Электролиты, используемые для цинкования

Показатель		Номер электролита
Компонент, г/л:
сернокислый цинк	200...300	—	—
оксид цинка	—	12...15	10...20
едкий натр	—	100...120	—
сернокислый натрий	50...100	—	—
сернокислый алюминий	30...50	—	—
хлористый алюминий	—	—	200...300
декстрин	8...10	—	—
борная кислота	—	—	25...30
мездровый клей	—	—	1...2
полиэтиленополиамин	—	2...4	—
тиомочевина	—	0,5	—
Режим:
кислотность, рН	3,5...4,5	—	5,9...6,5
температура электролита, °С	15...25	18...25	15...30
плотность тока, А/дм2	1...2	1...2	0,5...1,5

цинка по току, близком к 100 %. Ими покрывают простые малоре­льефные изделия.

Щелочные цинкатные (№ 2), аммиакатные (№ 3) и другие элек­тролиты просты по составу и дешевы. У них высокая электропро­водность и хорошая рассеивающая способность. Основной недо­статок аммиакатных электролитов — наличие в сточной воде солей аммония, которые затрудняют ее нейтрализацию и недопустимы по требованиям санитарии (допускается не более 2,5 мг/л).

При цинковании используют цинковые аноды марок Ц0, Ц1 и Ц2, которые во избежание загрязнения электролита необходимо помещать в чехлы из кислотостойкой ткани. Детали предваритель­но обезжиривают, промывают и подвергают химическому травле­нию в растворе серной кислоты.

Обработка деталей после покрытия. После на­несения покрытия детали промывают водой и подвергают нейтра­лизации в щелочных растворах для удаления следов электролитов и предупреждения коррозии. Например, после хромирования их нейтрализуют в растворе кальцинированной соды (20...70 г/л) при 15...30 "Свечение 15...30 с. Особенно тщательно необходимо обра­батывать детали, покрываемые в хлористых электролитах, так как оставшиеся ионы хлора вызывают интенсивную коррозию покры­тия во влажной атмосфере. Для этого их промывают и нейтрализуют | 10%-м растворе щелочи при температуре 60...80 °С в течение

Чтобы повысить коррозионную стойкость цинковых покрытий, их необходимо пассивировать, обрабатывая в растворах хромовой кислоты или ее солей. В результате на поверхности цинка образует­ся хроматная пленка радужных оттенков (от светло-желтого до ро­зового и фиолетового).

Перед пассивированием покрытия обычно осветляют в растворе азотной кислоты (20...30 г/л) в течение 6... 18 с. Затем их пассивиру­ют в растворе, содержащем 150...200 г/л двухромовокислого натрия (или калия) и 8... 12 г/л серной кислоты, в течение 6...18 с. Одновре­менно можно осветлять и пассивировать в растворе, состоящем из 80...110 г/л хромового ангидрида и 3...5 г/л серной кислоты, в тече­ние 3...6 с. Температура всех растворов 15...30 °С.

Термическая обработка служит для сушки или улучшения свойств покрытий. Детали сушат в сушильном шкафу при 50... 100 "С в течение 5... 10 мин. Температура сушки оцинкованных де­талей после пассивирования не должна превышать 50...60 "С.

При электролизе выделяется водород, который внедряется в по­крытие, что увеличивает хрупкость, снижает усталостную проч­ность детали и сцепляемость покрытия. Поэтому ответственные хромированные детали, работающие при больших динамических нагрузках или же требующие повышенной точности и стабильности размеров (плунжерные пары), обезводороживают, нагревая их при температуре 180...230 °С в течение 2...3 ч. Железофосфорные и никельфосфорные покрытия подвергают термообработке при темпе­ратуре 400 "С в течение 1,0... 1,5 ч для повышения твердости, изно­состойкости и сцепляемости.

При механической обработке мягкие покрытия точат, а твер­дые — шлифуют или хонингуют.

Наилучшие результаты при точении железных покрытий дости­гают за счет применения сверхтвердого инструментального матери­ала гексанита-Р. Режим резания: скорость 80...120м/мин, подача 0,02...0,08 мм/об, и глубина 0,1...0,3 мм. Геометрия резца: передний угол 2...6°; главный угол в плане 45...60; вспомогательный угол в плане 10...15 и задний — 7... 10°; радиус закругления вершины 0,2...0,8 мм.

Детали, восстановленные железнением и хромированием, реко­мендуется шлифовать электрокорундовыми кругами (24А25СМ2К и 34А40СМ2К) на керамической связке зернистостью 25...40 среднемягкой твердости. Скорости вращения круга и детали 25...35 м/с и 25...60 м/мин, глубина шлифования до 0,012 мм, продольная по­дача 0,1...0,3 ширины круга, обильное охлаждение (не менее Юл/ мин).

Способы нанесения гальванических покрытий. Рассмотрим неко­торые из них.

Ванные способы. Детали помещают в электролит, нахо­дящийся в какой-либо емкости (в стационарных ваннах, колоко­лах, колокольных и барабанных ваннах).

Стационарная ванна (рис. 3.41) представляет собой емкость прямоугольной формы. В нее входят: нагревательное устройство (при необходимости); бортовые отсосы для удаления вредных испаре­ний; катодные и анодные штанги, подсоединенные к источнику тока, для завешивания деталей и анодов. Внутреннюю поверхность ванны футеруют кислотостойкими материалами.

Мелкие детали (например, метизы при цинковании) покрывают во вращающихся колоколах и барабанах из токонепроводящего кис­лотостойкого материала.

Колокол имеет форму усеченного конуса. Он приводится во вра­щение с частотой 8... 15 мин"¹. Ток к деталям (катоду), насыпанным в корпус, подводится с помощью металлических щеток или опуска­нием в него стержня или провода с грузом, контактирующим с дета­лями. Анод представляет собой пластину, опускаемую в корпус на переносном штативе.

Детали загружают в колокол с электролитом, в который помеща­ют анод, включают механизм его вращения и источник тока. При вращении детали пересыпаются, контактируют с катодом и между собой. Некоторые из них временно могут оказаться не под током. По окончании электролиза колокол наклоняют над баком с сеткой. Детали попадают в сетку, а электролит стекает в бак, откуда он сно­ва заливается в колокол.

К недостаткам колокольных ванн относят: быстрый нагрев элек­тролита, низкую производительность и значительные потери элек­тролита.

Колокола погружного типа и барабанные ванны лишены отме­ченных недостатков. Колокол 1 (рис. 3.42) или барабан вращается в емкости 3 с электролитом, который поступает к деталям через от­верстия в стенках. Анодные пластины подвешивают на штанги 5по обеим сторонам колокола. Детали выгружают поднятием последне­го из емкости. Электролит выливается в емкость, а детали по желобу высылаются на установленную рядом сетку 4.

1Ге званные способы. При восстановлении корпусных и других крупных деталей площадь наращиваемых поверхностей мала по сравнению со всей площадью. Поэтому их наращивают безванными способами: проточным, струйным, электроконтакт­ным и др.

Принцип такого нанесения заключается в том, что у поверхнос­ти, подлежащей покрытию, с помощью несложных устройств со­здают местную электролитическую ячейку (ванночку), в которую подают электролит, а деталь и анод подключают к источнику тока.

При проточном способе электролит прокачивают насосом с оп­ределенной скоростью через пространство между покрываемой по­верхностью и анодом (например, через отверстие в корпусе короб­ки передач). Наибольшая скорость осаждения металлов достигается при скорости протекания электролита более 1 м/с, создающей тур­булентный режим течения. Плотность тока может быть увеличена в 5... 10 раз (при железнении — до'200...300 А/дм² и более).

При струйном* способе электролит подают струями в межэлект­родное пространство через отверстия насадка. Последний одновре­менно служит анодом 3 (рис. 3.43, а) и местной ванночкой. Для получения равномерного покрытия деталь вращается с частотой до 20 мин'¹. Этого можно достичь и при неподвижной детали, если от­верстия в аноде, через которые поступает электролит, выполнить под углом 30...40° к радиальному направлению (рис. 3.43, б).

При проточном и струйном способах за счет уменьшения обед­нения прикатодного слоя электролита создаются условия, позволя­ющие в 2...3 раза повысить производительность процесса. Эти спо­собы обеспечивают более высокое качество покрытий и лучшую равномерность. Первым восстанавливают посадочные поверхности корпусных деталей (блоков цилиндров, корпусов коробок передач и др.), а вторыми — крупные валы, например коленчатые.

2 3

В ремонтном производстве применяют также местное осаждение при неподвижном электролите. Отверстие герметизируют снизу, заливают в него электролит 2 (рис. 3.44), устанавливают анод 3 и подключают к источнику тока. Само отверстие служит ванноч­кой. Этот способ часто применя­ют для восстановления посадок под подшипники в корпусных деталях.

Железнение проводят в электролите № 2 (см. табл. 3.16) при катодной плотности тока 10...20 А/дм². Его предварительно нагревают до температуры 50...60 °С и заливают в местную ванну. В дальнейшем ее поддержи­вают на уровне 60...90 °С за счет выделения теплоты при электро­лизе.

Иногда анодное травление поверхности проводят непосред­ственно в электролите железнения: включают ток обратной поляр-> ности («+» на деталь и «—» на анод) и травят при плотности тока V 10...15 А/дм² в течение 1...1.5 мин. Затем переключают полярность («—» на деталь и «+» на анод) и выполняют железнение до необходи­мой толщины.

Электролиз происходит в очень маленьком объеме электролита без регулирования температуры. В результате он обедняется, пере­гревается и усиленно испаряется. Поэтому местным железнением трудно получить высококачественные покрытия толщиной более 0,3 мм. Для увеличения объема электролита и улучшения условий электролиза устанавливают стакан 6 и кольцо 4.

Сущность электроконтактного способа (электронатирания) заключается в том, что электроосаждение металла происходит при прохождении постоянного тока через маленькую ванночку. После­дняя образуется в зоне контакта покрываемой детали 7(рис. 3.45) с анодом 3, обернутым адсорбирующим, пропитанным электроли­том материалом. Деталь и анод перемещаются одна относительно другого (деталь вращается при неподвижном аноде, или наоборот), т.е. возникает трение анода по детали.

Чаще используют нерастворимые аноды, представляющие собой угольный стержень, плотно обернутый адсорбирующим материа­лом (обычной или стеклянной ватой, губкой в суконном чехле, фет­ром, войлоком, капроном). Обертку называют анодным тампоном. Он непрерывно смачивается электролитом, который поступает к нему через шланг от сосуда, расположенного над установкой. Элек­тролит стекает затем в емкость, находящуюся под деталью.

К недостаткам этой установки относят перегрев и испарение электролита в тампоне, возникновение загазованности и быстрое изнашивание тампона, что снижает производительность процесса и качество покрытий. Для их устранения заменяют скольжение анод­ного тампона по детали его качением (рис. 3.46). За счет большей площади контакта анодного устройства с деталью увеличиваются допустимая плотность тока и производительность процесса. Благо­даря такому устройству значительно улучшается равномерность распределения тока по окружности катода по сравнению с обыч­ным тампоном трения скольжения. Поэтому предложено режим электролиза характеризовать средней плотностью тока, равной от­ношению силы проходящего тока ко всей площади покрываемой поверхности, а не к площади контакта.

Разработан также устойчивый к окислению состав электролита из сульфата (250...300 г/л) и хлорида (130...150 г/л) железа. Режим процесса: рН 0,9... 1,2; средняя катодная плотность тока 20...60 А/дм²; скорость вращения катода 20...40 м/мин; расход электролита 0,3... 0,6 л/мин; угол обхвата детали тампоном 90... 120°. Скорость осаж­дения составляет 3,3...12,3 мкм/мин, их микротвердость 5500... 7000 МПа. Покрытия осаждаются гладкими и равномерными. Если их толщина достигает 0,1 мм, то не требуется последующая механи­ческая обработка.

При электроконтактном способе за счет постоянного обновле­ния электролита и перемещения анода значительно повышаются производительность процесса и свойства покрытий, уменьшаются их шероховатость и дендритообразование, улучшается равномер­ность, что позволяет во многих случаях исключить последующую обработку; нет необходимости изолировать непокрываемые повер­хности. Однако в отличие от ванных способов, когда одновременно покрывают десятки деталей, электроконтактный способ требует индивидуального подхода. Поэтому его целесообразно применять для восстановления и упрочнения посадочных поверхностей круп­ных валов, осей и корпусных деталей с помощью цинковых, желе-зоцинковых, железных, медных и хромовых покрытий.

Пути совершенствования технологии гальванических покрытий. Наряду с изложенными ранее достоинствами гальванические спо­собы имеют и существенные недостатки, что ограничивает их при­менение. К главным из них относят:

сложность и недостаточная надежность технологического про­цесса, приводящие к снижению производительности труда и неста­бильным результатам по сцепляемости покрытий с деталями;

при потреблении большого количества чистой воды и образова­нии такого же количества загрязненных стоков значительно повы­шаются себестоимость восстановления, что приводит к строительству очистных сооружений, которые по стоимости и занимаемой площади сопоставимы с такими же показателями самого гальвани­ческого цеха;

сравнительно низкая производительность обусловлена много-операционностью процесса и недостаточной скоростью осаждения металлов;

качество покрытий не всегда соответствует предъявляемым тре­бованиям.

Сложились два основных направления развития технологии гальванических покрытий.

Первое направление — повышение производительнос­ти процесса. Прежде всего этого можно достичь за счет увеличения скорости осаждения покрытий.

Поскольку Сиу для каждого металла постоянные, то скорость осаждения можно повысить увеличением либо Т1_К, либо Б_к, либо од­новременно г)_к и Х)_к. Повышение скорости осаждения покрытий за счет увеличения выхода метала по току — важнейшее направление работ по совершенствованию хромирования с низким значением выхода по току. Для железнения и других процессов последний со­ставляет 85 % и более, и за счет его дальнейшего увеличения ско­рость осаждения покрытий существенно повысить нельзя. Поэтому для повышения производительности процессов необходимо увели­чивать плотность тока.

Чтобы улучшить процесс нанесения покрытий с высокими каче­ством и производительностью, следует совершенствовать и разра­батывать новые электролиты и технологические приемы.

Разработка новых электролитов для одних процессов (хромиро­вание) приводит к увеличению плотности тока и выхода хрома по току и тем самым росту производительности процесса, а для дру­гих — это основной путь повышения качества покрытий.

Например, при использовании саморегулирующихся электро­литов хромирования (см. табл. 3.17) можно увеличить выход по току до 35...40 % и плотность тока до 100...300 А/дм², в результате чего производительность процесса возрастает в 10 раз и более по сравне­нию с хромированием в универсальном электролите.

Чтобы повысить износостойкость и улучшить другие свойства покрытий, следует наносить на детали различные сплавы металлов. Например, сплав железо — фосфор с содержанием фосфора до 7...10 % можно получить из электролита № 1 (см. табл. 3.16) при введении в него 10...20 г/л гипофосфита натрия. В исходном состоя­нии его микротвердость 7000...8000 МПа. Термообработка покры­тий из сплава Ре—Р при температуре 350..400 °С в течение 1 ч спо­собствует образованию фосфидов железа (РеР) и увеличению мик­ротвердости до 15 000... 160 000 МПа. Их износостойкость более чем в 2 раза превышает износостойкость закаленной стали 45 и не усту­пает износостойкости хромовых покрытий.

При восстановлении деталей, работающих в тяжелых коррози­онных условиях, применяют железоникелевые покрытия. Для их получения В электролит железнения добавляют 20...30 г/л хлорида никеля.

К перспективным относят композиционные электрохимичес­кие покрытия (КЭП), образованные введением в электролиты мел­кодисперсных порошков полимеров, оксидов металлов (А1₂О₃ и др.) и т.д. Например, в электролит железнения № 1 (см. табл. 3.16) вводят 40...50 г/л порошка поливинилхлорида или 30...40 г/л поли­амида. Износостойкость таких покрытий при трении скольжения в 2...3 раза выше износостойкости обычных железных покрытий.

Разработка новых технологических приемов приводит к увеличе­нию производительности процесса за счет уменьшения и ощелачи­вания прикатодного слоя электролита. К таким приемам относят проточное, струйное, электроконтактное осаждение; перемешива­ние электролита; применение периодических токов (нестационар­ный электролиз) и др.

Предложено создавать турбулентное движение электролита у поверхности катода за счет введения в межэлектродное простран­ство вращающейся пластмассовой перфорированной перегородки. При вращении последней со скоростью 2...3 м/с катодная плот­ность тока в процессе железнения достигает 150...200 А/дм², а ско­рость осаждения покрытий — 1,5...2 мм/ч. Кроме того, за счет вра­щающейся перегородки уменьшаются дендритообразование и ше­роховатость покрытий, улучшается их равномерность.

При гальваномеханическом способе осаждения покрытий мож­но резко повысить производительность. Его отличительная особен­ность состоит в том, что при электролизе по покрываемой поверх­ности постоянно перемещается инструмент в виде абразивных брусков. Происходит незначительный съем уже осажденного ме­талла, но в результате активирования покрываемой поверхности и перемешивания электролита плотность тока, например, при хро­мировании может быть увеличена до 1000 А/дм², а скорость осаждения покрытий — в20...50разидостигать 3,6 мм/ч. Важно, что выход хрома по току достигает 50...55%.

При использовании периодических токов (реверсивного, асим­метричного, импульсного и др.) вместо постоянного в несколько раз повышается производительность процесса и улучшаются свой­ства покрытий. Сущность способа заключается в том, что ток, изме­няясь по определенному закону, периодически меняет свое направ­ление. Деталь попеременно становится то катодом, то анодом, а ка­тодное осаждение металла на детали периодически прекращается и заменяется его кратковременным частичным растворением. Вместе с последним разрушается образовавшаяся пассивная пленка, а прикатодный слой электролита обогащается катионами металла.

Повторение таких циклов при правильном выборе соотношения количеств электричества катодного и анодного периодов снижает катодную поляризацию. В данном случае катодная плотность тока может быть выбрана более высокой, чем при осаждении металла на постоянном токе при прочих равных условиях.

Наиболее простая форма периодического тока — реверсивный ток, получаемый изменением направления постоянного. Напри­мер, хромировать на реверсивном токе можно в универсальном электролите при температуре 50...60°С, плотности прямого и об­ратного токов 60... 140 А/дм-², времени прохождения прямого тока 1...5 мин и обратного — 1...5 с.

Установлено, что с повышением частоты изменения направле­ния реверсивного тока возрастает эффективность его воздействия на процесс электроосаждения металлов. При электролизе исполь­зовали обычный переменный ток промышленной частоты, регули­руя независимо одну относительно другой амплитуды его прямой и обратной составляющих (рис. 3.47). Иногда такой ток называют асимметричным переменным.

При встречно-параллельном включении полупроводниковых диодов УБ1 и УВ2с помощью реостатов К1 и К2 (рис. 3.47, а) можно разделить и независимо один относительно другого регулировать отрицательный (катодный) и положительный (анодный) импуль­сы, задавая им различные амплитуды (рис. 3.48). Для сокращения потерь электроэнергии и облегчения управления процессом элект­ролиза целесообразно перед понижающим трансформатором уста­новить автотрансформатор 77 (см. рис. 3,47, б). С применением вместо обычных полупроводниковых диодов тиристоров (управля­емых диодов) из схемы исключают балластные реостаты и потери электроэнергии в них.

Режим электролиза характеризуется не одним, а двумя электри­ческими параметрами: катодной плотностью тока 1)_к, А/дм², катодно-анодным показателем 3, определяемыми по формулам:

При холодном железнении оптимальными считают 2)_к = 20... 30А/дм² и (3=6... 10. Кислот­ность электролита рН 0,5...0,9, температура не регламентирует­ся. Процесс характеризуется по­вышенным дендритообразованием, особенно в случае приме­нения тиристорного источника тока. Чтобы его уменьшить, не­обходимо начинать железнение на асимметричном переменном токе, обеспечивающем повышенную сцепляемость покрытий при холодном электролите, а затем переходить на постоянный ток.

Рассмотренные однофазные схемы эффективны для установок небольшой мощности (сила тока до 500 А). Существуют схемы полу­чения различных форм периодического тока с использованием трех­фазных источников, в том числе серийных выпрямителей типа ВАК, оснащенных специальной приставкой асимметричного тока.

Второе направление — сокращение числа подготови­тельных и заключительных операций. При этом можно добиться су­щественного упрощения технологического процесса, повышения его надежности и снижения трудоемкости, а также значительного уменьшения потребления чистой воды и образования загрязненных стоков. Например, доказана возможность и разработана технология анодного травления стальных и чугунных деталей с одновременной очисткой их поверхностей от травильного шлама непосредственно в хлористом электролите железнения с высокой концентрацией соли железа. После него детали не промывают водой. Для улучшения очистки поверхности от шлама и повышения сцепляемости покры­тия электролиз начинают на асимметричном переменном токе, а за­тем переходят на постоянный.

В технологию восстановления деталей гальваническими покры­тиями входят электрохимическое обезжиривание и химическая нейтрализация в щелочных растворах. При этом используют вред­ные для здоровья химикаты, затрачивают значительное время (20...30 мин), расходуют большое количество чистой воды, которую затем необходимо очищать.

Разработан способ механизированного обезжиривания деталей венской известью и последующей промывки с замкнутым циклом водоиспользования, а также безреагентной нейтрализации деталей после железнения с одновременной промывкой в установке для разделения воды с помощью электрического тока на кислую и ще­лочную. В последнем случае также обеспечивается замкнутый цикл водоиспользования.

Таким образом, в перспективе возможно создание малоопераци­онной безотходной технологии железнения с замкнутым циклом водоиспользования..

Техника безопасности. К работе в гальванических цехах и отделе­ниях допускаются лица в возрасте не моложе 18 лет, прошедшие медицинский осмотр, специальное обучение и инструктаж по тех­нике безопасности.

Рабочих гальванических цехов обеспечивают спецодеждой: рези­новыми сапогами, перчатками, прорезиненными фартуками, халата­ми и очками. В обеденный перерыв и после окончания рабочего дня спецодежду нужно хранить в шкафу. Запрещается уносить ее домой. Кроме того, нельзя хранить пищевые продукты, принимать пищу и курить в рабочем помещении, засасывать растворы ртом через шлан­ги или стеклянные трубки, ремонтировать оборудование при вклю­ченной силовой сети, допускать посторонних лиц на рабочие места. Приточно-вытяжная вентиляция должна быть исправной. Ее разре­шается включать не позже чем за 15 мин до начала работы, а выклю­чать не раньше чем через 15 мин после окончания смены.

Приготовлять, корректировать и фильтровать электролиты нуж­но при включенной вентиляции. При разбавлении кислот надо обяза­тельно лить кислоту в воду, а не наоборот.

При попадании кислоты, щелочи или электролита на открытые участки тела или в глаза пораженные места необходимо немедленно обмыть струей воды, затем пораженные кислотой или кислым элек­тролитом места следует промыть 2...3%-м раствором питьевой соды, а пораженные щелочью — 1 %-м раствором уксусной кислоты и снова промыть водой.

Мероприятия по охране окружающей среды. Перед спуском в ка­нализацию загрязненные сточные воды необходимо обезвредить. К наиболее сильным ядам относят ионы цианида и шестивалентного хрома, а также опасны в больших количествах ионы тяжелых метал­лов (меди, цинка, железа, кадмия и др.).

Сточные воды перед спуском в канализацию должны иметь рН 7,5...8,5, т.е. четко выраженную щелочную реакцию. Для очистки сточных вод применяют химический, биохимический, ионообмен­ный и другие методы. Наиболее прост химический метод, заключа­ющийся в обезвреживании ядовитых вредных веществ добавлением в сточную воду химических реактивов.

Хромсодержащие сточные воды очищают в два этапа: сначала восстанавливают в кислой среде шестивалентный хром до трехвалентного (I этап), а затем добавлением щелочи до рН 8 О...8,5 трехвалентный хром и другие металлы переводят в малора­створимые гидроксиды, выпадающие в осадок (II этап). На первом этапе в сточные воды добавляют сульфат железа, сульфит или пиросульфит натрия, сернистый газ или сернистую кислоту при рН 2,0...2,5. На одну часть (по массе) шестивалентного хрома требуется добавить 7,0... 7,5 части восстановителя.

Кислые сточные воды без примесей металлов, а также содержащие соединения тяжелых металлов и трехвалентного хро­ма, очищают добавлением щелочи (известковое молоко, известняк, едкий натр) до рН 7,5..8,5. При этом полностью нейтрализуются свободные кислоты, а тяжелые металлы в виде гидрооксидов выпа­дают в осадок при последующем отстое. Затем очищенную воду спускают в канализацию, а осадок фекальным насосом удаляют из отстойников на иловые площади для обезвоживания.