Практическая работа- Востановление деталей.
Цель работы Комплексная характеристика способов восстановления и упрочнения поверхностей деталей
Ход работы
Электролитическое хромирование
2. Химическое металлопокрытие
Горячее металлопокрытие погружением
Восстановление деталей – это технологический процесс возобновления исправного состояния и ресурса этих деталей путем возвращения им утраченной части материала из-за изнашивания и доведения до нормативных значений уровня свойств, изменившихся за время длительной эксплуатации.
Упрочнение деталей – это повышение сопротивляемости элементов этих деталей разрушению, остаточной деформации или изнашиванию.
Рис. 1.1. Способы восстановления и упрочнения поверхностей деталей
Для восстановления изношенных деталей машин и аппаратов,
а также для упрочнения и нанесения слоев на поверхность деталей с особыми свойствами в промышленности применяют различные способы.
• Электролитическое металлопокрытие – осаждение металла с образованием покрытия на поверхности изделия при пропускании тока между анодом и катодом, например: никелирование, хромирование.
Хромирование – нанесение хрома или его сплава на металлическое изделие для придания поверхности комплекса физико-химических свойств: коррозионной стойкости, износостойкости, жаростойкости, высоких механических и электромагнитных свойств. В зависимости от характера взаимодействия поверхности изделия хромом процесс хромирования осуществляется различными способами, среди которых наиболее распространены электролитический и диффузионный.
Электролитическое хромирование – наиболее распространённый гальванический процесс, вошедший в промышленную практику в 20-х гг. ХХ века. Хромированию подвергают преимущественно изделия из стали и чугуна, а также из сплавов на основе меди, цинка, никеля и алюминия. Хромовое покрытие характеризуется высокой химической стойкостью, обусловленной способностью хрома пассивироваться. Из-за трудностей получения тонкого беспористого покрытия надёжная защита от коррозии может быть достигнута при нанесении более экономичного трёхслойного защитно-декоративного покрытия медь-никель-хром (толщина слоя хрома 1 мкм). Осажденный на предварительно отполированную поверхность хром имеет зеркальный блеск и серебристый с синеватым отливом цвет. Для предотвращения коррозии и придания декоративного вида хромируют многие детали автомобилей, велосипедов, трамвайных и железнодорожных вагонов, измерительных приборов, счетных и пишущих машин, часов, паро- и водопроводной арматуры, медицинские инструменты и т. д. Другое ценное свойство хромового покрытия – высокое сопротивление механическому износу. Для повышения поверхностной твёрдости и износостойкости хромируют трущиеся детали, например цилиндры двигателей внутреннего сгорания, поршневые кольца, калибры. В этих случаях наносят покрытия толщиной более 1 мм. Разработан способ «пористого хромирования», заключающийся в анодной обработке хромированных де-талей, при котором в покрытии формируются поры, удерживающие смазку. Иногда стальные изделия подвергают комбинированному хромированию, обеспечивающему как защиту металла от коррозии, так и высокое сопротивление износу. Главный компонент электролита при электролитическом хромировании – хромовая кислота.
Никелирование – нанесение на поверхность изделий никелевого покрытия (толщиной, как правило, от 1…2 до 40…50 мкм). Никелированию подвергаются преимущественно изделия из стали и сплавов на основе Cu, Zn и Al; реже – изделия из Mg, Ti, W, Mo и сплавов на их основе; разработаны способы нанесения никеля на неметаллической поверхности – керамику, пластмассы, бакелит, фарфор, стекло и др. Никелирование применяется для защиты изделий от коррозии (в атмосферных условиях, в растворах щелочей, солей и слабых органических кислот), повышения износостойкости деталей, а также в защитно-декоративных целях.
Наиболее распространенными способами являются электролитическое и химическое никелирование. Чаще никелирование (так называемое матовое) производится электролитическим способом. Наиболее изучены и устойчивы в работе сернокислые электролиты. При добавлении в электролит специальных блескообразователей осуществляется так называемое блестящее никелирование. Электролитические покрытия обладают некоторой пористостью, которая зависит от тщательности подготовки поверхности основы и от толщины покрытия. Для защиты от коррозии необходимо полное отсутствие пор, поэтому обычно производят предварительное меднение или наносят многослойное покрытие, которое при равной толщине надёжнее однослойного (например, стальные изделия час-то покрывают по схеме Cu – Ni – Cr). Недостатками электролитического никелирования являются неравномерность осаждения никеля на рельефной поверхности и невозможность покрытия узких и глубоких отверстий, полостей и т. п.
Никелирование используется, например, для покрытия деталей химической аппаратуры, автомобилей, велосипедов, медицинского инструмента, приборов, предметов домашнего обихода, измерительного инструмента, клише, а также деталей, эксплуатируемых с небольшими нагрузками в условиях сухого трения. Никелевые покрытия с течением времени несколько теряют свой пер-воначальный блеск. Поэтому часто слой никеля покрывают более стойким слоем хрома.
• Химическое металлопокрытие – образование покрытия за счет осаждения ионов металла из водного раствора без применения электрического тока.
Впервые металлическое покрытие методом химического восстановления было получено Ю. Либихом в 1836 году. Он осуществил химическое серебрение стекла и впоследствии разработал технологию процесса серебрения, которая получила промышленное применение. Покрытия такого типа известны в литературе как химические покрытия.
Отличительной особенностью химических покрытий является высокая равномерность их осаждения по всей поверхности. Благодаря низкой пористости такие покрытия обладают высокой защитной способностью, что имеет важное значение при их эксплуатации. Например, никелевое покрытие с успехом применяют для защиты от коррозии энергетического оборудования, работающего при температуре 600…650 °С в газовой среде, для покрытия магниевых и титановых деталей вертолетных роторов, а также алюминиевых зеркал, используемых на спутниках в условиях космоса. Оно применяется для защиты от коррозии хирургических инструментов и деталей часов.
В последние десятилетия химический способ нанесения покрытий находит применение для металлизации диэлектриков, придавая поверхности электропроводящие свойства. В частности, метал-лизированные пластмассы обладают химической устойчивостью, износостойкостью, теплостойкостью и механической прочностью, имеют декоративный вид и устойчивы к свету. Благодаря этим свойствам металлизированная пластмасса широко используется
в автомобиле- и приборостроении. Из декоративно-металлизируемых пластмасс изготавливают фурнитуру для мебели, бижутерию, игрушки и другие бытовые изделия.
Существует несколько способов химического осаждения металлических покрытий из водных растворов: 1) контактный; 2) контактно-химический; 3) метод химического восстановления.
Контактный способ основан на вытеснении ионов металла из раствора более активным металлом. Сущность способа заключается в следующем: покрываемый металл погружается в раствор, со-держащий соль более электроположительного металла, и покрытие
в этом случае осаждается за счет разности потенциалов, возникающей между покрываемым металлом и ионами, находящимися
в растворе. Примером может быть хорошо известная из школьного курса реакция омеднения железного гвоздя, помещенного в раствор сульфата меди.
Контактно-химический способ осаждения металлов заключается
в создании гальванической пары между металлом основы и болееактивным металлом. Так, при осаждении серебра на медную основу создают гальваническую пару с помощью более активного металла алю-миния или магния. В этом случае более активный металл отдает свои электроны меди и на отрицательно заряженной медной поверхности ионы Ag+ восстанавливаются до металла. Рассмотренный процесс используют при нанесении серебряного покрытия на волноводные трубы и изделия сложной конфигурации из меди и её сплавов.
Метод химического восстановления (химическая металлизация) заключается в том, что металлические покрытия получают в результате восстановления ионов металла из водных растворов, содержащих восстановитель. В первых двух методах осаждение покрытия основано на принципе обмена электронами между двумя металлами. В случае метода химического восстановления необходимые для восстановления металла электроны получаются за счет применяемого восстановителя.
Покрытия, получаемые методом погружения, очень тонкие, обычно их толщина составляет доли микрометра и поэтому защитными свойствами не обладают. Такие покрытия используются в качестве подслоя при гальванической металлизации, для обеспечения процесса пайки и т. д. Методом химического восстановления и контактно-химическим получают покрытия значительной толщины – 5…30 мкм и более, пригодные для защиты от коррозии. Из химических способов нанесения покрытия нашли широкое промышленное применение никелирование, омеднение и серебрение.
• Горячее металлопокрытие погружением – образование покрытия путем погружения изделия в ванну расплавленного металла.
Цинкование. Среди многочисленных процессов нанесения защитных покрытий на стальные и чугунные изделия цинкование занимает одно из ведущих мест. По объему и номенклатуре защищаемых от коррозии изделий цинковым покрытиям нет равных среди других металлических покрытий. Это обусловливается многообразием технологических процессов цинкования, их относительной простотой, возможностью широкой механизации и автоматизации, высокими технико-экономическими показателями. Практический опыт показывает, что особо жесткими условиями эксплуатации характеризуются нефтедобывающая отрасль, судостроение и морской флот, нефтеперерабатывающая и автомобильная промышленность. В связи с этим представляет большой практический интерес использование в этих условиях эксплуатации защитных цинковых покрытий нового поколения. Анализ свойств цинковых покрытий
и условий эксплуатации различных металлоконструкций и трубопроводов в указанных выше областях промышленности показывает, что покрытие для использования в этих условиях должно обладать не только повышенной коррозионной стойкостью, но быть также устойчивым к абразивному износу и иметь высокую степень сцепления с поверхностью защищаемого изделия. Например, для труб нефтяного сортамента с нарезными концами покрытие должно не только защищать от коррозии, но и обеспечивать резьбовому соединению труб высокую износостойкость и герметичность. Сравнение основных свойств и результатов коррозионных испытаний различных цинковых покрытий показывает, что для жестких условий экс-плуатации наиболее подходят диффузионные цинковые покрытия, которые наносят на изделия путем их химико-термической обработки в порошковых смесях на основе цинка или в расплаве цинка методом горячего цинкования.
Одним из важнейших свойств защитных покрытий является прочность сцепления их с поверхностью покрываемого изделия. При соблюдении технологии нанесения покрытия сцепление цинкового покрытия, полученного в расплаве цинка, определяется главным образом температурой расплава цинка и продолжительностью взаимодействия расплавленного цинка с поверхностью покрываемого изделия, например трубы. Эти параметры определяют степень проникновения атомов цинка в стальную подложку покрываемого изделия и в конечном итоге степень сцепления покрытия с подложкой. Известно, что время контакта стальных изделий, например труб, при горячем цинковании составляет от 30…45 секунд до 1,0…2,0 минуты, однако при этом атомы цинка не глубоко проникают в покрываемое изделие и степень сцепления образующегося цинкового покрытия с подложкой невелика.
Алюминирование. По данным различных исследований, алюминиевое покрытие примерно в 6 раз устойчивее цинкового при одинаковом весе и в 2,5 раза при одинаковой толщине покрытия.Из всех методов погружения в расплавленный металл алюминирование получило в США промышленное применение еще в тридцатые годы прошлого столетия. В настоящее время этот процесс широко распространен во многих странах, производящих листовой прокат
и трубы. Этот метод используют для покрытия листов достаточной ширины, а также для покрытия изделий различной формы. Основные затруднения на пути развития горячего алюминирования – это окисление стали и расплавленного алюминия, а также образование
хрупкого соединения FeAl3 при повышенной температуре. И то и другое препятствует адгезии покрытия к основному металлу.
Алюминированная сталь отличается рядом ценных свойств, в том числе хорошей адгезией лакокрасочных покрытий (после хроматирования). В ряде случаев алюминированная сталь может заме-нять более дорогие жаростойкие сплавы. Механические свойства алюминированной стали при повышенной температуре значительно выше, чем алюминия. При температуре выше 470 °С алюминий диффундирует в промежуточный сплав и сталь, образуя твердый раствор. В результате этого жаростойкость покрытия повышается.