2.5. Восстановление деталей нанесением гальванических и химических покрытий
В теме изучаются следующие вопросы:
- физические основы процесса электролиза;
- область применения различных видов гальванических покрытий;
- подготовка поверхностей деталей к нанесению покрытий;
- процессы железнения, хромирования, цинкования;
- свойства гальванических покрытий;
- химический способ нанесения покрытий.
Физические основы процесса электролиза. Процесс нанесения гальванических покрытий основан на явлениях электролитической диссоциации и электролиза.
Электролитическая диссоциация заключается в расщеплении молекул вещества, находящихся в растворе, на положительные и отрицательные ионы в результате их взаимодействия с молекулами растворителя. Необходимое условие этого явления - полярное строение молекул растворителя и растворенного вещества. Растворенный металл приобретает в результате этого процесса положительный электрический потенциал (потенциал равновесия).
Электролиз заключается в разряде и осаждении на электродах молекул растворенных веществ под действием протекающего в диссоциированном растворе электрического тока (рис. 11). При нанесении защитно-восстановительных покрытий на изношенные поверхности детали размещают в растворе-электролите в качестве катода.
Рис. 11. Схема процесса электролиза
Количество вещества
,
г, выделяющегося на электроде, определяют
с помощью объединенного закона Фарадея:
где А и Z - атомная масса и валентность осаждаемого элемента; I - ток, A; t - время осаждения, ч; F = 1/С - число Фарадея, равное количеству электричества, которое нужно пропустить через электролит для выделения на электроде 1 грамм-эквивалента любого вещества; С - электрохимический эквивалент, г/А×ч.
Отношение массы действительно выделившегося металла на электроде к теоретически возможному его количеству называется коэффициентом выхода по току h, который всегда меньше единицы.
Толщину электролитического осадка h, мм, определяют по формуле:
где Dk = I/Sk - плотность тока, А/дм2; Sk - площадь катода, дм2; g - плотность осажденного металла, г/см3.
Область применения
различных видов гальванических покрытий.
Гальванические покрытия применяют для
повышения износостойкости и наращивания
изношенных деталей (Cr, Fe, Ni, Cu), для
придания защитно-декоративных (Cr, Ni, Cu,
Zn, Cd, Sn, Pb) и антифрикционных свойств (Fe,
Cu, Zn, Sn), улучшения прирабатываемости
трущихся поверхностей (Cu, Sn, Pb).
Восстановлению подлежат детали с
небольшими износами, но с высокими
требованиями к износостойкости и
твердости их поверхностей.
Процесс обеспечивает сохранение структуры материала детали, высокую износостойкость и твердость покрытий, равномерную их толщину, поддается автоматизации. Недостатки: низкая скорость процесса, большой расход воды, требуется очистка сточных вод от ионов тяжелых металлов.
В ремонтном производстве наиболее распространены железнение, хромирование и цинкование. Первые два процесса обеспечивают получение износостойких покрытий, последний - как износостойких, так и защитных.
Подготовка поверхностей деталей к нанесению покрытий. Процесс нанесения гальванических покрытий состоит из следующих этапов: предварительной механической обработки восстанавливаемых поверхностей, их очистки, установки деталей на подвески, защиты мест, не подлежащих восстановлению, обезжиривания, травления и анодной обработки, осаждения металла, нейтрализации остатков электролита на деталях, промывки в холодной и горячей водах, снятия деталей с подвесок и удаления изоляции, сушки и термообработки (при необходимости).
Процессы железнения, хромирования, цинкования. В качестве электролита при железнении наиболее распространен раствор хлористого железа (300...500 г/л) и соляной кислоты (2...3 г/л) в воде. Для поддержания необходимой массовой доли ионов железа применяют растворимые аноды из армко-железа, площадь которых больше площади катодов примерно в два раза.
Во время электролиза на электродах протекают процессы: на катоде - разряд ионов железа, выделение водорода, восстановление трехвалентного железа; на аноде - растворение железа, окисление двухвалентного железа, выделение кислорода. Катодная плотность тока - 5...15 А/дм2. Осажденное железо по составу приближается к малоуглеродистой стали с содержанием углерода 0,03...0,06%, однако его кристаллическая решетка напряжена, и по своим физико-механическим свойствам осадки близки к закаленной стали.
При хромировании применяют универсальный электролит состава: ангидрид хромовый CrO3 (200...250 г/л), серная кислота (2...2,5 г/л). Удовлетворительные хромовые покрытия получаются в присутствии ионов O4 или F в строго определенном количестве и с применением нерастворимых свинцово-сурьмянистых анодов. Постоянная массовая доля ионов SO4 поддерживается за счет присутствия в растворе труднорастворимого сульфата стронция SrSO4. Такой электролит называют саморегулирующимся. Катодная плотность тока при хромировании - 35...100 А/ дм2, а выход по току - 17...22%.
Во время хромирования на катоде одновременно протекают три процесса: восстановление шестивалентного хрома до трехвалентного, выделение водорода, осаждение металлического хрома. На аноде выделяется газообразный кислород и окисляется трехвалентный хром в шестивалентный.
Для повышения производительности процесса и качества покрытий применяют нестационарные процессы их нанесения, используя реверсивный и асимметричный ток, проточные способы электролиза, накладывая ультразвуковые колебания, повышая температуру электролита и др.
Наибольшее применение из процессов нанесения защитных покрытий получило цинкование. Цинк на поверхности обеспечивает надежную катодную защиту стальных изделий.
Свойства гальванических покрытий. Свойства деталей, восстановленных нанесением гальванических покрытий, характеризуются прочностью соединения покрытия с поверхностью детали, твердостью, износостойкостью, внутренними напряжениями и усталостной прочностью. Наибольшее влияние на указанные свойства оказывают следующие величины процесса: плотность и вид тока; вид и массовая доля составляющих; температура и скорость перемещения электролита у поверхности катода.
Химический способ нанесения покрытий. Химическим способом наносят никелевые, фосфатные и оксидные защитные покрытия. Основа процесса химического никелирования - реакция восстановления никеля из его водных растворов солей гипофосфитом натрия. Осажденное покрытие имеет полублестящий металлический вид, аморфную структуру и является сплавом никеля с фосфором. Для повышения защитных свойств никелевых покрытий применяют термооксидирование деталей в воздушной среде при температуре 900 °С в течение 1 ч. В результате процесса на поверхности никеля образуется слой NiO синезеленого цвета толщиной 5...7 мкм.
Фосфатирование - процесс осаждения на поверхности металла нерастворимых в воде фосфорно-кислых соединений. Фосфатирование стали и чугуна ведут в растворе препарата «мажеф» (по начальным буквам составляющих - марганца, железа и фосфорной кислоты). Фосфатная пленка толщиной 7...50 мкм имеет светло-серый цвет и плотную структуру. Прочность соединения пленки с основой велика, а на пленке в свою очередь хорошо закрепляются лакокрасочные материалы.
Оксидные пленки на стальных деталях образуются в горячих растворах щелочи в присутствии некоторых окислителей. Сущность процесса заключается в образовании на поверхности плотных пленок из смеси оксидов железа. Цвет оксидной пленки зависит от технологии ее получения и толщины, марки металла и вида механической обработки. Толщина пленки достигает 0,5...0,8 мкм при щелочном оксидировании и до 10 мкм - при высокотемпературных процессах.