Организация ремонта строительнодорожных машин
 Скачать 4.41 Mb.
|
|
Глава VI Гальванические и химические способы восстановления деталей 6.1. Основные сведения о гальваническом осаждении металлов Гальванические и химические способы восстановления деталей при- меняют при ремонте деталей дорожно-строительных и технологических машин. Покрытия предназначаются для восстановления изношенных по- верхностей деталей и их упрочнения (хромирование, железнение, химиче- ское никелирование); защиты деталей от коррозии (цинкование, кадмиро- вание, оксидирование, фосфатирование); защитно–декоративных целей (хромирование, никелирование, оксидирование, фосфатирование); подго- товки поверхностей (грунтование) под лакокрасочные покрытия (фосфа- тирование, анодирование); повышения электропроводности улучшения условий пайки (серебрение, лужение). Наиболее распространенными видами покрытий при ремонте машин являются хромирование, железнение, цинкование, оксидирование и фос- фатирование. Применяют растворимые и нерастворимые аноды. Первые изготав- ливают из металла, который осаждается на деталь, вторые – из свинца с добавлением в свинец 5…6% сурьмы. При прохождении постоянного тока через электролит на катоде разряжаются положительно заряженные ионы и, следовательно, выделяются металл и водород. На аноде происходит раз- ряд отрицательно заряженных ионов и выделяется кислород. Металл ано- да растворяется и переходит в раствор в виде ионов металла взамен выде- лившихся на катоде. В случае использования нерастворимых анодов (на- пример, при процессе хромирования) положительные ионы металла выде- ляются из электролита. Только в этом случае соотношение компонентов электролита изменяется, происходит обеднение электролита ионами хро- ма. Через определенное время на основе результатов лабораторного анали- за необходимо приводить электролит в рабочее состояние, корректируя его состав. Для стабильного ведения процесса электролиза необходимо выдер- живать определенные значения катодной и анодной плотностей тока. Плотность тока – это отношение тока при электролизе к площади наращи- ваемой поверхности (катодная плотность тока Р к ) или к площади анодной поверхности (анодная плотность тока). Плотность тока измеряется в ампе- рах, поделенных на квадратный дециметр. Катодные и анодные плотности 158 для различных процессов приведены в технологических документах, ре- комендациях, а также справочниках. Масса металла, выделяющегося на катоде при электролизе, на осно- вании законов Фарадея пропорциональна количеству прошедшего через электролит электричества и электрохимическому эквиваленту выделяю- щегося металла G T = С I t o , где G т – масса металла, откладывающаяся на катоде при идеальных условиях электролиза (теоретическая масса), г; I – сила тока при электро- лизе, А; t 0 – продолжительность электролиза, ч. Значения электрохимического эквивалента С для некоторых метал- лов следующие, г/А–ч: Сг...................................0,324 N1……………………..1,095 Zn..................................1,220 Си……………………..1,186 Масса металла, откладывающегося на катоде в реальных условиях электролиза, всегда меньше массы металла, вычисленной по формуле, по- скольку в реальных условиях электролиза часть энергии расходуется не только на отложение металла, но и на побочные процессы (разложение во- ды, нагревание электролита и т. п.). Потери электрической энергии на побочные процессы учитываются коэффициентом α, который называют выходом металла по току. Поэтому действительная масса металла G g = α C I t 0 , α = %, 100 0 1 2 CIt g g G G t g где g 2 и g 1 – масса детали соответственно после и до покрытия ее ме- таллом. Значения коэффициентов α для различных металлов приведены ниже. Сг................................ 0,01… 0,16 Си ................... 0,96...0,98 Fе................................ 0,85… 0,90 РЬ ................... 0,97...0,98 Zn................................ 0,98… 0,99 Продолжительность электролиза, необходимая для достижения за- данной (или расчетной) толщины покрытия, t 0 = , 1000 k CD hp где h – толщина покрытия, мм; р – плотность осаждаемого металла, г/см 3 ; D к – катодная плотность тока, А/дм 2 ; α – выход металла по току, %. 159 Формула выведена для условий равномерного осаждения металла при электролизе Толщина покрытия для отверстия h = , 2 d d p где d p – диаметр отверстия после механической обработки, проводимой для получения правильной геометрической формы отверстия перед гальваниче- ским нанесением покрытия, мм; d – диаметр отверстия по рабочему чертежу, мм; Δ – припуск на шлифование (при шлифовании Δ = 0,05...0,1 мм). Для вала h = , 2 p d d где d – диаметр вала по рабочему чертежу, мм; d р – диаметр вала после механической обработки для получения правильной геометрической формы вала перед гальваническим нанесением покрытия, мм. Толщина покрытия, нанесенного на поверхности деталей, как пра- вило, получается неравномерной, поскольку электрическое поле неравно- мерно распределяется по поверхности катода. Силовые линии электриче- ского поля распределяются в объеме электролита неравномерно, концен- трируясь на краях катода и выступающих его частях. На тех участках ка- тода, где силовых линий больше, плотность тока больше и, следовательно, толщина покрытия наибольшая по причине неудовлетворительной рассеи- вающей способности электролитов. Под рассеивающей способностью электролита понимают его свой- ство обеспечивать получение равномерных по толщине покрытий на по- верхностях деталей. Электролиты, обладающие хорошей рассеивающей способностью, обеспечивают высокую равномерность толщины покрытия поверхностей катодов. Рассеивающая способность электролита зависит от его состава: ее можно улучшить, изменяя концентрацию основных солей, вводя специ- альные добавки, а также изменяя режим электролиза. Например, снижение плотности тока, повышение температуры и перемешивание кислотного электролита способствуют улучшению рассеивающей способности. Более равномерное по толщине покрытие можно получить применением фигур- ных анодов, копирующих форму детали, дополнительных катодов, токо- непроводящих экранов, а также благодаря рациональному размещению деталей относительно анодов. Кроющая способность электролита – способность электролита на- носить на углубленные поверхности детали покрытия того же качества, 160 что и на выступающих поверхностях детали, в основном определяется его концентрацией, а также может изменяться использованием фигурных ано- дов. С увеличением концентрации основной соли в электролите ионная способность электролита улучшается. Металлические покрытия, получае- мые в гальванических ваннах, имеют кристаллическое строение. Внедре- ние водорода, выделяющегося на катоде, приводит к появлению значи- тельных внутренних напряжений в кристаллической решетке покрытия. Структура электролитического металла и его свойства отличаются от структуры и свойств литого металла. Гальванические покрытия имеют, как правило, высокую поверхно- стную твердость и хрупкость. Значительные внутренние напряжения в по- крытиях приводят к снижению усталостной прочности деталей. На внут- ренние напряжения и другие свойства покрытий большое влияние оказы- вают состав электролита и режим нанесения покрытий. Изменяя парамет- ры режима процесса нанесения покрытия и состав электролита, можно управлять свойствами покрытия. 6.2. Технологический процесс гальванического нанесения покрытий Процесс гальванического нанесения покрытий состоит из следую- щих основных этапов: 1. Подготовка детали к гальваническому нанесению покрытий. 2. Гальваническое нанесение покрытия. 3. Обработка деталей после гальванического нанесения покрытия. Содержание каждого из этапов может изменяться в зависимости от свойств и назначения гальванического покрытия. Подготовка деталей к гальваническому нанесению покрытия вклю- чает в себя следующие операции: 1. Механическая обработка поверхностей, подлежащих наращиванию. 2. Очистка деталей от загрязнений и окислов. 3. Предварительное обезжиривание. 4. Изоляция поверхностей, не подлежащих наращиванию. 5. Крепление деталей на подвесных приспособлениях. 6. Окончательное обезжиривание и промывка в воде. 7. Активация (анодная или химическая обработка). 8. Промывка после активации, если она проводилась химической об- работкой в водном растворе кислоты. Качество выполнения операций подготовительного этапа в значи- тельной степени определяет прочность сцепления электролического по- крытия с поверхностью детали и его сплошность. Предварительная механическая обработка восстанавливаемых по- верхностей деталей имеет цель придать этим поверхностям правильную 161 геометрическую форму, требуемую шероховатость поверхности, одно- родность свойств и дальнейшее обеспечение равномерности наносимого покрытия по толщине. Обычно детали обрабатывают на шлифовальных станках расположением их в центрах или по иным точно обработанным поверхностям. Режим обработки устанавливается в соответствии с реко- мендациями по механической обработке металла детали. Очистку деталей от окислов с целью «оживления» поверхности вы- полняют на гальваническом участке обработкой шлифовальной шкуркой вручную или шлифовальными мягкими кругами с абразивным порошком или пастой. Детали, подлежащие покрытию с декоративной целью, шлифуют и полируют на шлифовально-полировочных станках с помощью мягких вой- лочных кругов, на наружные цилиндрические поверхности которых нано- сят мелкий абразивный порошок. Закрепление абразивного порошка на наружной поверхности войлочного круга осуществляют с помощью сто- лярного клея или стекла. Полирование поверхностей деталей обычно про- водят мягкими бязевыми кругами с полировальной пастой, нанесенной на их поверхность. Детали, подвергающиеся гальваническому наращиванию с целью противокоррозионной защиты, обрабатывают металлическим пес- ком в металлопескоструйных установках. Иногда мелкие детали подвер- гают обработке в галтовочных барабанах. Детали, имеющие глубокую коррозию поверхностей, подвергают химическому травлению в водных растворах соляной или серной кислоты. Для того чтобы предотвратить растравливание поверхностей, не имеющих коррозии, и уменьшить наводороживание деталей, в эти растворы вводят специальные добавки, замедляющие растворение металла деталей (клей, смолы и другие вещества). После травления детали промывают последова- тельно в горячей и проточной холодной воде с тем, чтобы не допустить их коррозии. Предварительное обезжиривание деталей производят промывкой в органических растворителях: уайт–спиритом, четыреххлористым углеро- дом, чистым бензином и др. Поверхности деталей, не подлежащие покры- тию, изолируют токонепроводящими материалами (пластическими мате- риалами и лаками). Для изоляции поверхностей деталей используют чехлы из полихлорвинилового пластика толщиной 0,3...0,5 мм, различные экра- ны, втулки, футляры, изготовленные из винипласта, текстолита, фаолита, эбонита, органического стекла и других материалов. Лаки используются в тех случаях, когда использовать пластические материалы затруднительно. Чаще всего используются хлорвиниловый лак и цапонлак. Перхлорвини- ловый лак (5…10 %-й раствор полихлорвиниловой смолы в хлорбензоле) 162 наносят в 2…3 слоя при цинковании, кадмировании, никелировании, мед- нении и в 3…5 слоя при хромировании. Каждый из слоев надо просуши- вать при температуре 30…40 ºC в течение 2…3 часов. Цапонлак (раствор целлулоида в ацетоне) используется для защиты поверхностей деталей при слабокислых электролитах, процесс нанесения покрытия проводится при малых токах (цинкование, кадмирование, мед- нение, никелирование и пр.). При нанесении гальванического покрытия для обеспечения пра- вильного расположения деталей относительно анодов (анода), надежного электрического контакта с токопроводящей катодной штангой, а также недопущения скопления пузырьков водорода на поверхности, на которую наносится покрытие, используют подвесные приспособления. Окончательное обезжиривание проводят в щелочных растворах (хи- мическим или электрохимическим способами). Электрический способ обез- жиривания более производителен, так как, кроме воздействия на жировую пленку поверхности детали щелочного раствора, происходит механическое разрушение жировой пленки газами, выделяющимися при электролизе. При этом ускоряется процесс омыления и эмульгирования жиров. Для проведе- ния электрохимического обезжиривания в зависимости от материала дета- лей используют различные щелочные растворы, состав одного из них сле- дующий: едкий натр – 10 кг/м 3 , сода кальцинированная – 25 кг/м 3 , тринат- рийфосфат – 25 кг/м 3 , эмульгатор ОП–7 – 3...5 кг/м 3 . Параметры режима обезжиривания следующие: температура раствора 70...80 °С, плотность катодного тока 5...10 А/дм 2 , длительность процесса 1 ...2 мин. Во избежа- ние наводораживания поверхности детали в конце обезжиривания изме- няют полярность тока на обратную и в течение 0,2...0,3 мин обрабатывают поверхности детали на аноде. Химическое обезжиривание в щелочных растворах проводится в случае, когда детали имеют сложную форму (сверления, внутренние по- лости и т.д.), а также для мелких деталей, подвергаемых обработке в коло- колах и барабанах. При необходимости обезжиривания поверхностей деталей, выпол- ненных из материалов, растворяющихся в щелочах (алюминия и его спла- вов, меди и др.), вместо едкой щелочи в растворы вводят соли, которые при электролизе образуют слабые щелочные растворы (К 2 СО 3 , К 3 РО 4 и др.). Не- достатком обезжиривания поверхностей деталей в щелочных растворах яв- ляется нагревание деталей и необходимость хорошей их промывки в горя- чей воде. Обезжиренные, промытые горячей водой детали быстро окисля- ются, что при последующей, недостаточно эффективной активации может привести к некачественному сцеплению покрытия с металлом детали. 163 Детали простой формы, а также громоздкие детали, у которых галь- ваническому нанесению покрытия подвергаются лишь небольшие участки поверхностей, можно обезжиривать органическими растворителями с по- следующей протиркой их кашицей кальциевомагниевой извести (венской извести), состоящей из смеси кальция и окиси магния с добавлением 3% кальцинированной соды и 1,5% едкого натра. Эту смесь разводят водой до кашицеобразного состояния и наносят на поверхность деталей волосяной кистью. Венская известь обладает хорошей адсорбцией и способствует полному удалению жиров и масел. После обезжиривания детали промы- вают в горячей, а затем холодной воде. Сплошная пленка воды на обезжи- ренной поверхности свидетельствует о хорошем качестве удаления жиров. Активация обезжиренных поверхностей деталей производится не- посредственно перед нанесением покрытия для удаления тонких окисных пленок, образующихся в процессе подготовки деталей к гальваническому нанесению покрытий, а также с целью легкого протравливания поверхно- стного слоя металла, при котором выявляется кристаллическая структура металла. Эта операция обеспечивает наиболее прочное сцепление гальва- нического покрытия с поверхностью детали. Активация проводится химическим или электрохимическим спосо- бами. Для химической активации поверхностей деталей из малоуглероди- стых и углеродистых сталей целесообразно применять 3...5 %–й раствор серной кислоты. Для активации сталей, содержащих значительное количе- ство хрома, используют 5...10 %–й раствор соляной кислоты, чугунов – 3...5 %–й раствор плавиковой кислоты, а для активации меди и ее сплавов – 5...10 %–й раствор серной кислоты. Электрохимическая активация (анодная обработка) состоит в про- травливании поверхностей деталей на аноде в растворах серной, фосфор- ной или хромовой кислот. Например, при хромировании активацию про- водят в тех же электролитах, в которых происходит процесс хромирова- ния. Деталь на подвесном приспособлении помещают в ванну и подверга- ют кратковременной активации в течение 30...45 сек. при анодной плотно- сти тока 20...40 А/дм 2 . После этого, не вынимая деталь из электролита, ее под- ключают к катоду, и начинается процесс нанесения хромового покрытия. При железнении активацию также производят анодной обработкой в специальной ванне с 30 %–м водным раствором серной кислоты в течение 2...3 мин при температуре 18...25 °С и анодной плотности тока для сталь- ных деталей 60...70 А/дм 2 , а для деталей из чугуна – 10...15 А/дм 2 . После завершения активации детали, подлежащие железнению, промывают в хо- лодной, а затем в горячей воде с температурой 50...60 0 С, близкой к темпе- ратуре электролита в ванне железнения. 164 Обработка деталей после нанесения гальванического покрытия включает в себя несколько операций: 1. Нейтрализацию детали от остатков электролита. 2. Промывку деталей в воде. 3. Демонтаж деталей с подвесного приспособления и удаление изо- ляции. 4. Сушку деталей. 5. Термическую обработку (при необходимости). 6. Механическую обработку деталей до требуемого размера. Порядок выполнения заключительных операций сохраняется при гальваническом нанесении любых покрытий, однако каждый гальваниче- ский процесс имеет некоторые особенности. 6.3. Хромирование В ремонтном производстве хромирование в основном получило рас- пространение как способ компенсации износа поверхностей деталей, а также для их упрочнения и в качестве противокоррозионного и декора- тивного покрытия. Электролитический хром обладает хорошими физико- механическими свойствами: высокой твердостью и износостойкостью, низким коэффициентом трения скольжения, хорошей коррозионной стой- костью и теплопроводностью, а также хорошим сцеплением с основным металлом. Микротвердость электролитического хрома зависит от условий электролиза и изменяется в пределах 4000...12000 МПа, плотность – 6,9 г/см 3 , температура плавления – 1800 °С. Процесс хромирования имеет недостатки: низкий выход хрома по току (12...16%), сравнительно малую производительность процесса (0,01...0,03 мм/ч), невозможность восстановления поверхностей деталей с большим износом, поскольку хромовые покрытия толщиной более 0,3... 0,4 мм имеют плохие механические свойства. Хромовые электролиты аг- рессивны и ядовиты, процесс хромирования относительно высок по стои- мости. Хромирование вызывает уменьшение усталостной прочности мате- риала деталей до 20%, что в основном обусловлено наличием микроско- пических трещин в хроме, возникающих вследствие внутренних напряже- ний. Наличие сквозных трещин в некоторых покрытиях хрома снижает его защитные свойства. Покрытия электролитического хрома обладают пло- хой смачиваемостью маслом, и поэтому обычные «гладкие» покрытия хрома нельзя применять для восстановления и упрочнения деталей, рабо- тающих на износ при значительных удельных давлениях и повышенной температуре. 165 Рис. 6.1. Ванна для хромирования: 1 – внутренний бак; 2 – наружный бак; 3 – вентиляционный кожух; 4 – токопроводящие штанги; 5 – электроизоляторы; 6 – кран для выпуска воды из зарубашечного пространства; 7 – водосливная труба; 8 – кран паровой магистрали; 9 – кран водяной магистрали стальных змеевиков, которые погружают непосредственно в электролит Хромирование проводят в стационарных ваннах, устройство которых зависит от наличия и типа системы нагревания электролита (рис. 6.1). Так как хромовые электролиты чувствительны к колебаниям температуры, то ванны хромирования состоят из двух баков, сваренных из листовой стали толщиной 3...4 мм, установленных один в другом, оснащенных внешним подогревом, обеспечивающим определенное постоянство температуры электролита. Между стенками баков заливается вода, которая, образуя во- дяную «рубашку», обеспечивает равномерность нагревания электролита, за- ливаемого во внутренний бак. Разогревание воды может осуществляться электрическими нагревателями или паром. Внутреннюю ванну изнутри об- лицовывают кислостойким и теплопроводным материалом, чаще всего свинцом. Иногда внутреннюю ванну изготавливают из нержавеющей стали. Иногда нагревание электролита проводят электрическими нагрева- телями. В этом случае в пространство между ваннами заливают минераль- ное масло с температурой вспышки не менее 170 °С.. Ванны снабжены бортовыми отсосами, анодными и катодными штангами и крышками. 166 В ремонтном производстве для хромирования применяют сернокис- лые (графы 1, 2, 3), саморегулирующиеся (графы 4, 6) и тетрохроматные (графа 5) электролиты (табл. 6.1). Таблица 6.1 Состав электролитов Содержание компонентов, г/л, в электролитах Компонент электролитов 1 2 3 4 5 6 Хромовый ангидрид 100…150 200…250 300…350 225…300 350…400 380…420 Серная кислота 1,2…1,5 2,0…2,5 3,0…3,5 – 2,5…3,0 – Сернокислый стронций – – – 5,5…6.5 – – Кремнефто- ристый калий – – – 18…20 – – Едкий натр – – – – 40…60 – Углекислый кальций – – – – – 60…75 Сернокис- лый кобальт – – – – – 18…20 Наиболее часто применяются сернокислые электролиты. В зависи- мости от концентрации хромового ангидрида СrО 3 эти электролиты под- разделяют на электролиты низкой, средней и высокой концентрации. Кон- центрация серной кислоты должна соответствовать отношению Н 2 SО 4 : СrО 3 = 1:100. При таком соотношении компонентов процесс хро- мирования проходит с наибольшим выходом хрома по току. Электролиза хрома не происходит, если в электролите не присутствуют соединения трехвалентного хрома Сr +3 в количестве 3...5 г/л. Необходимо выдержи- вать соотношение СrО 3 :Сr 2 О 3 = 30...50. Для накопления в электролите не- обходимого количества соединений трехвалентного хрома при приготов- лении электролита производят его «проработку» постоянным током плот- ностью 4...6 А/дм 2 при температуре электролита 45...60 °С и соотношении площадей катода и анода 3 : 5 . Продолжительность «проработки» электролита определяется из расчета пропускания количества электричества 3...4 А/час через 1 л электролита. Контроль и корректирование электролита осуществляются следую- щим образом. Вначале в ванну с электролитом доливают дистиллирован- ную воду до заданного уровня, раствор перемешивают, ареометром опре- деляют концентрацию хромового ангидрида и добавляют необходимое его количество. Через несколько часов работы проверяют уровень электролита 167 и доливают дистиллированную воду до заданного уровня, используя воду из ванны для улавливания электролита. Один раз в 1...10 дней электролит подвергают химическому анализу на содержание трех– и шестивалентного хрома и серной кислоты и на основании результатов анализа выполняют его корректировку. Электролит низкой концентрации имеет более высокий выход хрома по току, хорошую рассеивающую способность и обеспечивает получение более твердых и износостойких покрытий. Этот электролит целесообразно применять при восстановлении деталей с повышенными требованиями к износостойкости. Электролит средней концентрации по своим свойствам занимает промежуточное положение по сравнению с электролитами низкой и высо- кой концентрации. Его применяют при износостойком и защитно– декоративном хромировании. Электролит высокой концентрации имеет плохую рассеивающую способность и пониженный выход хрома по току, но обладает хорошей кроющей способностью, более устойчив в работе и обеспечивает получе- ние блестящих хромовых покрытий с высокой отражательной способно- стью. Этот электролит применяется для получения защитно-декоративных покрытий. В процессе хромирования на катоде (детали) происходит восстанов- ление шестивалентного хрома СrО 3 до трехвалентного Сr 2 О 3 , нанесение металлического хрома и выделение водорода. На аноде происходит окис- ление трехвалентного хрома до шестивалентного и выделение кислорода. Свойства хромовых покрытий зависят от состава электролита и ре- жимов электролитического процесса: катодной плотности тока и темпера- туры электролита. Изменяя соотношение плотности тока и температуры в одном и том же электролите, можно получить три вида хромовых покры- тий, отличающихся своими свойствами: матовые (серые), блестящие и мо- лочные. Блестящие хромовые покрытия отличаются высокой твердостью (6000...9000 МПа), повышенной износостойкостью и хрупкостью. Покры- тия имеют сетку пересекающихся трещин. Молочные покрытия имеют также высокую износостойкость, большую вязкость и микротвердость 4000...6000 МПа. Сетка трещин на этих покрытиях отсутствует. Матовые покрытия хрома отличаются хрупкостью, высокой микротвердостью (9000…12000 МПа) и пониженной износостойкостью. У матовых покрытий трещины образуют густую сетку мелких и не- глубоких каналов, у молочно–блестящих покрытий они редкие, широкие и глубокие. При ремонте чаще всего применяют блестящие и молочные покры- тия. Первые используют для восстановления большинства деталей, имею- щих подвижные и неподвижные посадки, вторые – для обеспечения по- 168 вышенной коррозионной стойкости покрытий (штоки силовых гидроци- линдров и других деталей) и их хорошей прирабатываемости. Параметры режимов хромирования Электролит Температура электролита, 0 С Плотность тока, А/дм 2 Выход по току, % 1 2 3 4 5 6 50…60 45…60 40…50 50…65 16…25 18…25 30…100 20….60 15….30 40…100 20….80 100…300 15…16 12…14 10…12 18…20 25…30 35…40 |