Технология нанесения гальванических покрытий

1. Технология восстановления коленчатого вала методом хромирования

Хромирование применяется для защиты металлов от коррозии и для декоративной отделки поверхности изделий. Химически стойкие хромовые покрытия обладают значительной пористостью и без подслоя не обеспечивают надежной защиты железа от коррозии, так как в гальванопаре железо-хром железо является анодом. Поэтому обычно хромовые покрытия осаждают на предварительно нанесенный слой меди толщиной 20−40 мкм и никеля 10−15 мкм.

Осажденный на поверхность блестящих медных и никелевых покрытий хром, несмотря на малую толщину слоя, значительно повышает их коррозионную стойкость и придает поверхности изделий красивый внешний вид.

Высокая твердость, низкий коэффициент трения, жаростойкость и хорошая химическая устойчивость обеспечивают деталям, покрытым хромом, высокую износостойкость в особо тяжелых условиях эксплуатации. Хромирование широко применяется для повышения твердости и износостойкости различного мерительного и режущего инструмента, трущихся деталей приборов и машин. В зависимости от назначения изделий толщина хромового покрытия колеблется от 5 мкм до нескольких сотен.

Электролитическое хромирование существенно отличается от других гальванических процессов. Выделение хрома производится из растворов хромовых кислот, а не из солеи хрома. При этом в растворе обязательно должны присутствовать в небольшом количестве добавки активных анионов (SOf~, SiF|~, F~), без которых хром не выделяется из хромовой кислоты. Электролиты, основанные на солях хрома, широко изучаются, но до сих пор не получили промышленного применения.

Важной особенностью хромирования является более легкое выделение водорода на катоде, чем хрома; водород начинает выделяться при более положительном потенциале, чем хром, и выход по току при хромировании намного (в три — пять раз) меньше, чем при осаждений других металлов. На выход хрома по току существенно влияют плотность тока и температура электролита.

Показатели процесса и качества покрытия при хромировании в значительно большей степени зависят от режима электролиза (плотности тока и температуры электролита), чем при других гальванических процессах.

Рассеивающая и кроющая способности хромовых электролитов в отличие от других процессов низки, что заставляет применять при хромировании особые приемы для повышения равномерности покрытия. Низкая кроющая способность связана с сравнительно высокой минимальной плотностью тока, при которой начинается выделение хрома.

В хромировочных ваннах применяются только нерастворимые аноды, что требует периодического пополнения убыли хромовой кислоты путем ее непосредственного введения в электролит в необходимых количествах.

Растворы хромовой кислоты токсичны, они увлекаются выделяющимися при электролизе газами. Это создает необходимость принятия мер предосторожности для оздоровления условий труда при работе на хромировочных ваннах.

Схема электролитического восстановления деталей хромированием показана на рис. 1.

При хромировании деталь является катодом, а в качестве анодов применяются нерастворимые свинцовые пластины (полукольца).

В авторемонтном производстве для хромирования применяются ванны с универсальным электролитом.

В состав универсального электролита для хромирования входят хромовый ангидрид Cr2О3 (250 г./л) и серная кислота H2SO4 (2,5 г/л).

Рис. 1. Схема электролитического восстановления деталей хромированием: 1 — электрическая шина катода; 2 — наружная стенка ванны; 3 — вода для подогрева электролита в ванне; 4 — внутренняя стенка ванны; 5 — катод [деталь (-)]; 6 — электролит; 7 — электроподогреватель; 8 — анод [свинцовая пластина (+)]; 9 — подвеска детали; 10 — электрическая шина анода (+); 11 — крышка ванны Технологический процесс восстановления деталей хромированием состоит из ряда операций, которые необходимо выполнять в следующей последовательности:

1. Механическая обработка

Поверхности деталей, подлежащие хромированию, следует шлифовать до выведения следов износа и полировать. После механической обработки на них не должно быть раковин, трещин и глубоких рисок, так как хромовое покрытие воспроизводит эти дефекты.

Для шлифования и полировки применяют круглошлифовальные станки.

2. Мойка

Мойку деталей можно проводить в керосине, уайт-спирите или дихлорэтане, а также кипячением в 10%-ном растворе каустической соды. Мойку ведут в специальных ваннах, а затем обдувают сжатым воздухом.

3. Контроль

Проводят контроль размеров для определения необходимой толщины слоя хрома и времени хромирования с учетом припуска на последующую механическую обработку.

4. Изоляция мест, не подлежащих хромированию

Эти работы проводят на монтажных столах (верстаках), применяя для изоляции перхлорвиниловый лак, лак АК-20, винипласт или хлорвиниловую изоляционную ленту. Отверстия, не подлежащие хромированию, закрывают свинцовыми пробками или другими кислотостойкими материалами.

5. Монтаж деталей на подвеске

Детали крепятся на специальной подвеске. При этом необходимо следить, чтобы между деталями и токоподводящими штангами был надежный контакт. Работы проводят на монтажных столах.

6. Обезжиривание

Применяется для удаления жировых загрязнений с поверхности деталей.

Жировые загрязнения разделяют на 2 группы:

— жиры минерального происхождения;

— жиры животного и растительного происхождения.

Обезжиривание в органических растворителях.

Применяют для удаления жиров минерального происхождения. Для обезжиривания применяют горючие растворители (бензин, керосин) и негорючие (уайт-спирит, хлорированные углеводороды), которые в отличие от первых не воспламеняются, поэтому их используют для обезжиривания при повышенных температурах.

Детали обезжиривание выполняют погружением детали в жидкость, парах растворителя, либо струйным распылением. Затем поверхности детали очищают волосяными щетками. Для обезжиривания обычно применяются 2−3 ванны с растворителями в последней из которых находится наиболее чистый растворитель.

Обезжиривание в щелочных растворах.

Жиры животного и растительного происхождения удаляются в горячих щелочных растворах. Под воздействием щелочи омыляемые жиры разлагаются, образуя мыла и глицерин, легко смываемые с поверхности при последующей промывке.

Минеральные масла или неомыляемые жиры не разлагаются щелочами, но могут образовывать с ними мельчайшие капли масла, легко отделяемые с поверхности металла. Для облегчения отрыва капель в раствор вводятся ПАВ — эмульгаторы.

Продолжительность обезжиривания зависит от степени загрязнения и составляет примерно 3−30 мин.

Таблица 1 — Составы щелочных растворов для химического обезжиривания, г/л

Электрохимическое обезжиривание.

Проводят обычно после химического обезжиривания. Сущность состоит в том, что на электродах выделяются пузырьки газа (водород при катодном и кислород при анодном обезжиривании), которые значительно облегчают отрыв капелек масла от поверхности деталей.

Электрохимическое обезжиривание проводят в щелочных растворах примерно такого же состава, что и при химическом обезжиривании. Эмульгаторы вводят в раствор в меньших количествах, так как чрезмерное количество пены задерживает выделяющиеся газы.

Повышение температуры, как и при химическом обезжиривании, ускоряет процесс очистки и повышает электропроводность раствора.

Различают анодное (в качестве анода применяют сталь), катодное (в качестве анода используют никелированную или нержавеющую сталь) либо комбинированное обезжиривание.

Так как при катодном обезжиривании количество выделяющегося на катоде водорода в 2 раза больше, чем количество выделяющегося на аноде кислорода, то процесс обезжиривания происходит с большей скоростью. Однако это приводит к наводораживанию стальных деталей.

Следует отметить, что ванна для электрохимического обезжиривания не входит в состав гальванической линии, ввиду взрывоопасности. Поэтому данный вид обработки проводится в специально оборудованном помещении.

Ультразвуковая очистка.

Данный вид обезжиривания заключается в обработке деталей в слабо щелочных водных растворах моющих средств и в органических растворителях с использованием высокочастотных колебаний. Принцип действия основан на эффекте кавитации (схлопывании образовавшихся в результате ультразвуковых колебаний пузырьков жидкости).

Подобно электрохимической очистке ультразвуковая ванна так же не входит в состав гальванической линии.

Травление

Травление — химическое или электрохимическое растворение поверхности металлов с целью удаления окалины и окислов в растворах кислот или щелочей.

Химическое травление.

При нем происходит растворение окислов железа и слоя железа под окислами. Эти два процесса протекают одновременно; в зависимости от природы травителя, его концентрации и температуры изменяетя скорость того или иного процесса.

Электрохимическое травление.

Применяют для ускорения процесса травления, а так же в тех случаях, когда применение химического травления затруднено или вообще невозможно (например, при обработке деталей, для которых требуется сохранить точные размеры). Данный процесс по сравнению с химическим травлением более экономичный, так как требует меньший расход кислоты.

Анодное травление.

При нем происходит электрохимическое растворение металла и механический отрыв окислов осуществляется пузырьками выделяющегося при этом кислорода. При этом деталь не наводораживается и приобретает чистую, слегка шероховатую поверхность, хорошо сцепляющуюся с гальваническим покрытием. Выбор условий анодного травления определяется природой металла и его окислов.

Катодное травление.

При нем происходит восстановление и механический отрыв окислов металла выделяющимся водородом. Состав электролита (г/л) и режим травления:

Кислота серная — 50−60 Температура — 60−70

Кислота соляная — 25−30 Плотность тока, А/дм² — 7−10

Натрий хлористый — 15−20 Продолжительность, мин — 10−15

Применяют для деталей из углеродистой стали, особенно при удалении окалины с поверхности, подвергнутой термообработке. Исключается опасность перетравливания, однако происходит наводораживание поверхности металлов.

Активирование

Активирование — удаление с поверхности деталей тончайших слоев окислов, которые образуются при промывках и в промежутках между операциями. При активировании происходит легкое протравливание верхнего слоя металла, что обеспечивает прочное сцепление наносимого покрытия с основным металлом. Производится непосредственно перед нанесением гальванических покрытий химическим способом.

Мойка

Совместно с подвеской детали промывают в проточной горячей воде (60−80°С), а затем в проточной холодной воде. Мойку ведут в специально оборудованных ваннах.

Декапирование

Электрохимическое декапирование проводят в ванне хромирования или в ванне с хромовым электролитом. Декапирование стальных деталей проводят в течение 30−90 с при плотности тока 25−40 А/дм², а чугунных — в течение 25−30 с при плотности тока 20−25 А/дм². Температура электролита во всех случаях должна быть 55−60 °С. Анодное декапирование производится для удаления окисных пленок с поверхности детали и выявления ее структуры. После декапирования детали промывают в дистиллированной воде.

Хромирование

Подвески с деталями помещают в ванну хромирования, подогревают их при включенном токе в течение 5- 6 мин, а затем дают полный ток согласно режиму хромирования. При хромировании применяют нерастворимые аноды из свинца или сплава свинца с 6% сурьмы. Катодом служит восстанавливаемая деталь. Для хромирования наиболее часто применяют электролиты, состоящие из водного раствора двух компонентов — хромового ангидрида СгО₃ и серной кислоты H₂S0₄.

Общий вид установки для электролитического осаждения металла представлен на рис. 2.

Рис. 2. Установка для электролитического осаждения металлов ОГ-1349А: 1, 2 — ванны с электролитом; 3 — реостат; 4 — пульт управления; 5, 13 — пакетный переключатель изменения полярности; 6, 12 — включатели электроподогрева ванн; 7, 11 — амперметры; 8 — переключатель амперметра с 200 на 20 А; 9 — пакетный включатель установки в цепь электрического тока от выпрямителя; 10 — вольтметр; 14 — включатели магазина сопротивлений; 15 — стол установки Хромирование деталей производится согласно выбранному режиму. Твердость хромовых осадков зависит от плотности тока и температуры электролита. Для определения плотности тока и температуры электролита пользуются графиком, представленным на рис. 3. В соответствии с графиком задаются твердостью, видом осадка (серый, блестящий или молочный) и определяют плотность тока и температуру электролита.

Молочные покрытия обладают высокой износостойкостью и повышенной вязкостью, их рекомендуется наносить на поверхности детали, работающие при больших давлениях и знакопеременной нагрузке.

Блестящие покрытия отличаются высокой твердостью, повышенной износостойкостью, пористостью и хрупкостью. Однако такие покрытия обладают плохой смачивающей способностью по отношению к маслу, а при недостаточной смазке возможны заедания. В этих случаях блестящее покрытие подвергают анодному травлению, т. е. к детали подключают плюс, а к свинцовым пластинам — минус.

В этом случае получается пористое хромирование, хорошо работающее в условиях трения со смазкой. Их наносят на поверхности деталей, работающих на износ. Оба вида покрытий могут быть нанесены на поверхности деталей, работающих в условиях неподвижных посадок.

Матовые покрытия отличаются высокой твердостью и хрупкостью, а также низкой износостойкостью. Они применяются как защитно-декоративные.

Электролиты для хромирования (табл. 2) имеют ряд недостатков: низкий выход хрома по току (12−16%); необходимость частого корректирования вследствие неустойчивости состава; малую производительность (за 1 ч откладывается слой толщиной 0,1−0,03 мм).

Таблица 2 — Состав электролитов и режим ванны

По плотности тока определяется его сила, необходимая для электролиза. Она устанавливается с помощью реостатов гальванической установки, показанной на рис. 2, и контролируется по показаниям амперметра. Температура достигается путем включения электрического подогревателя ванны. Величина хромового осадка зависит от времени осаждения хрома.

Рис. 3. Диаграмма зависимости расположения зон различных хромовых осадков от температуры электролита в ванне и плотности тока: 1 — кривые, ограничивающие зону образования блестящих осадков в ванне с универсальным электролитом; 2 — кривая, ограничивающая зону образования блестящих осадков в ванне с саморегулирующимся электролитом; 3 — зона образования износостойких осадков (цифры в кружочках показывают микротвердость осажденного хромового покрытия) После окончания хромирования детали извлекаются из ванны, промываются в проточной воде, демонтируются с подвесок и подвергаются термической и механической обработкам.

2. Разработка технологии хромирования для восстановления коленчатого вала автомобиля

Коленчатый вал, изображенный в приложении А, изготовлен из магниевого чугуна ВЧ 50−15 (перлит и шаровидный графит с допустимым содержанием феррита до 15%). Восстановлению подлежат шатунные и коренные шейки коленчатого вала (приложение А).

Целью нанесения хромового покрытия является восстановление, повышение износостойкости и прочности. В качестве метода восстановления выбрано хромирование, так как данный вид гальванического покрытия способствует хорошему удержанию смазки и повышению износостойкости.

Операции технологического процесса

1) Механическая обработка

Заключается в шлифовании поверхностей с целью удаления следов износа. Производится на станках типа 3423 и 3420 с использованием специального приспособления для автоматического контроля размера шеек.

Коленчатые валы начинают шлифовать (предварительно устранив все другие дефекты) с шатунных шеек, а затем переходят к коренным. Все одноименные шейки шлифуют под один размер (ремонтный или номинальный). При шлифовке используют электрокорундовые круги зернистостью 48−60 на керамической связке твердостью С1 и СМ2.

Режим шлифования: окружная скорость шлифовального круга 25−30 м/с, частота вращения детали 60−70 об/мин. В качестве охлаждающей жидкости применяют 2−3-х процентный раствор кальцинированной соды.

После шлифовки и снятия фасок с острых краев масляных каналов шейки вала полируют жимками или брезентовыми лентами с абразивным полотном зернистостью 140−180 либо применяют пасты ГОИ (рис. 3).

Овальность и конусность шеек должны быть не более 0,015 — 0,02 мм. Трещины не допускаются.

Рис. 3 — Одновременное полирование коленчатых валов: 1-Зажимное устройство; 2 — опорный элемент; 3 — электродвигатель; 4 — корпус; 5 — коленчатые валы; 6 — опорное устройство; 7 — брезентовая лента; 8 — абразивное полотно.

2) Мойка

Заключается в кипячении в 10%-ом растворе каустической соды. Мойка производится в специальной ванне.

После мойки следует обдувка детали сжатым воздухом.

3) Контроль

Определение необходимой толщины слоя хрома и времени хромирования с учетом припуска на последующую механическую обработку.

4) Изоляция мест, не подлежащих хромированию

На поверхности, не подлежащие хромированию, наносится слой лака АК-20 (раствор нитроцеллюлозы и окисленных смоляных кислот в смеси органических растворителей с добавлением пластификаторов). Отверстия закрываются свинцовыми пробками.

Так как применяемый лак огнеопасен, то обработку следует производить в защитных средствах в хорошо вентилируемом помещении вдали от источников огня.

5) Монтаж

Коленчатый вал подвешивается на специальный подвес (рис. 4). Работы проводятся на монтажных столах.

Рис. 4 — Типы подвесных приспособлений: а — для плоских штампованных и точеных деталей; б — для деталей в виде колпачков, втулок; в-для колец, трубок и подобных деталей

6) Обезжиривание

Рис. 5 — Ванна для химического обезжиривания

Обезжиривание в органических растворителях осуществляется погружением в жидкость (трихлорэтилен C₂HCl₃). Коленчатый вал поочередно погружается в 3 ванны с температурой 20, 45, 70^о С.

Обезжиривание в щелочных растворителях производится при повышенных температурах раствора (70−90^оС) при перемешивании раствора мешалкой. Продолжительность обезжиривания зависит от степени загрязнения и составляет от 3 до 30 мин.

Состав щелочного раствора выбирается согласно табл. 1

Продолжительность химического обезжиривания от получаса до 2-х часов.

Электрохимическое обезжиривание производится с применением эмульгаторов ОП-7, ОП-10 комбинированной обработкой (анодной и катодной).

Для обезжиривания могут применяться синтетические моющие средства, специально предназначенные для обезжиривания металлических деталей в заводских условиях: ТМС-31. ТМС-70, МЛ-51, МЛ-52 и др.

Рис. 5 — Ванна для электрохимического обезжиривания

7) Травление

Применяется электрохимическое травление на катоде.

Травление производят в 15−20% растворе едкого натрия, подогретого до 60−70 °С. Выдержка определяется от момента появления пузырьков и колеблется в зависимости от толщины пленки окисла от нескольких секунд, до 2−3 минут. При этом надо учитывать, что скорость стравливания металла в этих условиях 10−15 мкм/мин.

Для того, что бы кислоты растворяли только окислы и не растворяли металл, в растворы добавляют ингибиторы (вещества снижающие скорость растворения металла и не влияющие на растворение окисей). Это 40% р-р формалина, аммиачно-формалиновая смесь — 38% аммиака (25% р-р) и 62% формалина (40% р-р), уротропин (сухой спирт, таблетки «Гекса», в кислой среде распадается с образованием формалина), хлористый натрий (поваренная соль, NaCl).

Рис. 6 — Ванна для травления Для травления чугуна применяют следующий режим (г/л):

Кислота серная 200−250

Ингрибитор ЧМ 3−5

Температура, ^оС 50−60

Продолжительность, мин до полного удаления окислов

8) Активирование

Производится в слабом (10−15%) растворе соляной или серной кислоты или их смеси. Температура раствора 15−25^оС. Выдержка 15−30 сек.

9) Мойка

Совместно с подвеской детали промывают в проточной горячей воде (60−80 °С), а затем в проточной холодной воде. Мойку ведут в специально оборудованных ваннах.

10) Декапирование

Производится в течении 25−30 сек при плотности тока 20−25 А/дм². Температура электролита — 50−60^оС.

11) Промывка

Для промывки применяется дистиллированная вода.

12) Меднение

Медное покрытие предназначено для увеличения адгезии.

Производится с применением сернокислых электролитов. Состав электролита (г/л) и режим меднения:

Медь сернокислая 150−250 Температура, ^оС 18−25

Кислота серная 50−70 Плотность тока, А/дм² 1−4

Вальцованные аноды для меднения должны быть из чистой электролитической меди М0, М1. Пред применением анод протравливается в 5−10% растворе азотной кислоты.

13) Контроль качества меднения

В случае обнаружения дефектов устранить их в соответствии с табл. 3.

Таблица 3 — Дефекты при эксплуатации сернокислого электролита меднения и способы их устранения

14) Хромирование

Подвески с деталями помещают в ванну хромирования, подогревают их при включенном токе в течение 5- 6 мин, а затем дают полный ток согласно режиму хромирования (табл. 2). Применяют аноды из чистого свинца марки С1 или сплава свинца с 4−6% сурьмы марки ССУ1. Катодом служит восстанавливаемая деталь. Для хромирования наиболее часто применяют электролиты, состоящие из водного раствора двух компонентов — хромового ангидрида СrОз и серной кислоты H2S04.

15) Промывка

Коленчатый вал промывается в проточной воде.

16) Сушка

Производится в сушильном шкафу с электрообогревом.

Рис. 7 — Сушильный шкаф с электрообогревом: металлический каркас; 2 — труба с дроссельной заслонкой; 3 — теплоизоляционный материал; 4 — сушильные протвини; 5 — электрообогреватель

17) Контроль качества покрытия

В случае обнаружения дефектов устранить их в соответствии с табл. 4.

Таблица 4 — Дефекты при эксплуатации электролитов хромирования и способы их устранения

18. Обезвреживание хромосодержащих растворов

Раствор обезвреживается непосредственно в ванной, а затем разбавляют чистой водой

Обезвреживание хромовых растворов, содержащих шестивалентный хром, сводится к восстановлению его до трехвалентного и дальнейшего осаждения в виде гидроокиси.

Осуществляется реагентным методом в две стадии:

1- Шестивалентный хром восстанавливают до трехвалентного бисульфидом натрия по реакции:

2Na2Cr2O₇+6NaHSO₃+5NaSO₄=2Cr₂(SO₄)₃+5Na₂SO₄+8H₂O

или сульфидом натрия:

Na₂Cr₂O₇+3Na₂So₃+4H₂SO₄=Cr₂(SO₄)₃+4Na₂SO₄+4H₂O

Так как в процессе восстановления снижается кислотность раствора, то необходимо поддерживать ее при pH 2,5−3,5.

2- Осаждение гидроокиси хрома щелочью или гашеной известью по реакции:

Cr₂(SO₄)₃+6NaOH=2Cr (OH)₃+3Na₂SO₄

Гидроокись хрома выпадает в виде шлама, который в дальнейшем попадает в отстойник и оседает на дно.

Выводы

восстановление хромирование обезжиривание гальванический Гальваническим покрытиям, защищающим металлы и сплавы от коррозии, служащим для декоративной отделки отведена большая роль в машиностроительной промышленности. От остальных методов нанесения покрытий данный метод отличает относительная простота процесса. Однако ввиду высокой вредности данный процесс требует специальную подготовку помещений и персонала.

Хромирование, как вид гальваностегии, повсеместно применяется во всех отраслях машиностроения. Оно является эффективным способом защиты металлов от коррозии, обеспечивая при этом привлекательный внешний вид.

Описанный в данном курсовом проекте технологический процесс хромирования позволяет эффективно наносить покрытие на медный подслой без нарушения технологичности процесса.

1) Коротин А. И., Технология нанесения гальванических покрытий: Уч. Пособие. — М.: Высшая школа, 1984.

2) Черкез М. Б., Хромирование и железнение, Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы.

3) Ямпольский А. М., Ильин В. А., Краткий справочник гальванотехника: Ленинград «Машиностроение» 1981.

4) Гальванические покрытия в машиностроении, Справочник. М.: «Машиностроение» 1985.