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

Испытание химической стойкости материала поплавков осуществлялось в электролите стандартного состава. В результате этих испытаний было установлено, что и тот, и другой материал вначале несколько разрушаются, вслед за чем через 40 — 70 час вес их остается в дальнейшем практически постоянным.

Во время испытаний не было замечено существенных изменений концентраций хромового ангидрида и серной кислоты в электролите, а также не наблюдалось образования трехвалентного хрома.

Таким образом, было установлено, что пенопласт и полихлорвинил мало разрушаются в электролите хромирования и могут быть использованы в качестве материала для изготовления поплавков, защищающих электролит от испарения и уноса.

Было обращено внимание на то, что электролит, имеющий поплавки, нагревается быстрее, чем электролит без поплавков. После прекращения нагрева остывание электролита происходит быстрее в отсутствие поплавков на его поверхности. Следовательно, наличие на поверхности электролита поплавков позволяет легче стабилизировать режим хромирования, так как при закрытой поверхности раствора проще поддерживать постоянной заданную температуру. Снижаются также затраты и время на подогрев электролита. Существенных различий в результатах, полученных при испытании различных поплавков (из пенопласта или полихлорвинила) не было обнаружено.

Опыты по изучению скорости испарения растворов проводились при 60 — 70 С и продолжались в течение 10 — 12 час. По результатам нескольких дней испытаний вычислялось среднее количество раствора, испаряющегося в течение рабочего дня.

При изучении процессов испарения электролита при температуре 60 — 70 С было установлено, что раствор, имеющий поплавки, испаряется значительно медленнее, чем раствор без поплавков. Это наблюдается и без электролиза, и при электролизе (рис. 3.2). Наличие на поверхности электролита поплавков снижает количество испаряющегося раствора примерно в 2,7 раза.

Лабораторные опыты по изучению уноса электролита при хромировании проводились также при температуре 60 — 70 С в опытной ванне, имеющей объем электролита 3 л. Через определенный интервал времени проводился анализ ванны осаждения покрытия по результатам которого делались выводы по расходу рабочей среды в процессе восстановления деталей методом ГМО. Результаты этих опытов представлены в табл. 3.1 и на рис. 3.3

Как следует из приведенных в этой таблице данных сравнительных испытаний, поплавки значительно снижают уносимое газами количество хромового ангидрида.

Таким образом, в результате лабораторных экспериментов было установлено, что при наличии на поверхности хромового электролита поплавков оздоровляется атмосфера цеха, упрощается стабилизация температурного режима электролиза, а также значительно уменьшаются потери электролита. Дальнейшие опыты проводились на опытно – экспериментальной ванне емкостью 150 л. Поплавки для этой ванны были изготовлены из пенопласта. Количество поплавков было взято таким, чтобы ими было заполнено все зеркало электролита.

Таблица 3.1.

Результаты сравнительных испытаний уноса электролита

Длительная эксплуатация этой ванны показала, что поплавки не затрудняют нормальной работы установки. Испарение электролита и его унос заметно снизились. Качество покрытий не ухудшается.

Рис. 3.3. Влияние степени защиты рабочей среды на ее концентрацию в зависимости от продолжительности электролиза:

1 – без поплавков; 2 – с поплавками

Оптимальными являются поплавки диаметром 10—25 мм и длиной 40—90 м.м. Целесообразно рекомендовать поплавки, изготовленные как из пенопласта, так и из полихлорвиниловых трубок. Можно для этой цели рекомендовать также поплавки, изготовленные из полиэтилена. Ванны хромирования с поплавками должны эксплуатироваться обычным образом, так же как и без поплавков. Необходимо следить, чтобы вся поверхность электролита была закрыта поплавками. При загрузке деталей и анодов часть зеркала освобождается от поплавков. После погружения деталей в ванну необходимо обращать внимание на то, чтобы на участках поверхности электролита, где происходит наиболее сильное газовыделение, было достаточное количество поплавков.

3.4.2. Восстановление рабочих свойств электролита

Одним из наиболее вредных изменений состава электролита для хромирования является накопление в нем катионов железа и меди. В особенности неприятным является накопление железа, приводящее к снижению выхода хрома по току, ухудшению качества осадков и необходимости увеличения напряжения на штангах ванны. Для извлечения железа из электролита для хромирования предложен ряд методов.

В [96] рекомендуют вести осаждение железа добавлением в электролит железистосинеродистого калия.

Авторы [118] предлагают проводить полную регенерацию электролита, заключающуюся в кристаллизации хромового ангидрида с последующим приготовлением нового электролита.

Практически регенерация хромового ангидрида производится следующим образом. В электролите, подлежащем регенерации, химическим анализом определяют содержание трехвалентного и шестивалентного хрома. Если электролит содержит трехвалентный хром, его окисляют перед регенерацией до шестивалентного проработкой током при соотношении между площадями анодов и катодов 10:1. Проработку производят при температуре электролита 50—60° С и плотности тока около 50 а/дм². При уменьшении содержания трехвалентного хрома до минимальной величины на поверхности электролита происходит усиленное газовыделение, раствор становится более светлым, напряжение тока на штангах падает.

После проработки электролит помещают в ванну, облицованную свинцом или другим кислотоупорным материалом, и выпаривают при 70—80° С до получения сиропообразной массы. Такой насыщенный раствор содержит примерно 670—700 г/л хромового ангидрида.

По содержанию в растворе хромового ангидрида рассчитывают количество технической серной кислоты, необходимое для его кристаллизации. Практикой установлено, что для осаждения 1 г хромового ангидрида нужно 1,5 г серной кислоты удельного веса 1,8 — 1,82 г/см³.

Регенерацию электролита можно производить непосредственно в ванне, где он выпаривался. Если объем электролита невелик, регенерацию удобнее производить в ванне меньшего объема. В электролит приливают небольшими порциями (по 300—500 мл) серную кислоту. После прибавления каждой порции раствор перемешивают лопаткой из кислотоупорного материала (например, из винипласта). После прибавления всего количества серной кислоты массу тщательно перемешивают и охлаждают до комнатной температуры.

Выкристаллизовавшийся хромовый ангидрид переносят на фарфоровый фильтр, установленный над фарфоровым котлом. Черпаки для извлечения кристаллов хромового ангидрида должны быть изготовлены из винипласта. На дно фильтра укладывают слой стеклянной ваты и загружают фильтр хромовым ангидридом до половины объема. После того как избыток раствора стечет, массу хромового ангидрида отжимают лопатками из винипласта. Затем поверх осадка укладывают круглую плиту из винипласта толщиной 8 — 10 мм и помещают на нее груз весом 20—30 кГ для более полного отжатия осадка от серной кислоты. Осадок должен отжиматься под грузом 4—5 час.

Содержание серной кислоты в хромовом ангидриде может быть снижено до минимума дополнительным отжатием осадка на пресс фильтре или при помощи центрифуги с кислотоупорным барабаном. Полученный таким образом хромовый ангидрид употребляется для приготовления электролита или как добавка к работающей ванне.

В приготовленном электролите определяют содержание сульфатов и производят осаждение их избытка углекислым барием.

Этот способ регенерации электролита применим при концентрации железа до 20—25 г/л. Затраты на регенерацию хромового электролита не превышают 40—50% стоимости полученного хромового электролита.

В [106] авторы исследовали наиболее перспективный метод регенерации электролита, заключающийся в применении ионитов — веществ, способных к обмену ионов в растворе. Процесс очистки электролита заключается в его фильтровании через слой (колонку) ионита.

При исходной концентрации железа в электролите порядка 22 г/л 1 кг ионита может очистить около 700 мл раствора. При более низких исходных концентрациях железа в растворе (~ 12 г/л) соответственно увеличивается объем очищаемого раствора на единицу веса ионита. Полная обменная емкость ионита не зависит от исходной концентрации сорбируемого иона и составляет для данных условий около 18 г железа на 1 кг сухого ионита.

Регенерацию ионита целесообразно производить 10%-ной серной кислотой. Расход кислоты на очистку 1 кг ионита составляет, по лабораторным данным, около 2,5 л.

4. Оборудование для применения метода

4.1. Ванны

Для нанесения покрытий применяют стационарные, барабанные и колокольные ванны, автоматические и полуавтоматические установки и конвейерные линии. В цехах с относительно небольшой производственной программой и большой номенклатурой ремонтируемых деталей применяют обычно стационарные ванны, оснащенные в некоторых случаях автоматическими устройствами для поддержания заданной температуры электролита и других параметров режима электролиза.

Автоматические конвейерные установки и линии сложны по конструкции и дороги. Поэтому применение их в цехах с небольшой производственной программой нецелесообразно. Они дают экономический эффект лишь в условиях крупносерийного и массового производства. Автоматические линии особенно эффективны при ускоренных процессах нанесения покрытий небольшой толщины, что в ремонтном производстве встречается крайне редко.

Стационарные ванны. Устройство стационарных ванн зависит от наличия и типа системы нагрева электролита, его фильтрации и перемешивания.

Для нанесения покрытий в кислых электролитах без подогрева применяют такие же ванны, как и для электрохимического травления. В ремонтном производстве такие ванны используют, например, для холодного железнения и цинкования. В случае получения покрытий в горячих сернокислых электролитах ванну снабжают змеевиком из титана, свинца или освинцованной стали.

Устройство ванн для нанесения покрытий в щелочных электролитах еще более просто, так как в этом случае не требуется футеровка. Иногда ванны для щелочных цианистых электролитов футеруют резиной или винипластом для облегчения их обслуживания.

При внутреннем способе нагрева наблюдается определенная неравномерность температуры электролита.

Рис.4.1. Ванна для хромирования

Так как хромовые электролиты чувствительны к колебаниям температуры, то ванны для хромирования оснащают внешним нагревом, обеспечивающим равномерность температуры электролита (рис. 4.1). Такая ванна состоит из корпуса 1, оснащенного бортовым отсосом 2. Ванна оснащается поперечными 4 и продольными 6 анодными штангами, а также токоподводящей анодной штангой 5. Каждая штанга обеспечена своим штанговым изолятором 7. В этом случае электролит нагревается через пароводяную рубашку, образуемую между двумя ваннами, вставленными одна в другую. Пространство между ваннами заливают водой, в которую подается пар через барботер 3, установленный между днищами ванн. Пароводяная рубашка внизу снабжена сливным штуцером, а сверху — переливной трубой, соединенной с канализацией. Внутреннюю ванну футеруют кислотостойким и теплопроводным материалом, чаще всего свинцом марок С1, С2, или изготовляют из нержавеющей стали.

Если ванна футерована материалом с низким коэффициентом теплопроводности (метлахские и керамические плитки, винипласт), то внутренний нагрев выполняют при помощи змеевика из свинца, титана, освинцованной стали.

Иногда применяют внешний электрический нагрев ванн. В этом случае в пространство между ваннами заливают минеральное масло с температурой вспышки не менее 170 °С.

Ванны снабжены бортовыми отсосами, штангами и крышками. Внутренние ванны изготовлены из нержавеющей стали. В масляной рубашке каждой ванны смонтированы два электронагревателя мощностью 2 кВт каждый. Температуру электролита регулируют при помощи температурного реле ТР-200.

Рис. 4.2. Насос для перемешивания и обновления электролита

Для повышения производительности гальванических процессов (увеличения допустимой плотности тока) и улучшения свойств покрытий ванны часто снабжают устройствами для перемешивания и фильтрации электролита, для встряхивания или качания катодных штанг. Пневматическое перемешивание не рекомендуется применять для электролитов, состав которых изменяется под действием воздуха, например, цианистых электролитов и электролитов железнения. В случае восстановления деталей методом ГКО применяется специально разработанное устройство механического перемешивания электролита, внешний вид которого приведен на рис 4.2. Следует иметь в виду, что наибольшие трудности возникают при изготовлении ванн для нанесения покрытий в горячих (70...90°С) электролитах. При внешнем нагреве электролита, который наиболее предпочтителен, ванна должна быть изготовлена или футерована материалом, обладающим хорошими кислотостойкостью, теплостойкостью и теплопроводностью. Свинец и нержавеющая сталь непригодны для этой цели. Резина, различные полимерные и керамические материалы не всегда удовлетворяют требованиям по теплостойкости и теплопроводности. Наиболее подходящим материалом в этом случае является антегмит марки АТМ-1, плитки или полосы которого крепят к стенкам ванны при помощи замазки арзамит-4. Недостаток этого материала — высокая электропроводность и склонность к растрескиванию при недостаточной жесткости ванны.

При внутреннем нагреве требования к теплопроводности материала для футеровки ванны снижаются. Однако в этом случае предъявляются те же требования к нагревательному устройству (змеевику), в результате чего возникают дополнительные трудности по выбору типа нагревателя.