Metod_2542

и их смесей на наружные цилиндрические поверхности стальных деталей рекомендуется следующий режим металлизации:

Как было отмечено выше, теплота расплавленных частиц играет важную роль в смачивании подложки и ее химической активизации, но этой теплоты недостаточно для возбуждения и развития взаимодействия материала подложки и напыляемого порошка. Повышение температуры за счет подогрева подложки — важный фактор усиления взаимодействия между контактирующими фазами.

При напылении молибдена или вольфрама на медь прочность сцепления значительно увеличивается при нагреве подложки до

450–650 °С.

При напылении хромоникелевыми порошками подложку рекомендуется нагревать до температуры не более 250 °С. Нагрев выше указанной температуры вызывает интенсивный рост оксидной пленки, которая препятствует контактированию абсолютно чистых (ювенильных) металлов и образованию прочных соединений.

Компенсировать активизацию металла подложки при недопустимости его нагрева можно за счет увеличения скорости полета частиц. Плазменная струя вытекает из плазмотрона со скоростью 1000–2000 м/с и сообщает частицам скорость 150–200 м/с. Изменение скорости истечения плазмы и полета металлической частицы достигается регулированием расхода плазмообразующего газа и главным образом величины тока.

Оплавление преследует цель получения жидкой фазы в наплавляемом слое. Жидкая фаза заполняет поры, обеспечивает диффузию элементов, в результате чего окончательно формируется структура нанесенного слоя. Микротвердость матрицы после

163

напыления порошка ПГ-СР2 составляет Hv 2600–2900 МПа, микротвердость твердых фаз (карбидов, боридов) достигает 10 000– 12 000 МПа.

Износостойкость оплавленных порошков и порошковых смесей в 5 раз превышает износостойкость закаленной стали 45. Усталостная прочность после оплавления повышается на 20– 25 %. Прочность сцепления достигает 400 МПа. Зона сплавления напыленного и основного металлов составляет 0,01–0,05 мм.

При оплавлении самофлюсующихся порошков последние не нагреваются до температуры полного расплавления, слой доводят до состояния «запотевания», появления оплавленных участков порошкового слоя. Самофлюсующиеся порошки в напыленном слое имеют легкоплавкую эвтектику, которая плавится за 100–150 °С до наступления расплавления напыленного слоя. В то же время основные составляющие структуры оплавляемого слоя (твердый раствор, карбиды, бориды) остаются в твердом состоянии и сохраняют общую целостность покрытия. Оплавлению подвергаются те порошки и смеси, которые обладают способностью самофлюсования. Они имеют низкую температуру плавления (980–1080 °С). Наличие в их составе бора и кремния способствует самофлюсованию и смачиванию поверхностей подложек. Самофлюсование заключается в том, что раскислители (Si и В) при расплавлении связывают кислород, образуют боросиликатные шлаки (В2О3, SiO2), которые легко всплывают на поверхность покрытия и защищают жидкую фазу от кислорода и азота воздуха. Свойством самофлюсования обладают порошки на никелевой основе. Однако высокая стоимость этих порошков сдерживает использование металлизации с последующим оплавлением.

Порошки на железной основе свойством самофлюсования не обладают.

В технологических процессах устранения дефектов поверхностей деталей плазменной металлизацией с оплавлением получили применение смеси порошков на никелевой основе и порошков на железной основе: ПС-1, ПС-2, ПС-3.

Основное требование, которое необходимо выдерживать при оплавлении, — равномерный нагрев детали с достаточным количеством теплоты для реализации диффузионных процессов: бор и

164

кремний диффундируют в металл подложки, а железо из основного металла диффундирует в покрытие.

Из применяемых способов нагрева слоя при оплавлении следует отметить в первую очередь плазменный. При известных достоинствах плазменного нагрева нужно иметь в виду, что плазма очень быстро нагревает поверхность покрытия при недостаточном нагреве подложки, в результате оплавляемый слой может свертываться, т.е. отделяться от подложки. Кроме того, высокая скорость истечения плазмы оказывает динамическое воздействие на поверхностный слой и может вызвать разрушение напыленного слоя.

Высокое качество покрытия отмечается при оплавлении кис- лородно-ацетиленовым пламенем.

Оплавление токами высокой частоты рационально при восстановлении деталей простой формы при большой годовой программе. Оплавление производят на тех же режимах, что и закалку ТВЧ.

Охлаждение напыленного слоя в целом и его отдельных частиц сопровождается усадкой. Следствием усадочного процесса являются, в частности, внутренние (растягивающие) напряжения. На величину таких напряжений большое влияние оказывает режим охлаждения напыленной детали. Медленное и равномерное охлаждение уменьшает величину напряжений. Можно рекомендовать некоторые способы регулирования режима охлаждения напыленной детали: укутывание ее в термоизоляционном материале, погружение в сухой песок и др.

Механическая обработка. При проектировании технологического процесса механической обработки детали после металлизации необходимо учитывать свойства напыленного слоя, способы механической обработки таких слоев, требования чертежа к точности размера и точности геометрической формы обрабатываемой поверхности, расположение ее относительно базовых поверхностей

ишероховатости поверхности после механической обработки.

Взависимости от твердости обрабатываемой поверхности, требуемой точности и шероховатости рекомендуется механическую обработку металлизированного слоя проводить точением (обтачивание, растачивание) и шлифованием.

Точение рекомендуется вести резцами, оснащенными пластинками из твердого сплава системы TiC – Co.

165

Режим резания следует выбрать несколько мягкий (пониженный): скорость резания 15–20 м/мин, глубина резания 0,1–0,5 мм, подача 0,1–0,2 мм/об. Обработку следует вести с применением смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ).

Припуск на точение для деталей диаметром 20–100 мм принимается 0,5–0,75 мм на сторону.

Рекомендуются следующие геометрические параметры резцов для точения металлизационного слоя:

–главный угол в плане = 45°;

–передний угол = +5… –5°;

–главный задний угол = 8…12°.

Шлифование осуществляется алмазными кругами на вулканитовой связке, заменителями алмазных кругов могут быть мелко- и среднезернистые карборундовые круги на керамической связке. Твердость связки должна быть СМ или М. Режим шлифования напыленных поверхностей штатный: скорость резания 30–35 м/с, продольная передача в долях от ширины В круга S = (0,3…0,4)B, мм/об.; поперечная подача 0,005–0,008 мм/на дв. ход стола.

В табл. 3.22 приведены режимы выполнения операций технологического процесса устранения дефектов трансмиссионных валов путевых машин с применением плазменной металлизации.

Окончание табл. 3.22

Вопросы для самоконтроля

1.Изложите физическую сущность процесса металлизации (напыления) деталей при восстановлении и упрочнении.

2.Дайте схемы и описание способов металлизации: электродугового, газопламенного, токами высокой частоты.

3.Опишите схему формирования и свойства напыленного слоя при плазменной металлизации.

4.Дайте классификацию и опишите состав и свойства порошков для газопламенной и плазменной металлизации.

5.Охарактеризуйте операции технологического процесса плазменной металлизации.

3.4.Устранение дефектов деталей электрохимическими покрытиями

3.4.1. Некоторые понятия из области электролиза

Свойства электролитов, закономерности процесса электролиза изучаются в курсе теоретической электрохимии. Здесь эти вопросы лишь обозначены для лучшего понимания некоторых расчетов, сопровождающих проектирование технологических процессов восстановления деталей.

Ионное произведение воды. Вода, даже тщательно очищенная от посторонних примесей, обладает некоторой электропроводностью, т.е. является электролитом. Электропроводность чистой воды объясняется наличием в ней некоторого количества ионов водорода и гидроксильных ионов, образованных вследствие диссоциации воды:

H2O H OH .

Соотношение Kw называется константой диссоциации воды:

167

Kw H OH ,

H2O

где H и OH — концентрация соответствующих ионов. Ввиду незначительной диссоциации воды концентрацию не-

диссоциированных молекул воды H2O можно считать постоянной, поэтому постоянным является и ионное произведение:

H OH const Kw .

При температуре воды Т = 25 °С Kw = 10–14. Эта величина является постоянной не только для чистой воды, но и для всех водных растворов.

В нейтральном растворе или в чистой воде концентрации ионов водорода и гидроксильной группы, г ион/л, равны:

H OH .

Поэтому можно записать:

Отрицательный логарифм концентрации ионов водорода был назван рН раствора:

pH lg H или H 10 pH .

Так как H 10 7 , то рН = 7.

Из сказанного следует, что чем меньше H , тем больше рН, т.е. с уменьшением H увеличивается кислотность раствора.

При подщелачивании раствора наблюдается обратная картина. На рис. 3.28 представлена схема изменения рН в области

кислых и щелочных растворов.

Количественно процесс электролиза был изучен и описан Фарадеем. Ему принадлежит открытие двух законов электрохимии.

1-й закон Фарадея. Количество вещества, которое окисляется на аноде или восстанавливается на катоде, пропорционально количеству электричества, пропущенному через электролит:

m aQ,

168

где m — масса вещества, восстановленного на катоде, г; Q — количество электричества, пропущенного через электролит, Кл; а — коэффициент пропорциональности.

Рис. 3.28. Схема изменения рН в зависимости от концентрации ионов водорода [H+]

2-й закон Фарадея. Количество окисляющегося или восстанавливающегося на электродах вещества при прохождении одного и того же количества электричества пропорционально эквивалентному его весу:

m bM ,

где М — эквивалентный вес данного вещества; b — коэффициент пропорциональности, зависящий от величины Q.

Обобщенный закон Фарадея можно записать в виде уравнения: m CMQ ,

где С — величина согласования единиц измерения величин m и Q. Если m выражено в граммах, а Q в кулонах, то С представляет собой количество вещества, окисляющегося на аноде или восстанавливающегося на катоде при прохождении единицы количества

электричества, и называется электрохимическим эквивалентом.

В табл. 3.23 даны численные значения электрохимического эквивалента для некоторых элементов.

При m = M можно записать: l = СQ или

Q Cl F ,

где F — количество электричества, при пропускании которого на каждом из электродов окисляется или восстанавливается один

169

грамм-эквивалент вещества. Это количество электричества назы-

вается постоянной Фарадея и равно 96 500 Кл (26,8 А ч).

Таблица 3.23

* Плотность водорода и кислорода приведена в г/л.

Из вышеприведенных уравнений следует: m MQF CQ CJ ,

где J — сила тока, А; — время, ч.

На электродах при электролизе часто протекает несколько электрохимических процессов, один из которых является главным в зависимости от назначения электролиза, другие — побочными. Например, при электролитическом осаждении железа выделение на катоде водорода является побочным процессом, на который расходуется часть электричества.

Для определения доли израсходованного на процесс осаждения заданного металла количества электричества введено поня-

тие выход металла по току .

Выход металла по току определяется как отношение количества вещества mф, фактически полученного на катоде при электролизе, к теоретическому его количеству mт, рассчитанному по закону Фарадея, т.е.

170

mô . mò

Подставляя в формулу вместо mт эквивалентную массу и выражая в процентах, получим, %:

В расчетах основных параметров режима нанесения гальванических покрытий на изношенные поверхности детали используют величины плотности катодного тока Dк и плотности анодного тока Dа, А/дм2, при этом

Dê J , Da J , Sê Sa

где J — сила тока, пропускаемого через электролит, А; Sк и Sа — площадь катода и анода соответственно, дм2.

Массу осаждаемого металла в зависимости от времени электролиза и силы тока, г, определяют по формуле

m CJ100 ,

где С — электрохимический эквивалент, г/(А ч); J — сила тока,

А; — время электролиза, ч; — выход металла по току, мм. Расчет толщины слоя металла, отлагаемого на катоде при за-

данном времени , мм, выполняют по формуле

171

h CDê ,

1000

где Dк — плотность катодного тока, А/дм2.

Время, необходимое для получения слоя заданной толщины h, ч:

1000h .

CDê

Сила тока, необходимого для получения слоя определенной толщины в заданное время на площади в 1 дм2, А:

J 1000h .

C

Расчет выхода металла по току, %, производится по формуле

1000h .

CJ

3.4.2. Устранение дефектов деталей осталиванием

Эти технологии в литературе имеют и другое название — же-

лезнение.

Атомный вес железа — 55,85; плотность электролитического железа — 7,71 г/см3, температура плавления — 1650 °С. Электрохимический эквивалент двухвалентного железа — 1,042 г/(А ч),

стандартный потенциал Fe/Fe — 0,44 В.

Физико-механические свойства осажденного слоя железа зависят прежде всего от состава электролита и режима ведения процесса электролиза.

Электролиты. Осталивание ведется в электролитах, содержащих двухвалентные ионы железа Fe++. Двухвалентное железо встречается в солях FeCl2∙4H2O и в железном купоросе FeSO4∙7H2O. Поэтому электролиты, использующиеся для осталивания, подразделяются на сернокислые (сульфатные), хлористые и смешанные.

Осталивание в хлористых электролитах ведется при температуре 75–95 °С, такие электролиты называются горячими. Сульфатные электролиты эксплуатируются при температуре 18–25 °С и называются холодными.

172