Процесс проектирования технологий восстановления деталей машиностроения с помощью нанесения гальванических покрытий. Никелирование как метод компенсации износа. Использование хромирования, железнения, меднения и цинкования для восстановления деталей.
Аннотация к работе
Процесс проектирования технологий восстановления деталей машиностроения с помощью нанесения гальванических покрытий имеет ряд особенностей как в определении режимов процесса, состава электролита, так и в выборе механического и гальванического оборудования. компенсация износа, никель-фосфорные покрытия, пористое хромирование, железнение, меднение, цинкование, покрытия с чередующимися слоями The Process of the technology designing of the recovering the details of machine building by means of plating has a number of particularities both in determination of process mode, composition of the electrolyte and in selection of mechanical and galvanic equipment.Покрытия из металлов, сплавов и пластмасс наносят на поверхность деталей для защиты их от разрушения в эксплуатации, увеличения срока службы восстанавливаемых размеров, получения специальных свойств поверхностного слоя деталей. Процесс никелирования применяют как способ компенсации износа поверхностей деталей, а также при ремонте для защиты от коррозии деталей сложной конфигурации, для которых другие методы защиты непригодны. Никель-фосфорные покрытия наносят с целью повышения износостойкости трущихся поверхностей деталей, обеспечения работы узлов при сухом трении и защиты от газовой коррозии деталей, работающих при повышенных температурах. Электролитический хром обладает наименьшим коэффициентом трения по сравнению с другими материалами, поэтому хром находит широкое применение в машиностроении для увеличения износостойкости новых деталей машин и инструмента, а также для восстановления изношенных деталей. Применение специальных пористых хромовых покрытий улучшает смачиваемость поверхностей: самой детали примерно в 3-5 раз, а сопряженной с ней детали - в 1,5-2 раза [2].Электрохимические методы все шире применяют для решения многих сложных технических задач восстановления деталей, так как не требуют термического воздействия, вызывающего нежелательные изменения структуры и механических свойств.
Введение
В настоящее время для восстановления средств и объектов материального производства в машиностроении широко используются гальванические покрытия. Покрытия из металлов, сплавов и пластмасс наносят на поверхность деталей для защиты их от разрушения в эксплуатации, увеличения срока службы восстанавливаемых размеров, получения специальных свойств поверхностного слоя деталей. Выбор способа восстановления деталей зависит от условий их эксплуатации и экономической эффективности способа. Долговечность деталей с различными покрытиями в изменяющихся условиях эксплуатации неодинакова и зависит от состава наращиваемого слоя, формы деталей и способности их поверхности удерживать наносимый слой.
Никелирование как метод компенсации износа
Процесс никелирования применяют как способ компенсации износа поверхностей деталей, а также при ремонте для защиты от коррозии деталей сложной конфигурации, для которых другие методы защиты непригодны. Никель-фосфорные покрытия наносят с целью повышения износостойкости трущихся поверхностей деталей, обеспечения работы узлов при сухом трении и защиты от газовой коррозии деталей, работающих при повышенных температурах. Исходная микроструктура никель-фосфорных покрытий обеспечивает в поверхностном слое микротвердость 3500-5000 МПА, которая растет с увеличением содержания фосфора в осадке. При нагреве детали с таким покрытием в течение часа до температуры 350-400 °С ее твердость увеличивается до 1200 НВ. Минимальным износом обладают никель-фосфорные покрытия, термически обработанные при 350-400 ОС. Термическая обработка улучшает также прочность сцепления поверхности наращиваемой детали с покрытием, которая после осаждения равна примерно 35 МПА, а после нагрева до 200-250 °С в течение 60 мин - 280 МПА [1].
Качество сцепления никель-фосфорного покрытия и его защитные свойства определяются чистотой обработки поверхности. Шероховатость обработанных поверхностей Ra перед хромированием не должна превышать 0,8 мкм. Затем изолируют нерабочие поверхности деталей нанесением кистью или окунанием на них нескольких слоев перхлорвиниловой эмали или лака. Сушат каждый слой в течение 50 мин при температуре 65°С. Внутренние участки деталей, предварительно изолируют заглушками, изготовленными из фторопласта, который является полимером тетрафторэтилена. Наиболее важным свойством фторопласта является теплостойкость: его можно рассматривать как инертный материал примерно до температуры 250° С. Он отличается высокой стойкостью во всех растворителях, кислотах и щелочах; против деформации; при весьма низких температурах. К числу недостатков фторопласта относят его низкую адгезию к металлам и другим материалам.
Перед химическим никелированием последовательно проводят операции обезжиривания, травления, промывки, активирования. Для обезжиривания разрешается применять органические растворители, фосфатно-щелочные растворы. Химикаты, применяемые при химическом никелировании, должны быть химически чистые, вода дистиллированная или конденсат. Ванна изготавливается из фарфора, стекла либо стали со специальной облицовкой.
После нанесения покрытия детали следует промыть в ваннах с холодной и горячей водой, высушить сжатым воздухом, демонтировать просушенные детали с подвесок, удалить изоляцию. На поверхности покрытия допускается шероховатость в виде несосредоточенных частиц, не нарушающая сопряжения деталей и условий работы.
После проведения испытания на прочность сцепления с основным металлом не должно наблюдаться отслаивания, шелушения, скола, растрескивания или пузырей в зависимости от метода контроля.
Использование хромирования для восстановления деталей
Отличительными особенностью электролитического хрома является высокая микротвердость, которая вместе с особым характером текстуры определяет его высокую износостойкость. Электролитический хром обладает наименьшим коэффициентом трения по сравнению с другими материалами, поэтому хром находит широкое применение в машиностроении для увеличения износостойкости новых деталей машин и инструмента, а также для восстановления изношенных деталей.
Применение износостойких хромовых покрытий для восстановления изношенных деталей станков и двигателей внутреннего сгорания позволяет во много раз увеличить срок их службы. Примерами подобных деталей могут служить шпиндели станков, шейки коленчатых, распределительных валов, толкателя, клапанов, поршневые пальцы, шейки валиков различных агрегатов и другие детали.
Наращивание слоя хрома на изношенные поверхности термообработанных валов, втулок позволяет восстановить размеры деталей и этим увеличить срок эксплуатации изделий. Большой эффект дает хромирование при ремонте штампов для изготовления различных изделий машиностроения из резины, пластмасс, кожи. В этом случае хромовое покрытие не только обеспечивает износостойкость, но также исключает налипание прессуемых материалов к поверхности матриц, снижает смачиваемость стенок форм расплавленным стеклом или металлом.
Особенно большое значение при ремонте двигателей внутреннего сгорания имеет хромирование в связи с созданием технологии пористого хромирования. Значительное повышение износостойкости трущихся поверхностей стенок цилиндров и поршневых колец двигателей достигается при применении процессов пористого хромирования для лучшего удержания смазки и лучшей притирке колец к поверхности цилиндров. Плотный беспористый хром плохо смачивается маслами. Применение специальных пористых хромовых покрытий улучшает смачиваемость поверхностей: самой детали примерно в 3-5 раз, а сопряженной с ней детали - в 1,5-2 раза [2]. Однако поверхность цилиндров лучше работает при применении хромированных поршневых колец с редкой сеткой каналов. Степень пористости хромового покрытия в значительной мере зависит от температуры электролита и плотности тока. При увеличении температуры пористость уменьшается, и сетка каналов становится более редкой. Последующая после хромирования электрохимическая обработка (анодное травление) окончательно формирует сетку каналов. Скорость этого формирования зависит от интенсивности процесса травления, т.е. от плотности тока. Плотность тока при анодном травлении должна составлять 40-60 А/дм2, время выдержки 5-12 мин. Анодное травление осуществляют в растворе для хромирования [3].
Большое значение для авторемонтного производства представляет применение новых электролитов и способов усовершенствования процесса хромирования. Для восстановления шеек распределительных валов предложено использование скоростного саморегулирующегося электролита. Выбор основан на том, что его использование обеспечивает высокий выход хрома по току. Саморегулирующийся судьфатно-кремнефторидный электролит имеет преимущества по сравнению с универсальным электролитом: высокую производительность; способность автоматически поддерживать определенную концентрацию сернокислого стронция и кремнефтористого калия в растворе при изменении условий электролиза; возможность получения осадков хрома с высокими физико-механическими свойствами при толщине их до 1 мм и более; стабильность работы ванны, позволяющая получать высококачественные осадки хрома при значительных колебаниях температуры, плотности тока и изменении состава электролита.
Технологический процесс восстановления шеек распределительного вала включает механическую обработку поверхности (шлифование или полирование); промывку органическими растворителями для удаления жировых загрязнений и протирка тканью; заделку отверстий и изоляцию участков поверхности детали, не подлежащих хромированию; монтаж подвески; обезжиривание; промывку в воде; декапирование.
Перед покрытием поверхность детали обрабатывается по тому классу чистоты, который указан для готовой детали. После механической обработки на поверхности детали не должно быть неметаллических включений, а также раковин, трещин и глубоких рисок, так как хром хорошо воспроизводит все эти дефекты. Участки деталей, не подлежащих хромированию, изолируют с помощью защитных покрытий.
Режимы хромирования оказывают большое влияние на свойства и качества хромового покрытия. При хромировании стальных деталей вначале дается ток противоположного направления для анодного растворения окисных пленок, а затем в прямом направлении для улучшения кроющей способности сульфатных электролитов, в 1,5 раза превышающий расчетное значение. Через 15-30 с значение тока снижается до номинального. При эксплуатации ванны следует учитывать, что в процессе электролиза концентрация трехвалентного хрома в электролите изменяется в зависимости от конфигурации деталей.
Благодаря хромированию не только увеличивается срок службы деталей, но часто повышается качество выпускаемой продукции. Однако применение электролитического хромирования для восстановления изношенных деталей машин ограничивается глубиной износа. В случаях, когда величина износа достигает 0,7 - 1,0 мм хромирование становится нерациональным, так как при большой толщине слоя покрытия продолжительность процесса осаждения велика, а осажденный металл имеет склонность к скалыванию. В этих случаях может быть применено железнение. Твердость и износостойкость электролитического железа значительно ниже, чем хрома. Поэтому для повышения поверхностной твердости после железнения детали подвергаются дополнительно хромированию или цементации с последующей закалкой. восстановление деталь гальванический технология
Реновационное железнение, меднение, цинкование
Электролитически осажденное железо обладает твердостью 200-300 НВ, которая в зависимости от условий электролиза может изменяться. Методом железнения восстанавливают размеры изношенных деталей сельскохозяйственных машин и трущихся деталей станков; применяют также для покрытия пластинок твердого сплава перед напайкой их на инструмент. При этом слой осажденного железа увеличивает прочность сцепления пластинки твердого сплава с телом инструмента, служит амортизатором при работе инструмента и при пайке предохраняет от окисления твердый сплав. Толщина слоя осаждаемого железа принимается: для пластинок твердого сплава - 150-250 мк; для восстановления изношенных деталей - 2 мм и более [2].
При восстановлении изношенных деталей железнением иногда возникает необходимость снятия неполноценного слоя электролитического железа. Для этой цели применяют раствор, содержащий: хлористого железа 3, соляной кислоты 3, воды 94 % (температура раствора 60-90 °С), или раствор, содержащий: щавелевой кислоты 25 г/л, перекиси водорода 13, серной кислоты 0,1 (плотность 1,84 г/см3), вода - остальное (температура раствора 18-25 °С). Затем деталь подвергают анодной обработке в 30 %-ном растворе серной кислоты.
Медные покрытия достаточно часто используют для защиты отдельных участков деталей от науглероживания при цементации как подслой при никелировании, хромировании, а также для восстановления изношенных деталей. Вследствие положительного потенциала медь является катодным покрытием по отношению к железу и может защищать его от коррозии лишь в случае отсутствия пор. Пористые медные покрытия, наоборот, приводят к ускорению коррозии железа и его сплавов.
Цинкование является самым распространенным металлическим защитным покрытием стальных деталей приборов, машин и конструкций. Правильный выбор толщины слоя покрытия обеспечивает надежность изделия в эксплуатации. В ремонтном производстве цинковые покрытия используют для защиты от коррозии крепежных деталей. Защитные свойства определяются фактической толщиной на том или ином участке. Поэтому основная характеристика электролита - рассеивающая способность. Кислые электролиты обладают плохой рассеивающей способностью, обладают более грубой структурой и меньшей коррозионной стойкостью, чем покрытия, полученные в щелочных электролитах. В то же время кислые электролиты устойчивы, допускают применение высокой плотности тока. Покрытия приобретают светлый цвет, характеризуются повышенной пластичностью, прочным сцеплением с основным металлом и могут выдержать различную механическую обработку.
Электроконтактное цинкование (натирание) применяют для восстановления посадочных мест под подшипники с небольшим износом, например, проушины вилок карданных валов. Цинкование проводят в электролите, содержащем: сернокислого цинка 280-300, борной кислоты 20-40 г/л. Процесс начинают вести при плотности тока 30-50 А/дм2, которую постепенно увеличивают до 200 А/дм2. Скорость перемещения анодного тампона относительно покрываемой поверхности 10 м/мин. Цинкование можно проводить в этом же электролите, переключив полярность, или в растворе серной кислоты. Обычно используют размерное цинкование, т. е. покрытые поверхности не обрабатывают резанием.
В последние годы заметно возрос интерес к гальваническим покрытиям, состоящим из множества чередующихся тонких металлических слоев. Согласно литературным данным, покрытия с чередующимися слоями (ПЧС) в ряде случаев превосходят по эксплуатационным параметрам традиционные гальванические покрытия. Они более прочны, тверды, электропроводны и износостойки. Есть сведения и об их достаточно высокой устойчивости во влажной атмосфере, содержащей хлориды или серу [4]. Однако данные о защитных свойствах ПЧС и закономерностях их коррозионно-электрохимического поведения практически отсутствуют, хотя в качестве защитных покрытий они представляются достаточно перспективными. В этой связи следует обратить особое внимание на возможность повышения защитных свойств ПЧС посредством уменьшения толщины составляющих слоев, поскольку с переходом к микротолщинам (вплоть до нанометровых) возможны качественные изменения покрытия в целом.
Вывод
Электрохимические методы все шире применяют для решения многих сложных технических задач восстановления деталей, так как не требуют термического воздействия, вызывающего нежелательные изменения структуры и механических свойств. Возможно получение большой точности толщины покрытия и снижение трудоемкости и себестоимости процесса ввиду одновременного восстановления большого числа изделий (в ванну загружаются десятки деталей). Немаловажную роль играет экономический фактор - данный метод является достаточно эффективным и нетрудоемким.
Список литературы
1. Восстановление деталей машин: справочник / С.И. Понтилеенко, В.П. Лелякин, В.П. Иванов, В.П. Константинов; под ред. В.П. Иванова. М. Машиностроение, 2003. 672 с.
2. Черкез М.Б. Хромирование и железнение / М.Б. Черкез. М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 1958. 88 с.
3. Восстановление деталей машин: справочник / Н.В. Молодык, А.С. Зенкин. М.: Машиностроение, 1989. 480 с.
4. Кошкин Б.В. Защитные свойства гальванических покрытий с чередующимися слоями / Б.В. Кошкин, А.В. Дрибинский, В.П. Луковцев, А.Д. Давыдов // Защита металлов. 1996. Т. 32, № 5. С. 465-467.