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

Однако, учитывая то, что в рассматриваемом технологическом процессе восстановления деталей путем нанесения покрытия по технологии ГКО участвуют как минимум три фактора, влияние двух из них, а именно температуры и давления инструмента на обрабатываемую поверхность будет рассмотрено позже.

Так как эквивалент С и плотность  зависят от природы осаждаемого металла и для каждого металла являются постоянными, то скорость осаждения будет тем больше, чем выше плотность тока и выход металла по току. Следовательно, значение выхода по току заключается не только в том, что он является показателем эффективности использования тока, но и в том, что от него зависит скорость осаждения металла. Поэтому для повышения производительности процесса необходимо выбирать такие условия электролиза, которые обеспечивали бы осаждение металла с максимальным выходом по току, и применять, возможно, большую плотность тока. При этом следует обеспечить получение требуемых свойств покрытий, которые ухудшаются при чрезмерном увеличении плотности тока.

Следует иметь в виду, что полученные по формулам толщина покрытия и скорость его осаждения являются средними величинами. В действительности вследствие неравномерного распределения тока по поверхности детали на одних ее участках толщина покрытия и скорость осаждения металла больше, а на других — меньше, чем средние.

При гальванопроцессах часто приходится приготовлять и корректировать различные электролиты и растворы. Количество вещества, которое необходимо растворить в воде, определяют различными методами в зависимости от способа выражения концентрации электролита.

Чаще всего в рецептурных составах электролитов приводятся концентрации веществ в граммах на литр. В этом случае необходимое для растворения количество каждого компонента электролита определяют умножением его концентрации на рабочий объем ванны;

(3.5)

где q — концентрация компонента в электролите, г/л;

V_p — рабочий объем ванны (объем электролита), л.

Если концентрация вещества задана в процентах по массе, то необходимое количество его можно определить по специальным таблицам.

В процессе работы гальванической ванны концентрация входящих в электролит веществ обычно уменьшается. Поэтому периодически по результатам анализа концентрацию электролита корректируют. Количество вещества, которое необходимо добавить в электролит для доведения его до требуемой концентрации, определяют по формуле:

(3.6)

где q — требуемая концентрация вещества, г/л;

q₁ — фактическая концентрация вещества, г/л.

При составлении и корректировании растворов кислот изменяют их концентрацию добавлением воды или более крепких кислот. Для приготовления растворов кислоты требуемой концентрации обычно концентрированную кислоту разбавляют водой. Необходимое для разбавления количество воды определяют несколькими методами.

Для этого можно воспользоваться правилом разведения: количество частей (по массе) добавляемой воды равно частному отделения высшего процентного содержания кислоты на низшее минус единица.

Расчеты, связанные с приготовлением и корректированием растворов кислот, облегчаются, если их проводить при помощи графического построения, по так называемому методу креста. Сущность этого метода заключается в следующем. Проводят две перекрещивающиеся линии, в точке пересечения которых записывают требуемую концентрацию раствора. У левых концов линий пишут данные концентрации смешиваемых жидкостей. Затем на каждой линии вычитают одно число из другого (требуемую концентрацию из данной или наоборот) и результат пишут у свободного конца той же линии. Результаты вычитаний, записанные у правых концов линий, показывают соотношение частей смешиваемых жидкостей. При этом цифры в верхней строке соответствуют одной жидкости, а в нижней — другой. Метод креста применяют в тех случаях, когда смешивают две кислоты разной концентрации для получения смеси заданной концентрации, а также при корректировании растворов.

3.2. Расчет механических параметров обработки

Сущность метода восстановления деталей гальвано контактным осаждением, как указывалось выше, заключается в одновременной обработке растущего слоя покрытия во время его гальванического осаждения инструментом специальной формы и химического состава, позволяющего осуществлять массовый управляемый перенос инструментального вещества на катод.

Схема обработки показана на рис. 3.1. Деталь 1, закрепленная на шпинделе установки, совершает вращательные движения вокруг своей оси, а инструмент 2, с расчетным усилием воздействуя на осаждаемое гальваническим способом покрытие, совершает возвратно-поступательные движения вдоль оси вращения детали.

Исследования, проводимые ранее, позволяют предполагать, что основные свойства покрытий, получаемых при восстановлении изношенных деталей, определяет именно усилие воздействия инструмента на поверхность детали, подвергаемую восстановлению. В связи с этим особый интерес представляет нахождение зависимости усилия прижима инструмента к детали с целью получения качественных покрытий.

В каждом конкретном случае площадь контакта керамических брусков с обрабатываемой поверхностью детали постоянна. Ранее была предложена формула, прошедшая экспериментальную проверку, для определения начального давления инструмента

(3.7)

где _s – предел прочности наносимого материала, кг/см²;

_s – коэффициент контактного трения;

a – длина инструмента.

Однако в ходе работ было замечено переупрочнение покрытия в процессе его нанесения при восстановлении деталей, что выражалось в отслаивании покрытия от основы. Для устранения этого дефекта был разработан технологический прием, заключающийся в периодической корректировке рабочего давления инструмента на поверхность, подвергаемую осаждению. Давление корректировалось через определенные промежутки времени, определяемые толщиной наносимого элементарного слоя покрытия. Под элементарным слоем подразумевается слой, не нуждающийся в корректировке давления инструмента при его осаждении без ухудшения его физико-механических характеристик.

Была теоретически разработана и экспериментально исследована зависимость конечного давления инструмента на поверхность, подвергаемую осаждению, позволяющая получать качественные толстые покрытия (в частности хромовые) с заданными физико-механическими свойствами.

Ее можно представить в виде:

(3.8)

где Т – толщина покрытия, мкм;

Т₀ – элементарная толщина слоя покрытия, которая не требует дополнительной регулировки давления инструмента, мкм;

 - толщина слоя покрытия, осаждаемого за одну минуту, мкм;

S_k – площадь контакта инструмента с деталью, дм²;

h – толщина слоя, осаждаемого за один оборот детали, мкм;

a – длина инструмента, мм.

3.3. Приготовление и корректировка рабочих сред

Для приготовления сульфатного электролита раздробленные куски хромового ангидрида загружают в ванну, наполняют ее нагретой до 60 ... 80°С водой и перемешивают до полного растворения. При помощи ареометра и справочных данных проверяют концентрацию хромового ангидрида. Добавляют необходимое количество серной кислоты. При этом следует иметь в виду, что хромовый ангидрид всегда содержит до 0,4 % серной кислоты. Поэтому по технической характеристике ангидрида или анализом раствора определяют содержание кислоты в электролите и добавляют лишь недостающую ее часть.

Получение высококачественных хромовых покрытий возможно лишь при наличии в электролите 3...5 г/л трехвалентного хрома. Для его накопления электролит -прорабатывают током при 45...60°С, плотности тока 4...6 А/дм² и отношении S_k:S_a = 3...5. Продолжительность проработки определяют из расчета пропускания количества электричества 3...4 Ач через 1 л электролита.

Для приготовления саморегулирующегося электролита расчетное количество стронция и кремнефтористого калия загружают в приготовленный заранее раствор хромового ангидрида. Электролит нагревают до 55... 60°С и выдерживают при этой температуре в течение 16 ч, периодически перемешивая. После отстоя электролит прорабатывают током, как описано выше.

Для приготовления тетрахроматного электролита растворяют хромовый ангидрид и определяют содержание серной кислоты. Едкий натр растворяют отдельно и осторожно доливают его в раствор хромового ангидрида. Раствор перемешивают и охлаждают, а затем добавляют недостающее количество серной кислоты и сахар.

Контроль и корректирование. В начале смены ванну доливают водой до заданного уровня, перемешивают, при помощи ареометра определяют концентрацию хромового ангидрида и добавляют необходимое его количество. Через каждые 2...3 ч работы в ванну доливают воду для поддержания постоянного уровня электролита. При этом используют воду из ванны улавливания электролита.

Один раз в 7...10 дней электролит подвергают химическому анализу на содержание трех- и шестивалентного хрома и серной кислоты. На основании анализа в электролит добавляют необходимое количество кислоты, перемешивают его и отстаивают. Избыток серной кислоты (накопление ее возможно за счет частых добавок хромового ангидрида) удаляют введением в нагретый до 50...60°С электролит углекислого бария из расчета 2 г на 1 г удаляемой кислоты. Электролит перемешивают, а затем отстаивают в течение суток. При этом на дно ванны выпадает осадок образовавшегося сернокислого бария, который не является помехой для нанесения качественного хромового покрытия.

При хромировании деталей, площадь покрытия которых больше площади анодов, например при покрытии внутренних поверхностей, концентрация трехвалентного хрома в электролите постепенно возрастает и при содержании его более 10 г/л ухудшается качество покрытии. Для уменьшения содержания трехвалентного хрома электролит прорабатывают током при большой поверхности анода и минимальной поверхности катода.

При накоплении в электролите более 10 г/л железа наблюдается колебание величины тока и затрудняется получение блестящих покрытий. Для уменьшения концентрации железа часть электролита заменяют свежим. Примеси железа можно перевести в осадок, добавив в электролит желтую кровяную соль из расчета 5,5 г на 1 г удаляемого железа. Желтую кровяную соль предварительно растворяют в небольшом количестве воды. Электролит перемешивают, отстаивают и фильтруют через стеклоткань.

3.4. Расход рабочей среды

3.4.1. Пути уменьшения уноса электролита

Для предотвращения чрезмерного уноса электролита в вентиляцию вместе с выделяющимися при электролизе газами более двадцати лет назад были предложены специальные покровные жидкости.[36]. В частности, для электролита хромирования рекомендовалось применять керосин, обработанный крепкой серной кислотой или хромовой кислотой и перманганатом калия.[36] Такая жидкость обладает меньшим удельным весом, чем электролит, и должна задерживать электролит, увлекаемый поверхностью газовых пузырьков. Однако покровная жидкость относительно сильно загрязняет электролит и детали, вызывает опасность пожара при приготовлении и использовании и поэтому не нашла сколько-нибудь заметного практического применения. В связи с этим в последние годы изысканы более радикальные и простые меры, обеспечивающие снижение уноса электролита.

Применение специальных химических веществ

За границей рекомендованы специальные химические вещества, образующие на поверхности электролита толстый слой пены, задерживающей унос электролита. Такими средствами являются, например, «Зеромист» (США) [87; 90; 93; 107] или таблетки, выпускаемые фирмой «Бласберг» (ФРГ) [92; 100; 102]. Хотя состав этих препаратов точно не известен, сообщается, что это фторсодержащие органические вещества. Например, авторы [107] в своих исследованиях указывают, что для уменьшения образования брызг и тумана над ванной хромирования в электролит вводится добавка пиридина или пиколина или их смеси в количестве 5—60 г/л, а также небольшое количество (0,05 г/л) специального химического соединения, имеющего формулу R_FSO₃X. В указанном соединении R_F — насыщенная фторуглеродная цепочка, содержащая от 4 до 8 атомов углерода; Х — катион.

Согласно опубликованным данным, применение препарата Зеромист дает возможность вести хромирование в ваннах, не имеющих бортовой вентиляции.

Исследователь [118] приводит результаты проверки препарата Зеромист в ваннах для твердого хромирования. Как оказалось, присутствие этого препарата в электролите приводит к появлению питтинга на покрытиях.[88; 109] Отмечено, что со временем электролит изменяет свои свойства, что приводит к получению более грубых осадков. Это наблюдается примерно через 95 час после введения добавки. Как отмечает автор [117], ухудшение качеств хрома наблюдается, очевидно, в связи с тем, что в присутствии Зеромиста происходит усиленное разрушение анодов. Толстые слои покрытия содержат большое количество посторонних включений.

Таким образом, можно констатировать, что специальные химические вещества, рекомендованные некоторыми зарубежными фирмами для уменьшение уноса электролита, с успехом могут быть применены лишь для декоративного хромирования, где осаждаются очень тонкие слои покрытия. Для получения толстых износостойких слоев хрома, требуемых при восстановлении деталей хромированием, такие вещества рекомендованы быть не могут ввиду опасности получения хромовых покрытий с пониженными физико-механическими свойствами.

Применение поплавков

В [89; 102; 106] изучен способ предупреждения чрезмерного уноса электролита, заключающийся в применении поплавков, помещаемых на поверхность электролита. Эти поплавки, оказывая известное препятствие выходу выделяющихся при электролизе газов, задерживают часть раствора, уносимого на поверхности пузырьков. Кроме того, поплавки, являясь своеобразной «крышкой» для ванны, должны способствовать снижению скорости испарения электролита. Ввиду отсутствия в литературе каких-либо конкретных сведений о хромировании методом ГМО, как наиболее близкого к методу ГКО в технологическом смысле, в ваннах, имеющих поплавки, авторами были проведены лабораторные испытания методики защиты электролита от уноса применительно к восстановлению гальваническим хромом по методу ГКО.

В результате предварительных опытов в качестве материала для изготовления поплавков были выбраны пенопласт ПХВ-1 и полихлорвинил (трубки). Поплавки из пенопласта имели различные размеры: диаметр 3 — 12 мм, длина 20 — 50 мм. Полихлорвиниловые поплавки готовились из трубок диаметром 6 и 10 мм, для чего куски трубок длиной 30 — 40 мм заваривались с концов с помощью паяльной лампы и специального приспособления.