Технологический процесс нанесения гальванических покрытий

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ЖЕЛЕЗНЕНИЯ

 

Технологический процесс наращивания изношенных деталей электролитическим железом должен обеспечить получение покрытий с заданными механическими свойствами и высокую прочность сцепления осадков.

Технологический процесс осаждения твердого железа (первый вариант) состоит из цикла различных операций, выполняемых в определенной последовательности. Отличительной особенностью этого процесса является наличие в нем стадии электрохимической подготовки, обеспечивающей высокую прочность сцепления получаемых покрытий с деталями. Рассмотренный выше технологический процесс подготовки деталей позволяет получать прочно сцепленные со стальными и чугунными деталями осадки твердого электролитического железа толщиной до 1,0-1,2 мм на разнообразных деталях: толкателях, клапанах, шкворнях поворотных цапф, распределительных валах, осях, пальцах.

Однако во многих случаях (при восстановлении деталей большой массы и сложной конфигурации деталей, изготовленных из легированных сталей и особенно закаленных до высокой поверхностной твердости) этот вариант не дает устойчивых результатов по прочности сцепления покрытия с деталью.

Поэтому был предложен и разработан второй вариант подготовки деталей, который отличается от первого составом и порядком операций электрохимической обработки. Отличительная особенность второго варианта заключается в замене одной операции (анодной обработки в 30%-ной серной кислоте) двумя операциями (анодным травлением в растворе хлористого железа и анодной обработкой в 30%-ной серной кислоте). Этот вариант, как показала практика его применения, обеспечивает высокое сцепление электролитического железа с деталями различного веса, конфигурации и термической обработки. Указанный технологический процесс был проверен на коленчатых валах двигателей автомобилей ГАЗ и ЗИЛ, на шпинделях металлорежущих станков, многих деталях тракторов, тепловозов и заводского оборудования и во всех случаях обеспечил надежный результат.

М о й к а п о к р ы т и й. Детали перед механической обработкой необходимо промыть в 10%-ном растворе каустической соды в течение 15-20 мин при 70-80⁾С. При этом надо уделять особое внимание на очистку от загрязнения маслом внутренних поверхностей (отверстий, каналов, впадин).

Вместо мойки каустической содой детали можно очистить органическим растворителем (бензин, четыреххлористый углерод, трихлорэтилен и др.). Существуют специальные установки для мойки деталей трихлорэтиленом. Такие установки дают возможность растворитель очищать и многократно использовать.

Неудаленные с поверхности деталей ржавчина, масляные и другие загрязнения в процессе осаждения железа взаимодействуют с электролитом и могут явиться причиной отслаивания покрытия. Поэтому к процессу очистки деталей необходимо предъявлять более высокие требования сравнительно с деталями, которые не подвергаются покрытию.

Мойка и обезжиривание деталей на большинстве ремонтных заводов производятся в специальных моечных машинах щелочным раствором. При отсутствии моечной машины детали следует кипятить в 10%-ном растворе каустической соды в течение 15-20мин. В процессе мойки и очистки деталей необходимо особое внимание обращать на очистку от загрязнений различных отверстий, каналов, впадин и т.д. Для полного удаления масла из внутренних каналов шкворней и других деталей на отдельных заводах эти детали выдерживают в печи при 350⁰С в течение 10-15 мин.

Детали, покрытые ржавчиной, следует перед механической обработкой травить в растворе серной или соляной кислоты с последующей промывкой и сушкой. При серийном ремонте небольших деталей предварительную очистку можно осуществить в колокольной ванне, заполненной раствором серной кислоты в смеси с песком. Длительность очистки – 40-50 мин. Затем детали следует промыть горячей водой.

Механическая обработка. Механическую обработку деталей перед электролитическим наращиванием производят с целью устранения следов износа. придания деталям нужной геометрии, а также для получения требуемой чистоты обрабатываемой поверхности. качество предварительной обработки поверхностей деталей должно быть высоким. Механическая обработка гильз восстановленных хромированием, производится путем шлифования и хонингования, а также токарной или фрезерной обработкой.

Для предупреждения образования в процессе электролиза дендритов (наростов) на острых кромках и углах деталей необходимо после нанесения покрытий производить механическую обработку, снимать фаски. Особенно это важно при нанесении толстых покрытий.

После механической обработки на поверхности должны отсутствовать раковины, неметаллические включения, шлифовочные трещины и ожоги.

Сборка деталей на подвески в зависимости от их конструкции производиться или перед окончательным обезжириванием или после него. При изготовлении подвесных приспособлений необходимо обратить внимание на достаточность сечения токопроводящих частей. Для ориентировочных подсчетов допустимая сила тока на 1 мм² сечения токоподводов принимается: для железа 0,5-1 А, для меди 2,5-3 А, для латуни 2,0-2,5 А.

Исходя из самой сущности явления неравномерного отложения железа очевидно, что для получения равномерных его осадков необходимо детали и аноды располагать в ванне так, чтобы плотность тока по всей покрываемой поверхности была одинакова. А в практической работе гальванотехников все усилия их должны быть направлены к созданию условий для равномерного распределения силовых линий тока. Решается эта задача в большей степени при конструировании подвесных приспособлений.

Конструкции приспособлений, применяемых для завешивания деталей в ванне анодной обработки и осаждения железа, является важнейшей предпосылкой для достижения производительности процесса и качества получаемых на деталях покрытий. При неудовлетворительной конструкции приспособления возникают потери напряжения. уменьшается сила тока, продолжительность процесса увеличивается, ухудшается равномерность покрытия и возникают условия для образования некачественных осадков (растрескивающихся, бугорчатых и т.п.).

Конструкция приспособления (габариты и размещение деталей в нем) должна обеспечивать наиболее равномерное распределение тока между деталями (в многоместных приспособлениях) и на поверхности самих деталей. Завешиваемые в ванну детали не должны экранировать друг друга, так как при этом увеличивается неравномерность покрытия.

Детали на приспособлении должны быть расположены так, чтобы было обеспечено свободное стекание с катодной поверхности пузырьков газообразного водорода, выделяющегося при электролизе. покрываемые железом поверхности должны располагаться для этой цели вертикально или наклонно, так как при горизонтальной завеске поверхностей пузырьки водорода могут удерживаться на нижней поверхности и явиться причиной пористого покрытия.

1.Все металлические части поверхности подвесного приспособления, за исключением мест контактов, а также все неподлежащие покрытию поверхности деталей должны быть надежно изолированы, чтобы силовые лини тока концентрировались исключительно на подлежащих осаждению железа поверхностях и чтобы не было потерь металла.

2.Конструкция приспособления должны обеспечивать полное и быстрое удаление с него и с закрепленных на нем деталей электролита и промывной воды.

3.Монтаж деталей на приспособлении должен быть простым и надежным. Детали жестко крепят конусами, хомутами или винтами. Контактные поверхности должны быть совершенно чистыми.

4.Поперечное сечение деталей подвесного приспособления, подводящих ток, необходимо делать достаточно большим, чтобы можно было задавать плотности тока до 50-80 А/дм² без заметного нагревания деталей приспособления или контактных поверхностей. Допустимую силу тока на 1 мм² сечения деталей подвесок можно принимать: для меди 2,5-4 А, для алюминия 0,6-3,5 А, для латуни 0,8-2 А и для стали 1-2 А.

5.В качестве материала для изготовления деталей подвески применяют плоскую или круглую сталь. Контактные крючки подвесок изготовляют из меди или латуни. С целью повышения долговечности приспособлений целесообразно для изготовления их деталей применять коррозионностойкие материалы. К таким материалам следует отнести титан, который практически не корродирует в 35%-ных растворах серной или соляной кислон при температурах 25-60⁰С.

6.При конструировании подвесных приспособлений для получения большей равномерности покрытий рекомендуется использовать специальные приемы, разработанные практикой гальванотехники. К ним относятся: защитные (дополнительные) методы, неметаллические экраны, металлические экраны, дополнительные аноды на участках более медленного отложения металла, фигурные аноды.

С целью беспрепятственного удаления пузырьков водорода с покрываемых поверхностей в процессе электролиза и уменьшения явления «питтинга», детали в подвесных приспособлениях необходимо помещать вертикально.

Изоляция. Перед покрытием не подлежащих восстановлению поверхности деталей должны быть изолированы, т.е. защищены специальным материалом от осаждения на них металла.

Изоляция уменьшает потери электрического тока на непроизводительное выделение металла и повышает производительность ванн. Кроме того, изоляция защищает от коррозии внутренние поверхности деталей, которые могут растравливаться в кислом электролите.

В связи с особенностями электролитического осаждения железа к изоляционным материалам предъявляют ряд требований:

материал должен быть устойчив против длительного действия на него горячих растворов;

материал не должен растворяться в электролите и засорять его продуктами растворения;

Изоляционный материал должен быстро высыхать;

изоляционный слсой на поверхности должен быть плотным, беспористым;

матерал изоляции должен быть недефицитным;

после нанесения покрытия изоляционный слой должен быстро и легко сниматься с поверхности детали.

Надежными изоляционными материалами при железнении являются хлорвиниловые пластикаты и эмали.

Предложен более простой процесс изоляции деталей перед железнение, который заключается в следующем.

В железной ванне нагревают циризин до 70-80⁰С. Затем в расплавленный циризин окунают деталь или часть детали, которая не должна покрываться в процессе электролиза. В ванне с циризином деталь держат в течение 3-5 секунд. Слой изоляции сушат на воздухе 15-20 минут. Циризин снимают ножом с участков, подлежащих наращиванию.

Электрохимическое обезжиривание является наиболее целесообразным видом обезжиривания деталей машин.

Для электрохимического обезжиривания используют раствор состава, г/л: NaOH 15-25, Na₂CO₃ 30-50, Na₃PO₄ 30-50, Na₂Si O₃ 3-5, t 70-80⁰C.

Чтобы приготовить ванну обезжиривания объемом 1000 л, необходимо залить ванну водой до объема 2/3 и растворить при перемешивании 20 кг каустической соды, 50 кг кальцинированы соды, 50 кг тринатрийфосфата и 5 кг жидкого стекла. После полного растворения солей долить ванну водой до рабочего объема и нагреть до 70-80⁰С. Раз в 1-2 месяца необходимо добавлять по 2-5 кг каустической соды.

Операцию элекролитического обезжиривания рекомендуется вести в течение 5-10 минут на катоде, а затем в течение 2-3 минут на аноде. Плотность тока при электролитическом обезжиривании поддерживают в пределах 5-10 А/дм².

После обезжиривания детали промывают сначала в ванне с горячей проточной водой, а затем в ванне с холодной проточной водой. В процессе промывки проверяют качество обезжиривания: если вода смачивает всю поверхность детали равномерно, а не скатывается с нее капельками, то обезжиривание считается законченным.

Анодная обработка. Анодная обработка производится после обезжиривания и промывки поверхностей деталей и является важней операцией подготовки деталей к покрытию и оказывает большое влияние на прочность сцепления осадков с основным металлом.

Анодная обработка проводится для:

удаления с поверхности деталей тончайшей окисной пленки, образующейся на металле даже при кратковременном пребывании на воздухе;

протравливания верхнего металлического слоя для выявления кристаллической структуры покрываемого металла;

пассивирования поверхности деталей, т.е. для предохранения поверхности от взаимодействия ее с электролитом в момент завешивания деталей в электролит.

Для обработки деталей используют электролит, состава, г/л: 365 серной кислоты (30%-ный раствор) и 10-25 сернокислого железа: удельный вес электролита 1,23; температура электролита 18-25⁰С (температура электролита не должна превышать 25⁰С, в противном случае снижается качество обрабатываемой поверхности). В качестве катодов при анодном травлении применяют пластины из свинца. Площадь катодов должна в 3-4 раза превышать обрабатываемую площадь деталей.

Для приготовления 1000 литров электролита анода обработки, необходимо в ванну анодной обработки залить 600 литров дистиллированной воды и постепенно добавлять понемногу 200 литров серной кислоты удельного веса 1,8312. Раствор при этом необходимо перемешивать и не допускать разогрева выше 50⁰С. Удельный вес полученного раствора должен быть равным 1,20-1,23.

В полученный электролит необходимо добавить 10 кг сернокислого закисного железа. При отсутствии сульфата железа необходимое его количество в растворе можно получить проработкой электролита. В качестве анода при этом применяются стержни из малоуглеродистой стали. Для получения в растворе 10 г/л сернокислого железа необходимо пропустить через электролит постоянный ток в количестве 0,96 А/час на каждый литр раствора.

Концентрация серной кислоты уменьшается, а железо в электролите накапливается при анодном травлении деталей. Поэтому ежедневно необходимо контролировать электролит по удельному весу (в случае снижения последнего добавляется серная кислота) и один раз в неделю 1-2 месяца приводить химический анализ на содержание кислоты и железа. Содержание сернокислого железа в электролите не должно превышать 59-60 г/л. Менять электролит рекомендуется 2-4 раза в год в зависимости от интенсивности работы ванны железнения.

Длительность обработки и плотность тока зависят от химического состава и структуры металла и конфигурации деталей. По опытным данным, для различных металлов применяют различные режимы анодной обработки (таблица). Плотность тока увеличивается с увеличением в стали легирующих добавок, с увеличением поверхностной твердости и габаритов детали.

После травления детали тщательно промывают горячей водой и переносят в ванну железнения.

Таблица

Режим анодной обработки

Материал детали и характер термической обработки	Плотность тока, А/дм2	Длительность обработки, мин
Сталь 0-20 Г2	20-80	0,5-2,0
Сталь 45 нормализованная	20-80	2,0
Сталь 45 закаленная ТВЧ	80-100	2,0
Сталь 9х18	40-60	2,0

 

Разрывы между операцией анодной обработки и гальваническим покрытием должны быть по возможности короткими. Во время промывки необходимо принимать все меры к удалению остатков кислоты из всех углублений и полостей деталей.

Правильно обработанная поверхность должна иметь характерный матовый тускло-серебристый цвет. Наличие на поверхности блеска, темных пятен и каких-либо следов травильного шлама не должно допускаться.

Железнение. Железнение производят в сульфатно-хлористом электролите состава, г/л: железо хлористое 200, железо сернокислое 200, рН 0,5-0,8.

Процесс ведут при температуре 50-60⁰С и катодной плотности тока 20-25 А/дм².

Сульфатно-хлористый электролит железнения может быть приготовлен как из сернокислого и хлористого железа, так и травлением железных стружек в соответствующих кислотах.

Для приготовления 1000 литров электролита из готовых химических реактивов в ванну приготовления растворов залить 500 л дистиллированной воды комнатной температуры, добавить соляную кислоту из расчета 0,5 г/л в, подкисленную воду засыпать сернокислое закисное железо 200 кг, перемешать содержимое до полного растворения, засыпать хлористое железо 200 кг, долить дистиллированную воду до объема 1000 л и все размешать до полного растворения.

После полного растворения солей железа электролиту следует дать отстояться 1-2 часа, пока он не примет светлозеленый цвет и отфильтровать через шерстяную ткань. Затем электролит откорректировать до рН равное 0,5 0,8 соляной кислотой.

Электролит приготовленный из готовых химических реактивов следует проработать током при плотности 10 А/дм² в течение 2-4 часов при соотношении площади анода к площади катода как 2:1.

В производственных условиях электролит для железнения чаще готовят растворением стружки из малоуглеродистой стали (сталь 10,20,08А,АРМКО) в растворах соответствующих кислот.

Для приготовления 1000 литров сульфатно-хлористого электролита необходимо нагревать 113 кг стружки без ржавчины и окалины, обезжирить в 10%-ном растворе каустической соды при температуре 70-80⁰С и промыть в горячей воде. Растворы сернокислого и хлористого железа лучше готовить отдельно.

В ванну приготовления электролита залить 150 литров дистиллированной воды и 50 литров серной кислоты удельного веса 1,83 (94%). Затем в раствор кислоты засыпать понемногу обезжиренную стружку в количестве 40 кг в течение 4 часов. Через каждые 30 минут доливать по 20-30 литров воды, пока объем раствора не станет равным 500 литров. Температуру в ванне, где растворяется стружка, надо поддерживать в пределах 50-70⁰С. При этом вентиляция должна быть постоянно включена.

Как только травление прекратится (прекращается выделение пузырьков водорода), перекачать электролит в отстойный бак для отстаивания в течение 12-18 часов.

Раствор хлористого железа готовят также как и сернокислый, используя для его приготовления соляную кислоту. Для этого приливают в ванну приготовления электролита 200 литров дистиллированной воды и 255 литров соляной кислоты удельного веса 1,17 (24%), включают подогрев. Когда раствор нагреется до 50-60⁰С постепенно загружают 65 кг железной обезжиренной стружки из малоуглеродистой стали. как только процесс растворения стружки прекратится (перестанут выделяться пузырьки водорода), долить в раствор дистиллированной воды до объема 500 л, перекачать электролит в ванну для отстоя (там уже есть раствор сернокислого железа).

Через 12-18 часов электролит из отстойного бака перелить через фильтр из шерстяной ткани в ванну железнения. Раствор в ванне хорошо перемешать, долить дистиллированной воды до рабочего объема, прилить соляной кислоты столько, чтобы рН электролита было равным 0,2-0,3 и поставить электролит на проработку. Проработку приготовленного электролита необходимо вести до полной выработки трехвалентного железа при плотности тока 10 А/дм², температуре раствора 50-60⁰С и соотношения площади анода и площади катода как 1:2. Аноды должны быть при этом в чехлах из капроновой ткани. Затем раствор доливают водой до рабочего объема и корректируют по кислотности.

В случае использования кислот других концентраций необходимое количество можно рассчитать, используя таблицу.

Таблица

Концентрация хлористого железа, г/л	Требуемое количество, г/л
Железо стружки, г	Соляная кислоты (удельный вес) мл/л
1,15 (30%)	1,16 (32%)	1,17 (34%)	1,18 (36%)
	64,6 96,9 129,2	292,8

 

 

Таблица

Концентрация сернокислого железа, г/л	Требуемое количество, г/л
Железо стружки, г	Соляная кислоты (удельный вес) мл/л
1,824 (92%)	1,828 (93%)	1,83 (94%)
			59,4 118,1	58,5 116,6

 

Ванну железнения к работе готовят следующим образом:

1. Тщательно зачищают все контакты, токопроводящие устройство и надежно закрепляют их;

2. Доливают ванну дистиллированной водой до рабочего уровня;

3. по рН-метру ЛПУ-01 проверяют кислотность электролита и, если она недостаточна, добивают соляную кислоты до рабочего значения рН;

4. Подсчитывают необходимую силу тока для загрузки ванну в соответствии с общей площадью деталей (S дм²), завешиваемых в ванну: J нач. = S∙Дк_нач Jрабоч = S∙Дк_рабоч

5. Нагревают ванну до рабочей температуры;

6. Помещают аноды в чехлы и подвещивают на токонесущие штанги ванны.

Анодно-катодное расстояние для всех деталей должно быть одинаковым, так как при разном расстоянии плотность тока на поверхности деталей будет различна, что вызовет неоднородность покрытия на детали по толщине и по качеству.

Детали после анодной обработки и промывки в воде завешивают в подготовленный к работе электролит железнения на тщательно зачищенные штанги. Процесс начинают вести при начальной плотности тока 1-2 А/дм² в течение 5-10 минут, а затем в течение 5-10 минут силу тока доводят до рабочего значения. Такое постепенное повышение плотности тока способствует увеличению прочности сцепления покрытия с деталью.

Продолжительность наращивания деталей железом при заданной толщине покрытия (h) и заданной плотности тока (Дк А/дм²) определяется по формуле на основе законов Фарадея:

τ_к = 1000 h

c ВТ ι

-

 

где τ_к – продолжительность наращивания, час; γ – удельный вес железа, 7,8 г/см³; α – выход железа по току, 80-95%; с – электрохимический эквивалент, 1,042 г/А-час.

Гладкие покрытия при железнении получаются толщиной до 0,8-1,0 мм. Для получения более толстых покрытий процесс наращивания осуществляется в несколько приемов.

Электролиз ведется с растворимыми анодами из малоуглеродистой стали с содержанием углерода до 0,25% и с малым содержанием других примесей. При растворении анодов в процессе электроосаждения на их поверхности образуется анодный шлам в виде темносерного рыхлого слоя из углерода, серы, фосфора и других нерастворимых примесей, входящих в состав металла анода. Образующийся шлам, попадая в электролит, загрязняет его. Частицы шлама могут осаждаться на катоде вместе с металлом и ухудшать качество покрытий. Поэтому для уменьшения загрязнения электролита шламом, аноды рекомендуется помещать в чехлы из кислостойкой ткани (стеклоткань, капроновая ткань или шерстяная ткань). После электролиза чехлы необходимо тщательно промыть. Можно делать широкие чехлы для нескольких анодов.

Новые аноды перед завешиванием в электролит обезжиривают электрохимически, промывают в горячей и холодной воде, обрабатывают в соляной (1:1) или серной (30%) кислоте, промывают в воде и зачищают до блеска стальной щеткой. Чтобы предупредить непроизвольное растворение анодов и ненужный расход кислоты, не следует оставлять их в неработающей ванне.

Количество анодов и их длину выбирают в зависимости от габаритов деталей и поверхности, предназначенной для железнения. Общее количество анодов определяют так, чтобы отношение между анодной (Sa) и катодной (Sk) поверхностями было в пределах от 2 до 1 (Sa:Sk = 2:1). Отношение Sa:Sk влияет на равномерность и механические свойства покрытий и на содержание в электролите трехвалентного железа.

Размеры анодов должны соответствовать контуру детали. Длина анода должна быть выбрана так, чтобы глубина погружения нижнего конца анода в ванну была бы на 10-20 мм ниже нижнего конца детали. При железнении внутренних поверхностей цилиндрических деталей применяются стержневые аноды из прутковой стали. Анод при этом надо правильно центрировать относительно катода, чтобы получить равномерное распределение металла по поверхности детали.

Длина анодных и катодных крючков должна быть выбрана такой, чтобы они находились выше уровня электролита для предупреждения загрязнения электролита медью.

Загрузку ванны необходимо осуществлять так, чтобы между деталями обеспечивалось достаточное расстояние (10-15 см) и чтобы они не экранировали друг друга. Верхние концы деталей должны располагаться ниже уровня электролита на 5-10 см, а нижний – не менее 10-15 см от дна ванны, так как на дне ванны постоянно накапливается шлам, который приводит к получению шероховатых или пористых осадков железа.

Для того, чтобы предупредить появление брака при железнении необходимо:

а) поддерживать заданную температуру электролита и плотность тока, так как снижение этих параметров приводит к снижению скорости осаждения металла;

б) поддерживать заданный уровень электролита. При 60⁰С с 1 м² зеркала ванны за 1 час испаряется 5 л воды. В ванну надо добавлять подкисленную соляной кислотой воду (5-10 г/л);

в) следить за чистотой электролита и фильтровать его через 5-7 дне работы;

г) следить за анодами, штангами и контактами, так как неисправный контакт вызывает потери напряжения, нарушает распределение тока между деталями;

д) контролировать и корректировать электролит по кислотности;

е) контролировать и корректировать состав электролита. Состав электролита необходимо ежедневно проверять по удельному весу и раз в месяц по химическому анализу.

Промывка и нейтрализация.

В связи с повышенной склонностью железа к окислению, оно покрывается на воздухе слоем ржавчины. Особенно в сильной степени подвержены ржавлению детали после электролитического наращивания. Это объясняется тем, что гальванические ванны железнения содержат в совеем составе кислоту, которая проникает в поры покрытия и ускоряет процесс окисления. Практикой установлено, что даже самая тщательная промывка восстановленных деталей водой не способна предотвратить этот процесс. Поэтому необходимо принять специальные меры с тем, чтобы за время межоперационного периода железнение – последующая механическая обработка – нарощенный слой не потерял своих качеств.

Для этого детали после выгружения из ванны железнения необходимо промыть в горячей (70-80⁰С) проточной воде, а затем поместить для нейтрализации кислоты в щелочной раствор, содержащий 100 г/л каустической соды. Детали выдерживают в ванну со щелочью в течение 5-10 минут при 60-70⁰С, после чего подвергают промывке в горячей, затем холодной проточной воде и обдувке теплым сжатым воздухом до удаления влаги.