Глава 10 восстановление деталей гальваническим и химическим наращиванием материала

10.1. Классификация и общая характеристика способов гальванического и химического наращивания материала

Гальванические и химические по­крытия применяют в ремонтном про­изводстве для восстановления размеров изношенных поверхностей дета­лей, повышения их износостойкости, защиты деталей от коррозии, прида­ния поверхностям эстетичного внешнего вида, улучшения прирабатываемости трущихся поверхностей, защиты их от науглероживания при цементации.

Возможность применения тех или иных способов восстановления раз­меров изношенных поверхностей деталей гальваническими и химически­ми покрытиями зависит от степени износа деталей автомобилей, посту­пающих в капитальный ремонт. В связи с тем что при хромировании мо­гут быть наращены покрытия толщи­ной до 0,3 мм, а при железнении 1,0 — 1,5 мм и более, эти процессы обеспе­чивают возможность восстановления довольно большой номенклатуры де­талей автомобилей практически при любом их износе.

Восстановление деталей гальвани­ческими покрытиями обладает сле­дующими достоинствами в сравнении с другими способами восстановле­ния:

отсутствием термического воздей­ствия на детали, вызывающего в них нежелательные изменения структу­ры и механических свойств;

получением с большой точностью заданной толщины покрытий, что по­зволяет снизить до минимума припуск на последующую механическую обработку и ее трудоемкость;

осаждением покрытий с заданными непостоянными по толщине физи­ко-механическими свойствами;

одновременным восстановлением большого числа деталей, что снижает трудоемкость и себестоимость ремонта единицы изделия; автоматизацией технологического процесса.

Гальванические и химические по­крытия классифицируют по назначе­нию, способу получения и характеру защиты. По назначению их делят на покрытия для компенсации износа, защиты, защитно-декоративные и специальные покрытия. Назначение первых — обеспечить возможность повторного использования деталей в результате компенсации износа их рабочих поверхностей. Основная цель защитного покрытия — защита поверхности от атмосферной корро­зии. Защитно-декоративные покры­тия защищают детали от коррозии и придают им эстетический вид. Специ­альные покрытия применяют для придания деталям поверхностной твердости, износо- и жаростойкости, отражательной способности, элект­ропроводности, изоляционных и дру­гих специальных свойств.

По способу получения металличе­ские покрытия можно разделить на физические, химические и гальванические. Наиболее распространенным способом в ремонтном производстве является гальванический. .

По характеру защиты металличе­ские покрытия делят на анодные и катодные. Характер защиты зависит от электрохимической характеристи­ки металла покрытия по отношению к основному металлу детали в условиях эксплуатационной среды. Относи­тельная электрохимическая характе­ристика металлов определяется значениями их стандартных электрод­ных потенциалов, приведенными в табл. 10.1.

Покрытия, имеющие од сравнению с Металлом детали более отрица­тельный потенциал, называются анодными. Основной металл элект­рохимически защищает только анод­ные покрытия. В этом случае элект­рохимический потенциал металла по­крытия электроотрицательнее потен­циала покрываемого металла (ме­талла детали). В порах такого покры­тия при наличии влаги между металлом покрытия и металлом основы возникает замкнутый гальваниче­ский элемент, в котором анодом бу­дет металл покрытия. При этом ме­талл покрытия, разрушаясь, защи­щает основной металл детали (рис. 10.1, а).

К анодным покрытиям можно отнести цинковые покрытия на стали, ни­келевые на медики т. д.

Покрытия металлами, потенциал которых положительнее потенциала металла детали в условиях эксплуа­тации, называют катодными. Такие покрытия защищают детали только механическими качество защиты за­висит в основном от сплошности по­крытия: чем меньше пор, тем оно вы­ше. Это объясняется тел, что при воз­никновении гальванической пары металл основы становится анодом и при эксплуатации будет интенсивно рас­творяться (рис. 10.1, б). К катодным покрытиям следует отнести медные и никелевые — по. стили, золотые и серебряные— по меди.

Электролитическое осаждение ме­таллов в гальванике осуществляется из электролитов — водных растворов со­лей, кислот и оснований. При растворе­нии в воде молекулы этих веществ диссоциируют на противоположно заря­женные частицы: положительные ионы металла Ме⁺и водорода Н+, которые называются катионами, и отрица­тельные ионы кислотных остатков ,SO₄^--, гидроксильных групп ОН^- и кислорода О^—, называемые аниона­ми. Такие растворы являются проводникамиIIрода. Если в электролит поместить металлические пластины, подсоединенные к клеммам источни­ка постоянного или переменного то­ка, на границе поверхности металли­ческой пластины и электролита про­текают электрохимические реакции, т. е. происходит электролиз (рис. 10.2).

Таблица 10,1. Стандартные электродные потенциалы металлов в водных растворах при 298 °К

В качестве электролитов применя­ют растворы кислот и солей тех ме­таллов, которые необходимо нанести на деталь. На анодах, помимо раз­рядки отрицательных ионов, проте­кает процесс растворения металла с переходом его в виде ионов в электро­лит. Таким образом, сколько из электролита уходит ионов металла, осаждаясь на катоде, столько же раство­ряется с анодов, пополняй электро­лит, т. е. электролит не обедняется ионами металла.

Количественная связь между про­шедшим через границу электрод — электролит электричеством и коли­чеством образующегося и расходуе­мого вещества определяется закона­ми Фарадея.

Процесс электролитического осаждения металлов подчиняется за­конам Фарадея. Первый закон Фара­дея гласит, что количество вещества, выделенного или растворенного на электродах, прямо пропорционально количеству электричества, прошед­шего через электролит:

M=cQ=cIt(10.1)

где с — электрохимический эквивалент, г /(А. ч); Q— количество электричества, А*ч;I— сила тока, А;t— продолжительность электролиза, ч.

Коэффициент пропорционально­сти называется электрохимическим эквивалентом. Он представляет собой массу вещества, выделенного на электроде при прохождении через электролит единицы количества электричества. За единицу количест­ва электричества может быть принят 1Кл = 1А-с. Электрохимический эк­вивалент принято выражать в мг/Кл (миллиграмм/Кулон) или г/ (А -ч). Электрохимические эквиваленты приведены в табл. 10.2.

Согласно второму закону Фарадея, при прохождении через электролит некоторого определенного количест­ва электричества массы выделяю­щихся на катоде или растворяющих­ся на аноде веществ пропорциональ­ны их химическим эквивалентам А:

m₁/A₁=m₂/A₂=…..=const

Если принять количество электри­чества Q= 1F, то из уравнения (10.1) получим:m₁=c₁; m₂=c₂ и т. д. Тогда

c₁/A₁=c₂/A₂=…..=1F

Следовательно, для выделения на катоде одного грамм эквивалента

любого вещества необходимо пропу­стить через электролит количество электричества, равное 96487 Кл, или 26,8 А-ч.

На катоде помимо осажденного ме­талла выделяется водород или проте­кают побочные процессы электрохи­мического восстановления (напри­мер, Ре⁺⁺⁺+е =Fe⁺⁺). по этой при­чине количество выделенного метал­ла меньше, чем рассчитано по закону Фарадея. Для оценки полезно использованного тока в гальванотехни­ке принят параметр "выход по току", Он определяется отношением практически выделившегося металла на катоде к теоретически рассчитанно­му по закону Фарадея, т. е. выход по току — это к. п. д. электрического то­ка в процентах:

η|=100m_п/m_т=100(m₂—m₁) / (сIt),

где m_п— практически прореагировавшая масса вещества;m_т— теоретическая масса вещества, которая должна была прореагиро­вать в соответствии с законом Фарадея;m₂иm₁— масса детали соответственно до и после нанесения покрытия.

Таблица 10.2.Электрохимические эквиваленты

Катодные выходы по току для наи­более распространенных гальваниче­ских процессов приведены ниже (зна­чения катодных выходов по току, %):

Золочение .................................................... 90

Кадмирование ..................................... 85 — 95

Меднение:

цианидный электролит ..................... 40 — 75

кислый.................................................. 95—100

Никелирование ............................... 90 — 100

Свинцевание ....................................... 90—100

Серебрение ........................................ 95—100

Хромирование:

блестящее ............................................. 8 — 12

твердое ............................................... 12 — 28

Цинкование:

цианидный электролит ................... 75 — 95

кислый................................................. 95—100

цинкатный ....................................... 85 — 100

В соответствии с законом Фарадея толщина h, мм, осаждаемого метал­лического покрытия

H=D_kcηt/(1000γ)

гдеDк — рекомендованная для данного элект­ролита и его температуры катодная плотность тока, А/дм ;c— электрохимический эквива­лент, г/ А -ч; 1) — выход по току, %',t— про­должительность электролиза, ч;γ — плот­ность металла, г/см .

Для расчета времени, необходимо­го для осаждения покрытия заданной толщины h, используют соотношение

T=1000hγ/(D_kcη)

Сила тока, необходимая для нане­сения покрытия на конкретную пло­щадь,

I_k=S_kD_k

где S_k— площадь покрытия металлом, дм².

Аналитические зависимости полу­чены из условия равномерности рас­пределения осадка по наращиваемой поверхности. В действительности толщина осадка на различных участ­ках детали не одинакова — на выпуклых поверхностях толщина слоя больше. Свойство электролита обеспечивать получение равномерных по толщине покрытий характеризуется его рассеивающей способностью. За­висит она от степени равномерности распределения электрических сило­вых линий, идущих от анода к катоду (рис. 10.3). Для повышения равномер­ности распределения тока и металла на поверхности деталей применяют дополнительные аноды (рис. 10.4) ил и аноды, копирующие форму катода, дополнительные катоды или непрово­дящие экраны, которые могут объе­диняться в ячейки (рис. 10.5), исполь­зуют подвески, обеспечивающие ра­циональное размещение деталей.

Кроме рассеивающей способности, на качество покрытий оказывает вли­яние кроющая способность электро­лита, под которой понимается свойст­во электролита обеспечивать получе­ние покрытия на углубленных частях деталей, независимо от его толщины. Кроющая способность улучшается с увеличением концентрации основной соли в электролите.

Наиболее существенно влияет на качество электролитических покры­тий поляризация электродов. Поля­ризацией (перенапряжением) назы­вается разность между потенциала­ми выделения металла на катоде или растворения металла на аноде и электрода при отсутствии электриче­ского тока (потенциалом равнове­сия). Она вызывается изменением концентрации ионов в прикатодном слое (концентрационная поляриза­ция) и сопротивлениями, возникаю­щими при протекании химических реакций в процессе электролиза(хими­ческая поляризация).

Электролитическое покрытие об­разуется в результате одновременно­го протекания двух процессов: обра­зования центров кристаллизации и их роста. Структура покрытия зависит от того, какой из этих процессов будет преобладающим. Если скорость об­разования новых центров кристалли­зации будет опережать скорость рос­та образовавшихся кристаллов, то структура осадка будет мелкокристаллической. При преобладающей скорости роста кристаллов покрытие получается крупнокристаллическим.

С повышением катодной поляризации увеличивается скорость образо­вания ''центров кристаллизации," а следовательно, осадок .получается более мелкозернистым. Зависит ка­тодная поляризация от состава элек­тролита и режима нанесения покры­тия. Для ее изменения к электролиту применяют добавки органических и поверхностно-активных веществ, из­меняющих структуру осадков "и проч­ность сцепления их С основным ме­таллом.

На свойство электролитических покрытий очень сильно влияет водо­род, выделяющийся на катоде одно­временно с металлом. Неравномерно распределяясь в осадке, водород вы­зывает пористость, отслаивание; ис­кажает кристаллическую решетку, создавая внутренние напряжения и делая осадок хрупким. Основная причина выделения водорода на ка­тоде совместно с металлом — низкое перенапряжение водорода. Для обес­печения наибольшего перенапряже­ния водорода необходимо на опреде­ленном уровне поддерживать кислот­ность электролита, оцениваемую во­дородным показателем, рН. Водо­родный показатель рН равен показа­телю степени дроби показывающей концентрацию водородных ионов в растворе; если концентрация ионов [Н+] = 1/10⁵, то рН = 5. В нейтраль­ном растворе концентрации ионов во­дорода [Н⁺] и гидроксида [ОН^-] оди­наково равны 1/10⁷, т. е. водородный показатель рН = 7. При добавлении в раствор кислоты увеличивается концентрация ионов водорода, при добавлении щелочи увеличивается концентрация ионов гидроксила. Растворы, в которых концентрация [Н+]>[ОН^-], являются кислыми (рН<7); при [Н+]<[ОН^-]раствор является щелочным (рН>7). Произве­дение концентраций [Н⁴1 и [ОН~] всегда постоянно и равно Г/10 .

Отмеченные Особенности процесса электролиза приводят к тому, что свойства металла, осажденного электролитически, отличаются от свойств расплавленного металла после его кристаллизации. Этим объясняется повышенная, твердость и хрупкость осадков наличие растягивающих внутренних напряжений, снижение усталостной прочности деталей, ра­ботающих при знакопеременных на­грузках. По этой причине при восста­новлении деталей гальваническими покрытиями стремятся к получению осадков мелкокристаллической структуры с высокой износостойкостью и прочностью сцепления с основ­ным металлом, с минимальными внутренними напряжениями. Обес­печения этих требований можно до­стичь только при соблюдении опти­мальных технологических процессов подготовки деталей к нанесению по­крытий, режимов электролиза и по­следующей обработки покрытий,