия имеют меньшую толщину. Чем лучше рассеивающая способность, тем меньше разница в толщинах покрытия. При плохой рассеивающей способности может получиться так, что глубоко лежащие или находящиеся под углом друг к другу места катода и вследствие этого частично экранируемые вообще не будут иметь металлического покрытия или же толщина покрытия будет незначительной по сравнению с толщиной покрытия поверхностей, расположенных вблизи анода.

На рассеивающую способность влияет первичное распределение линий тока, с одной стороны, катодная поляризация — с другой, и, наконец, зависимость выхода по току от плотности тока. В том случае, когда последняя зависимость очень сильно выражена, а выход по току значительно падает при низких плотностях тока, как это имеет место при хромировании, рассеивающая способность также становится особенно плохой.

При хромировании изделий сложной конфигурации (с большими выступами, углублениями) необходимо учитывать очень неравномерную толщину хромовых покрытий. Особая опасность заключается в том, что глубоко лежащие или экранированные места изделия не покрываются хромом, а на выступающих острых частях и краях могут образоваться утолщения. Поэтому при хромировании необходимо учитывать эту особенность хромовой ванны во избежание брака. Кроме того, необходимо знать, какое влияние оказывают на рассеивающую способность постоянные условия работы и состав ванны, и по возможности предусмотреть благоприятное соотношение этих условий.

При исследовании рассеивающей способности затруднение состоит в том, что до сих пор еще не существует никакого общепризнанного метода определения ее. Имеется множество предложений, касающихся численного определения этого понятия, однако до настоящего времени ни одно из них не получило окончательного признания. Но если в настоящее время и нет еще возможности дать точное выражение значения рассеивающей способности, то все же можно путем сравнительных исследований определить влияние изменяющихся условий работы на рассеивающую способность.

Авторами установлено, что при постоянной температуре ванны ее рассеивающая способность с повышением плотности тока значительно улучшается и, напротив, повышение температуры при постоянной плотности тока несколько ухудшает рассеивающую способность.

Согласно исследованиям, при постоянных условиях температуры и плотности тока с увеличением концентрации хромовой кислоты рассеивающая способность постепенно повышается; однако, когда концентрация СгОз составляет 250—300 г/л, дальнейшее повышение концентрации вызывает достаточно сильное понижение рассеивающей способности. Согласно [69] повышение концентрации хромовой кислоты вызывает постоянное снижение рассеивающей способности. Таким образом, подтверждается, что при различных условиях работы возникают всевозможные отклонения.

В ваннах, содержащих в качестве катализатора смесь плавиковой и кремнефтористой кислот, рассеивающая способность при низких концентрациях хромового ангидрида (ниже 250 г/л) значительно выше, чем у сульфатсодержащих ванн; с повышением концентрации хромовой кислоты рассеивающая способность уменьшается. Если содержание сульфатов составляет 1 % от концентрации хромовой кислоты, получают оптимальную рассеивающую способность, которая при снижении концентрации сульфатов сначала медленно, а затем быстро уменьшается. Повышение концентрации посторонних анионов также вызывает снижение рассеивающей способности.

Содержание трехвалентного хрома или железа значительно улучшает рассеивающую способность ванны. Однако в связи с вредным влиянием их ионов трехвалентный хром и железо с этой целью используют очень ограниченно.

Для получения по возможности хорошей рассеивающей способности хромовой ванны целесообразно в первую очередь применять, возможно, более высокие плотности тока наряду с не слишком высокой концентрацией электролита при содержании сульфата в количестве 1 % от содержания хромового ангидрида. При этом существуют еще и иные возможности (например, увеличение расстояния между электродами), но их использование связано с повышением напряжения при электролизе. Наиболее действенным оказалось применение вспомогательных или фигурных анодов, при которых достигается, возможно, одинаковое расстояние между анодом и катодом, а также применение экранов и вспомогательных катодов для частичной защиты катода от чрезмерного отложения хрома.

7.4. Типовой технологический процесс восстановления деталей методом гко

Ряд операций технологического процесса восстановления хромированием деталей, связанных с электрохимическими подготовительными операциями перед восстановлением методом ГКО, выполняются по известным стандартным инструкциям, поэтому в работе изложены только те операции, которые связаны непосредственно с новой разработанной технологией.

Теоретические и экспериментальные исследования, исследования эксплуатационных свойств покрытий и деталей позволили определить рабочие режимы гальвано контактного хромирования, позволяющие получать покрытия с заданными заранее физико-механическими свойствами, необходимыми для восстанавливаемой поверхности.

Способ и рабочие режимы составляют технологию восстановления по методу ГКО, которая состоит из следующих положений:

1. Контроль деталей, поступающих на восстановление;

2. Предварительное обезжиривание и промывка

3. Гидропескоструйная обработка;

4. Контроль;

5. Монтаж деталей на специальное приспособление и изоляция поверхностей, не подлежащих восстановлению хромированием;

6. Обезжиривание химическое и электрохимическое;

7. Промывка в теплой проточной воде;

8. Установка деталей в оборудование ГМО;

9. Декапирование;

10. Восстановление методом ГКО;

11. Промывка в непроточной воде;

12. Промывка в холодной воде;

13. Демонтаж, сушка и снятие изоляции;

14. Обезводороживание;

15. Контроль.

7.5. Организация гальванического восстановительного участка

Размещать оборудование необходимо в соответствии с последовательностью выполнения технологических процессов нанесения покрытий и санитарно-техническими требованиями. При этом рекомендуется соблюдать следующие расстояния: от стены до оборудования 0,5... 0,6 м (при расположении рабочего между ванной и стеной 1,2... 1,5 м); между рядами оборудования при одностороннем обслуживании 1,2... 1,5 м, при двустороннем 1,5... 2,0 м; между оборудованием в одном ряду 0,1 .. .0,2 мм.

Организация работы. Наибольшая производительность труда при хорошем качестве покрытий возможна лишь при правильной, хорошо спланированной организации всей работы в цехе. В начале первой смены включают нагрев ванн, контролируют и корректируют электролиты, промывают аноды и зачищают штанги. Затем приступают к подготовке деталей (монтаж на подвески, обезжиривание, промывка и др.) первой загрузки. После нагрева основного электролита до заданной температуры детали подвергают травлению (дека-пированию), промывают и завешивают в ванну для нанесения покрытий. Во время нанесения покрытий готовят очередную партию деталей.

Обычно на нагрев электролитов требуется 1,0... 2,0 ч. Это время уменьшается в несколько раз при нанесении покрытий в холодных электролитах.

При обслуживании одним рабочим двух основных ванн необходимо так согласовать работу, чтобы все подготовительные и заключительные операции выполнялись во время нанесения покрытий.

Ванну следует загружать однотипными деталями с равной толщиной покрытия, т.к. это снижает затраты на переустановку и перенастройку инструмента. Для этого их сортируют на группы по конструктивно-технологическим особенностям и толщине покрытия.

В конце смены выполняют заключительные операции для деталей последней загрузки, сдают покрытые детали и убирают рабочие места. При этом часто остается время, которого недостаточно для покрытия деталей и которое непроизводительно теряется. Эти потери времени можно сократить путем правильного подбора загрузок деталей по толщине покрытий.

Следует иметь в виду, что потери времени в начале и конце смены особенно велики при односменной работе. Эти потери снижаются до минимума при двух и особенно трехсменной работе, когда электролиты не успевают остывать.

Между рассеивающей способностью и кроющей способностью хромовой ванны существует определенная зависимость, причем оба эти понятия не идентичны. Кроющая способность, т. е. отложение хрома на местах с пониженной плотностью тока, зависит также от основного металла. Например, на железе и стали хром отлагается лучше, чем на меди, латуни или никеле; очень хорошо хром отлагается на блестящем никеле. Возможность покрытия различных металлов изменяется с температурой. Кроющая способность, наблюдаемая при восстановлении по методу ГКО в отличие от восстановления стандартным методом, где она сильно зависит от механической обработки поверхности основного металла, практически не зависит от предварительной подготовки поверхности предназначенной для восстановления гальваническим покрытием. Объясняется это видимо индивидуальной механической обработкой хромового осадка в процессе его гальванического осаждения. Это позволяет придавать ему отполированный глянцевый вид непосредственно в рабочей ванне, что позволяет получить значительно большую эффективную плотность тока на очень хорошо отполированной поверхности по сравнению с матовой.