2336

плотность тока, тем больше скорость осаждения металла и производительность процесса; чем ниже температура и концентрация электролита и выше плотность тока (жестче режим), тем больше твердость железных покрытий и меньше их максимально достижимая толщина; чем выше температура и концентрация электролита, тем большую плотность тока можно допустить без ущерба для качества покрытий.

При железнении необходимо выдерживать заданную кислотность электролита, так как ее снижение приводит к резкому ухудшению сцепляемости покрытий вплоть до отслоения.

При железнении применяют растворимые аноды из малоуглеродистой стали. Соотношение между анодной и катодной поверхностями должно быть в пределах 1...2, т.е. SА: SK =1...2. При нанесении покрытий на внутренние поверхности это соотношение выдержать практически невозможно. Оптимальное значение диаметра анода при железнении внутренних поверхностей составляет 1/3...2/3 диаметра отверстия. Чтобы уменьшить загрязнение электролита анодным шламом, следует помещать аноды в чехлы (мешки) из кислостойкой ткани (стеклоткань, шерсть и др.). Расстояния между деталями и анодами должны быть одинаковыми и равными 60...150 мм. Длина анодов не более длины покрываемой поверхности. Расстояние между деталями 70...150 мм.

5.5. Хромирование

Хромирование позволяет получать мелкозернистые покрытия микротвердостью 4,0...12,0 ГПа, обладающие низким коэффициентом трения и высокой сцепляемостью с основой. Хром химически стоек против воздействия многих кислот и щелочей, жароустойчив. Высокие твердость, жаростойкость, химическая стойкость и низкий коэффициент трения хрома обеспечивают деталям высокую износостойкость даже в тяжелых условиях эксплуатации, превышающую в 2...5 раз износостойкость закаленной стали. Наибольшей износостойкостью хромовое покрытие обладает при твердости 7,0...9,2 ГПа. В то же время хромирование – энергоемкий, дорогой, малопроизводительный процесс, применять который нужно в строго необходимых случаях.

Хромирование используют для следующих целей:

защитно-декоративное хромирование деталей автомобилей, велосипедов, мотоциклов, вагонов и т.д.;

повышение износостойкости и срока службы пресс-форм, штампов, измерительных и режущих инструментов, трущихся поверхностей деталей машин (поршневые кольца, штоки гидроцилиндров) и др.;

восстановление малоизношенных ответственных деталей;

161

повышение отражательной способности при изготовлении зеркал, отражателей, рефлекторов.

Хромирование отличается от других гальванических процессов. Его особенности следующие:

1.При хромировании главным компонентом электролита служит хро-

мовый ангидрид (СrО3), образующий при растворении в воде хромовую кислоту (СrО3+Н2О=Н2СrО4). При других процессах главный компонент – соль осаждаемого металла. Хром осаждается лишь при наличии в электролите определенного количества посторонних анионов, чаще всего сульфатов. Хром в электролите находится в шестивалентном состоянии, и на катоде разряжается многовалентный комплексный хромовый анион. Механизм осаждения хрома на катоде весьма сложен и еще недостаточно изучен.

2.При хромировании большая часть тока расходуется на побочные процессы, в том числе на неполное восстановление хромат-ионов и обильное выделение водорода, в результате чего выход хрома по току мал (15...65 %).

Сувеличением концентрации CrO3 выход хрома по току увеличивается, а повышение температуры электролита приводит к уменьшению, тогда как при осаждении других металлов эти закономерности не изменяются.

3.Хромовый анод растворяется при электролизе с анодным выходом по току, в 7...8 раз превышающим выход по току на катоде. В результате концентрация вредных для процесса трехвалентных ионов хрома в электролите непрерывно возрастает. Поэтому при хромировании применяют нерастворимые аноды, изготовленные из свинца или из сплава свинца с 6% сурьмы. Электролит постоянно обедняется, и его необходимо периодически корректировать, добавляя в него хромовый ангидрид.

При хромировании наибольшее применение получили простые сульфатные электролиты № 1, 2 и 3, состоящие из хромового ангидрида, серной кислоты и воды (табл. 5.7).

Таблица 5 . 7 Составы электролитов и режимы хромирования

162

На хромирование большое влияние оказывает соотношение между концентрациями хромового ангидрида и серной кислоты (CrO3/Н2SO4). Для осаждения покрытий хорошего качества и с наибольшим выходом по току необходимо, чтобы это отношение было равным 100 (допускается изменение от 90 до 120). С этой же целью в электролите должно быть 1...2% (от количества Сг2О3) ионов трехвалентного хрома, который получают проработкой электролита током при температуре 45...50°С, ДК=4...6 А/дм2 и соотношении SK: SА= 4...6. При проработке на каждый литр электролита необходимо пропустить 3...4 А-ч электричества.

Малоконцентрированный электролит № 1 отличается лучшей рассеивающей способностью и более высоким выходом по току. Покрытия, полученные в нем, обладают наибольшей твердостью и износостойкостью. Однако он нуждается в частом добавлении СгО3. Его применяют при износостойком хромировании и восстановлении изношенных деталей.

Концентрированный электролит № 3 отличается низким выходом по току и плохой рассеивающей способностью. Вместе с тем он обладает большей стабильностью по концентрации СгО3 и соотношению СrО3/Н2SО4, не требует высокого напряжения на ванне. В нем осаждаются плотные и менее напряженные покрытия. Все это обусловливает применение этого электролита при защитно-декоративном хромировании деталей сложной конфигурации.

Электролит № 2 позволяет получать как твердые износостойкие покрытия, так и покрытия с хорошими защитно-декоративными свойствами. Его обычно называют универсальным или стандартным.

В электролите № 4 соотношение хромового ангидрида и сульфат-ионов (SO42-) поддерживается на заданном уровне автоматически. Поэтому такой электролит называется саморегулирующимся. Для поддержания концентрации сульфат-ионов в электролит вводят сернокислый стронций (SrSO4) и кремнефтористый калий (K2SiF6), которые обладают ограниченной растворимостью в электролите для хромирования. Введенные в электролит в количествах, превышающих их растворимость, эти соли будут находиться в небольшом избытке на дне ванны в виде твердой фазы. Содержание ионов SO42- в растворе при изменении концентрации СrО3 будет постоянным за счет частичного растворения этого избытка.

К достоинствам такого электролита по сравнению с сульфатными относятся: стабильность состава, что уменьшает частоту его корректировки; колебания температуры электролита и плотности тока меньше отражаются на внешнем виде покрытий и выходе по току; хорошая рассеивающая способность и более высокие свойства покрытий; большой выход по току (18...22 %) позволяет в 1,3...1,5 раза увеличить производительность хромирования.

Однако саморегулирующийся электролит более сложен по составу, чувствителен к хлоридам и обладает большой агрессивностью.

163

Саморегулирующийся холодный электролит № 5 имеет высокие выход по току (35...40 %) и скорость осаждения хрома (0,18 ...0,50 мм/ч), примерно в 10 раз превышающую скорость осаждения из обычных электролитов, при хорошем качестве покрытий. Однако для поддержания температуры 18...25 °С при плотности тока до 300 А/дм2 требуется мощный холодильный агрегат.

Электролит № 6 – один из электролитов семейства «хромиспел», обладает высоким выходом металла по току, высокой производительностью (скорость осаждения хрома достигает 0,6 мм/ч.), а покрытия обладают высокими физикомеханическими свойствами.

При хромировании обезжиренные детали завешивают в ванну, выдерживают 0,5...1,5 минуты и подвергают анодному травлению по режиму, описанному выше. Затем переключают полярность и устанавливают заданный режим хромирования. В случае покрытия рельефных и чугунных деталей для улучшения равномерности покрытий рекомендуется в начале электролиза давать «толчок» тока (ток в 1,5...2 раза превышает расчетное значение), а спустя 1...2 мин ток постепенно снижают до заданного значения. Благодаря этому удается осадить хром на углубленных участках детали.

При хромировании в универсальном электролите в зависимости от назначения покрытий рекомендуются следующие температура электролита и плотность тока: для защитно-декоративного блестящего хромирования 50 °С и 15...25 А/дм2, для повышения износостойкости и восстановления малоизношенных деталей – 55 °С и 50...60 А/дм2; при хромировании изношенных деталей с большой толщиной покрытия – 67 °С и 100 А/дм2.

Площадь поверхности свинцовых анодов должна в два раза превышать площадь хромируемой поверхности. Расположение анодов и деталей в ванне такое же, как при железнении.

Обычные хромовые покрытия плохо смачиваются маслами и прирабатываются. Чтобы повысить износостойкость деталей, работающих при недостаточной смазке, следует применять пористое хромирование. Пористый хром представляет собой покрытие, на поверхности которого специально создается большое количество пор или сетка трещин, достаточно широких для проникновения в них масла. Его можно получить механическим, химическим и электрохимическим способами.

Наиболее широко применяют электрохимический способ. Он заключается в том, что хром осаждается при режиме, обусловливающем появлении в покрытии сетки микротрещин. Для их расширения и углубления покрытие подвергают анодной обработке в электролите того же состава, что и при хромировании (поверхность трещин активнее и растворяется гораздо быстрее других участков хрома). В зависимости от режима хромирования и анодного травления можно выполнить пористость двух типов: канальчатую и точечную.

164

Для получения пористых покрытий деталь хромируют в универсальном электролите при плотности тока 40...50 А/дм2, а затем переключают полярность ванны и проводят анодное травление при той же плотности тока. Канальчатую пористость получают при температуре электролита 58...62°С и продолжительности травления 6...9 мин., а точеную – при 50...52° С и 10...12 мин. На анодное травление оставляют припуск

0,01...0,02 мм на диаметр.

Пористое хромирование поршневых колец увеличивает их износостойкость в 2...3 раза, а износостойкость гильзы – в 1,5 раза, так как обладает эффектом самосмазывания.

5.6. Никелирование

Никелирование чаще всего применяют в качестве защитно-декора- тивного покрытия. Для повышения защитных свойств обычно никель осаждают на подслой меди или наносят трехслойное покрытие. Иногда никелирование применяют для повышения износостойкости и восстановления деталей машин. Для никелирования наибольшее применение получили сернокислые электролиты, основным компонентом которых является сернокислый никель, а также хлористые, сульфатно-хлористые, фторборатные и сульфаматные электролиты. В состав электролитов вводят буферную добавку – борную кислоту, стабилизирующую кислотность. Часто вводят также специальные добавки (блескообразователи), обеспечивающие получение блестящих покрытий.

5.7. Цинкование

Цинкование чаще всего применяют для защиты изделий из черных металлов от коррозии. Цинковые покрытия применяют для защиты от коррозии крепежных деталей и восстановления посадочных поверхностей малонагруженных деталей.

Для цинкования используют электролиты (табл. 5.8) различных типов: кислые (№ 1), щелочные (№ 2 и 3), цинкатные (№ 2), аммиакатные (№ 3). Для увеличения производительности процесса многие электролиты перемешивают.

Кислые электролиты обладают плохой рассеивающей способностью, а покрытия, полученные в них, – меньшей коррозионной стойкостью, чем полученные в щелочных электролитах. В то же время кислые электролиты более стабильны, допуская применение более высокой плотности тока при выходе цинка по току близком к 100 %. Поэтому они находят широкое применение для покрытия простых малорельефных изделий. В последние

165

годы все больше применяют цинкатные (№ 2) аммиакатные (№ 3). Они просты по составу и дешевы, обладают высокой электропроводностью и хорошей рассеивающей способностью. Основной недостаток аммиакатных электролитов – наличие в сточных водах солей аммония, которые затрудняют нейтрализацию вод и в то же время недопустимы в ней по требованиям санитарии (допускается не более 2,5 мг/л).

При цинковании применяют цинковые аноды марок Ц0, Ц1 и Ц2, которые во избежание загрязнения электролита необходимо помещать в чехлы из кислотостойкой ткани. Перед цинкованием детали подвергают обезжириванию, промывке и химическому травлению в растворе серной кислоты.

5.8. Композиционные электрохимические покрытия

Активно внедряется в восстановительное производство нанесение гальванических композиционных хромовых, никелевых и железных покрытий. Возможно получение композиционных слоев из многих известных электролитов в присутствии мелкодисперсных порошков полимеров, карбидов, оксидов, боридов и др. При максимальной концентрации порошков в электролитах можно получить до 30...40 % гетерогенности покрытий, что положительно сказывается на их физико-механических и эксплуатационных свойствах. Технология электроосаждения позволяет получать композиционные покрытия толщиной более 1000 мкм с возможным регулированием их структуры и свойств.

166

При нанесении композиционных электрохимических покрытий на основе хрома используют ультрадисперсные алмазные добавки размером 4 нм, массовая доля которых в покрытии достигает 2%. Добавки обеспечивают большой эффект упрочнения. На режимах блестящего хромирования частицы модификатора внедряются в покрытие в виде скоплений размером 100...200 нм. Возможно, что это связано с агрегатированием частиц под действием ионных сил электролита.

Износостойкие композиционные покрытия на основе железа наносят из электролита состава, г/см3:

1)FeCl3·4H2O – 550…600; NiSO4·7H2O – 80…90; Na2H4C4O6·2H2O – 1…1.5; электрокорунд белый М14 – 90…100 или карбид кремния зеленый; плотность тока 35…40 А/дм2; pH=0,7…1,0; железоникелевая матрица с содержанием дисперсной фазы электрокорунда до 40 %;

2)FeCl3·4H2O – 550…600; CoSO4·7H2O – 90…100; Al2(SO4)3·18H2O – 80; электрокорунд белый М14 – 90…100 или карбид кремния зеленый; плотность тока 35…40 А/дм2; pH=0,7…1,0; железокобальтовая матрица с содержанием дисперсной фазы электрокорунда до 40 %;

3)железоникелевая, железокобальтовая матрица с содержанием ультрадисперсной фазы синтетических алмазов и другие композиции оксидов, боридов, карбидов и т.д.

На рабочие поверхности деталей, работающих в жестких условиях коррозионно-механического изнашивания, целесообразно наносить тонкие полимерные пленки. Это способствует снижению изнашивания на 45...48 % такого материала по сравнению с базовым покрытием при трении

вусловиях граничной смазки, износ контртела при этом уменьшается в

1,5...3,0 раза.

5.9. Способы нанесения покрытий

Ванные способы. Детали помещают в электролит, находящийся в ка- кой-либо емкости (в стационарных ваннах, колокольных и барабанных ваннах).

Стационарная ванна (см. рис. 5.3) представляет собой емкость прямоугольной формы. В нее входят: нагревательное устройство (при необходимости); бортовые отсосы для удаления вредных испарений; катодные и анодные штанги, подсоединенные к источнику тока, для завешивания деталей и анодов. Внутреннюю поверхность ванны футеруют кислотостойкими материалами.

Мелкие детали (например, метизы при цинковании) покрывают во вращающихся колоколах (см. рис. 5.4) и барабанах (см. рис. 5.5) из токонепроводящего кислотостойкого материала.

167

Колокол имеет форму усеченного конуса. Он приводится во вращение с частотой 8...15 мин-1. Ток к деталям (катоду), насыпанным в корпус, подводится с помощью металлических щеток или опусканием в него стержня или провода с грузом, контактирующим с деталями. Анод представляет собой пластину, опускаемую в корпус на переносном штативе.

Детали загружают в колокол с электролитом, в который помещают анод, включают механизм его вращения и источник тока. При вращении детали пересыпаются, контактируют с катодом и между собой. Некоторые из них временно могут оказаться не под током. По окончании электролиза колокол наклоняют над баком с сеткой. Детали попадают в сетку, а электролит стекает в бак, откуда он снова заливается в колокол.

К недостаткам колокольных ванн относят быстрый нагрев электролита, низкую производительность и значительные потери электролита.

Колокола погружного типа и барабанные ванны лишены отмеченных недостатков. Колокол 1 (см. рис. 5.4) или барабан вращается в емкости 3 с электролитом, который поступает к деталям через отверстия в стенках. Анодные пластины подвешивают на штанги 5 по обеим сторонам колокола. Детали выгружают поднятием последнего из емкости. Электролит выливается в емкость, а детали по желобу 2 высыпаются на установленную рядом сетку 4.

Вневанные способы. При восстановлении корпусных и других крупных деталей площадь наращиваемых поверхностей мала по сравнению со всей площадью. Поэтому их наращивают вневанными способами: проточным, струйным, электроконтактным и др.

Принцип такого нанесения заключается в том, что у поверхности, подлежащей покрытию, с помощью несложных устройств создают местную электролитическую ячейку (ванночку), в которую подают электролит, а деталь и анод подключают к источнику тока.

При проточном способе электролит прокачивают насосом с определенной скоростью через пространство между покрываемой поверхностью и анодом (например, через отверстие в корпусе коробки передач). Наибольшая скорость осаждения металлов достигается при скорости протекания электролита более 1 м/с, создающей турбулентный режим течения. Плотность тока может быть увеличена в 5...10 раз (при железнении – до

200...300 А /дм2 и более).

При струйном способе электролит подают струями в межэлектродное пространство через отверстия ячейки. Для получения равномерного покрытия отверстия в ячейке, через которые поступает электролит, выполняют под углом 30...40° к радиальному направлению (рис. 5.8). При проточном и струйном способах за счет уменьшения обеднения прикатодного слоя электролита создаются условия, позволяющие в 2...3 раза повысить производительность процесса. Эти способы обеспечивают более высокое качество покрытий и лучшую равномерность. Первыми восстанавливают

168

посадочные поверхности корпусных деталей (блоков цилиндров, корпусов коробок передач и др.), а вторыми – крупные валы, например коленчатые.

Рис. 5.8. Схема электролитической ячейки для струйного осаждения металлов

В ремонтном производстве применяют также местное осаждение при неподвижном электролите. Отверстие герметизируют снизу, заливают в него электролит 2 (рис. 5.9), устанавливают анод 3 и подключают к источнику тока. Само отверстие служит ванночкой. Способ часто применяют для восстановления посадок под подшипники в корпусных деталях. Электролиз происходит в очень маленьком объеме электролита без регулирования температуры. В результате он обедняется, перегревается и усиленно испаряется. Местным железнением трудно получить высококачественные покрытия толщиной более 0,3 мм.

Для увеличения объема электролита и улучшения условий электролиза устанавливают стакан 6 и кольцо 4.

169

Чаще используют нерастворимые аноды, представляющие собой угольный стержень, плотно обернутый адсорбирующим материалом (обычной или стеклянной ватой, губкой в суконном чехле, фетром, войлоком, капроном). Обертку называют анодным тампоном. Он непрерывно смачивается электролитом, который поступает к нему через шланг от сосуда, расположенного над установкой. Электролит стекает затем в емкость, находящуюся под деталью.

Рис. 5.10. Схема электроконтактного осаждения металла:

1 – сосуд с электролитом; 2 – кран; 3 – графитовый анод; 4 – тампон; 5 – рукоятка; 6 – штекер; 7 – деталь; 8 – ванна

К недостаткам этой установки относят перегрев и испарение электролита в тампоне, возникновение загазованности и быстрое изнашивание тампона, что снижает производительность процесса и качество покрытий. Для их устранения заменяют скольжение анодного тампона по детали его

170