Химическая обработка поверхностей деталей

Химическое никелирование. Покрытие из сплава ни­кель-фосфор может быть получено электрохимическим и хими­ческим способами. Последний основан на выделении металлов из водных растворов их солей с помощью химических препара­тов— восстановителей. По сравнению с электрохимическим спо­собом он более производителен и требует меньших капиталь­ных затрат. Так как восстановление никеля происходит на по­верхности изделия, то толщина осадка на всех участках поверх­ности получается совершенно одинаковой независимо от конфи­гурации изделия.

Химическому никелированию поддаются сталь, чугун, брон­за оловянная, бронза фосфористая, алюминий и его сплавы

и др. Температура ванны зависит от ее состава и не превы­шает 95°С. Получаемое покрытие содержит 92—95% никеля. Структура покрытия аморфная метастабильная, микротвердость Я„юо 4500—6000 МПа. При нагреве покрытия до 300°С и выше структура его переходит в равновесное состояние с об­разованием соединения й1₃Р. Коррозионная стойкость никеле­вого покрытия, осажденного химическим способом, более вы­сокая, чем электролитического никелевого покрытия.

Прочность сцепления никель-фосфорных покрытий с основ­ным металлом, их твердость, коррозионная стойкость и изно­состойкость могут быть улучшены или повышены термообра­боткой. Нагрев детали до 200°С при термообработке необхо­дим для снижения остаточных напряжений, которые могут выз­вать отслаивание покрытия от основного металла. Твердость покрытия возрастает с повышением температуры термообработ­ки; при температуре 350—500°С и выдержке 15—20 мин твер­дость приобретает наибольшее значение. Увеличение времени термической обработки до 40—60 мин повышает прочность сцепления покрытия и его антикоррозионные свойства. При тем­пературе 600°С микротвердость покрытия составляет 650— 700 МПа, что выше твердости хромового покрытия (С А. Ви-шенков).

Химическое никелирование одной из деталей в паре трения дуралюмин по дуралюмину увеличивает износостойкость пары в несколько раз.

Никель-фосфорное покрытие хорошо прирабатывается в па­ре с металлами.

Способность никель-фосфорного покрытия противостоять действию циклических нагрузок низкая.

Химическое никелирование на толщину примерно 0,1 мм мож­но рекомендовать как защитное в атмосферных условиях и в среде нефтепродуктов (плунжеры насосов-форсунок, шкворни и т. п.), как термостойкое и защитное покрытие для деталей, работающих в условиях высоких (до 600°С) температур в аг­рессивной среде и при трении (клапаны двигателей внутренне­го сгорания, толкатели, поршневые кольца и т. п.).

Оксидирование —процесс искусственного образования ок­сидной пленки на поверхности металла. Оксидная пленка чер­ных металлов состоит из мельчайших кристаллов магнитной окиси железа Ре₃0₄ и имеет небольшую толщину (до 3 мкм), низкую твердость, значительную пористость и хорошее сцепле­ние с основанием. Благодаря структурным особенностям и свой­ствам пленка хорошо удерживает смазочные жидкости, предуп­реждает заедание в паре трения из черных металлов и, обра­зуя при изнашивании, тончайший абразив, ускоряет приработ­ку поверхностей трения.

Пленку на стали можно получить химической, электрохими­ческой, термической или термохимической обработкой. Химиче­ская обработка производится в щелочных и кислых ваннах при температуре раствора, в зависимости от состава, 138—165°С и продолжительности не более 2 ч. Образующаяся пленка не яв­ляется чисто оксидной, а содержит также некоторое количест­во фосфатов.

Электрохимическая обработка заключается в анодном окси­дировании в горячих щелочных растворах окислителей. Терми­ческое и термохимическое оксидирование производят путем на­грева изделий в расплавленной селитре или на воздухе. В по­следнее время широко применяют обработку паром, которой подвергают инструмент из быстрорежущих сталей, детали из чугуна (поршневые кольца, толкатели клапанов и др.), а так­же детали из конструкционной стали, подлежащие отпуску при температуре около 700°С. Толщина пленки достигает 6 мкм. По некоторым опытным данным противозадирные свойства чу­гуна при обработке его паром при 550—600°С значительно вы­ше, чем при фосфатировании и низкотемпературном сульфиди-ровании.

На алюминии оксидная пленка естественного происхожде­ния или полученная химическим путем толщиной от 0,5 до 5 мкм прочно сцепляется с основным металлом, имеет значи­тельную твердость и высокую износостойкость, пористость в среднем около 20% и жаростойкость до 1500°С. Оксидирование с последующим пропитыванием пленки смазочными маслами с коллоидным графитом служит основой для изготовления алю­миниевых подшипников с высокими антифрикционными свой­ствами.

Электрохимической обработкой на алюминии и его сплавах получают пленки толщиной от 3 мкм до 0,3 мм; процесс полу­чения оксидных пленок толщиной более 60 мкм называют глу­боким анодированием. Такой обработке подвергают сплавы с содержанием не более 4,5% Си и 7% 31. Пленки имеют высо­кую твердость; у самой поверхности, где пленка слегка разрых­лена действием электролита, твердость ее снижается. Получаю­щееся твердое анодное покрытие является износостойким. При анодной обработке оксидированный слой образуется как за счет углубления в толщу металла, так и за счет наращивания пленки на поверхности. Таким образом, при анодировании уве­личивается размер цилиндрической поверхности примерно на толщину слоя. Анодное покрытие можно притирать и полиро­вать. Анодированный слой неудовлетворительно работает в па­ре с электролитическим хромовым покрытием.

Глубокое анодирование поршней из алюминиевых сплавов двигателей внутреннего сгорания повышает надежность их ра­боты (уменьшается число заклиниваний поршней) и уменьшает

скорость изнашивания кольцевых канавок. Имеется положитель­ный опыт использования анодированных зубчатых передач из алюминиевого сплава вместо бронзовых в часовых механизмах и опыт использования анодированных цилиндров из алюминие­вых сплавов вместо стальных в гидросистемах.

Фосфатирование — процесс образования на поверхности ме­талла пленки нерастворимых фосфорнокислых солей. Фосфати­рование производится химическим способом (в ванне либо в струе раствора) или электрохимическим. Температура ванны для черных металлов не более 90°С.

Фосфатная пленка черных металлов имеет толщину от 2 до 50 мкм и структуру от мелко- до крупнокристаллической в за­висимости от режима процесса; незначительно изменяет разме­ры изделия; весьма прочно сцепляется с основанием; не сма­чивается расплавленным металлом; жаростойка до 600°С; ус­тойчива в атмосферных условиях, в смазочных маслах, нефте­продуктах и во всех газах, кроме сероводорода; имеет малую твердость, невысокие механическую прочность и эластичность; имеет высокоразвитую пористую поверхность и прочно удержи­вает смазочные масла, лаки и краски. Фосфатное покрытие, как и оксидное, представляет собой при изнашивании тончайший абразив; оно во много раз более коррозионно-стойко, чем ок­сидное, полученное в щелочных растворах, и с успехом может применяться как приработочное.

Схема действия покрытия при трении такова. Вначале сила трения фосфатированной поверхности по фосфатированной или по любой другой значительна. Затем кристаллы фосфата на выступах неровностей контактирующих поверхностей быстро срабатываются и начинают действовать как абразив. Коэффи­циент трения уже в начале движения резко убывает и продол­жает снижаться по мере приработки. Кристаллы фосфата в начальной стадии работы пары предохраняют ее от заедания.

Имеется положительный опыт фосфатирования поршневых колец двигателей внутреннего сгорания, цилиндровых гильз и втулок крупногабаритных двигателей, пальцев верхних головок шатунов, зубчатых колес и т. п. Тонкая фосфатная пленка с последующим пропитыванием ее смазочными маслами защища­ет от коррозии гайки, болты и другие крепежные детали. Фос­фатирование позволяет также предупредить часто наблюдае­мые задиры на опорных торцах гаек при их завертывании.

Основные преимущества фосфатного покрытия как прирабо­танного слоя по сравнению с оксидным на черных металлах за­ключаются в большей толщине, большей пористости и меньшей твердости. В результате фосфатирования несколько возрастает хрупкость стали, что связано с наводороживанием металла и образованием на его поверхности лунок в процессе фосфатиро­вания.

Фосфатное покрытие как подслой для дисульфида молибде­на увеличивает прочность сцепления и в десятки раз повышает стойкость поверхностей к задирам.

Сульфидирование — термохимический процесс обработки из­делий, изготовленных из сплавов на железной основе, для обо­гащения их поверхностных слоев серой.

Сульфидирование производят в жидкой, твердой или газовой серосодержащих средах; оно может быть низко-, средне- и вы­сокотемпературным. Соответственно температурные режимы будут 150—450, 540—580 и 850—950°С В зависимости от со­става среды, температурного режима и длительности обработ­ки наряду с FeS и FeS₂ в поверхностном слое изделия могут образоваться другие фазы.

Наибольшая глубина слоя при среднетемпературном суль-фидировании 0,04 мм. Низкотемпературная обработка мало­эффективна, но может быть целесообразна при совмещении операций сульфидирования и низкотемпературного отпуска за­каленных изделий из углеродистой и низколегированной стали.

Разновидностью сульфидирования является сульфоцианиро-вание, при котором происходит насыщение поверхности ферро­сплава серой, азотом и углеродом. Сульфоцианирование прово­дят обычно при 540—580°С с выдержкой в ванне от 1 до 3 ч в зависимости от обрабатываемого изделия. Глубина слоя око­ло 0,04 мм.

В качестве твердой среды для сульфидирования служит дробленое сернистое или двухсернистое железо. Глубина диф­фузии серы при среднетемпературной обработке такая же, как и при жидкостном сульфидировании; при высокотемпературной обработке глубина до 1 мм.

Толщина поверхностного слоя, в котором обнаруживаются сульфиды или-нитриды, достигает при газовом сульфидирова­нии 0,1 мм.

Изделия сульфидируют после полной механической обработ­ки и обезжиривания; желателен небольшой подогрев перед за­грузкой в ванну. После охлаждения обработанных изделий до 100—120°С их промывают и погружают в нагретое до 120°С масло.

Шероховатость поверхности после сульфидирования значи­тельно выше исходной. Сульфидирование сопровождается не­которым увеличением размеров деталей. Деформация деталей при низко- и среднетемпературной обработке незначительна.

Эффект сульфидирования сводится к следующему. Сульфид­ная пленка, имеющая меньшую прочность, чем основной ме­талл, легко разрушается при трении и отделяется от основания без пластического его деформирования, предотвращая схваты­вание поверхностей трения. На участках непосредственного кон­такта поверхностей, где при трении развиваются высокие локальные температуры, на поверхности, не насыщенной серой, образуются сернистые соединения железа, частично переходя­щие в продукты изнашивания. Сульфидный слой и продукты его изнашивания обладают высокой адсорбционной способно­стью и активизируют действие смазочного масла. Эти обстоя­тельства, в совокупности с малыми размерами и способностью к царапанию продуктов изнашивания сульфидов, ускоряют при­работку поверхностей и обеспечивают их малую шерохова­тость после приработки; например, для стальных смазываемых поверхностей Ra — 0,32...0,04 мкм.

В процессе изнашивания сера диффундирует в глубь ме­талла и с тем большей интенсивностью, чем выше давление. В связи с этим антифрикционные свойства, присущие сульфид­ному слою, сохраняются при величине износа, значительно пре­вышающей первоначальную толщину слоя. Однако как исход­ный сульфидный слой, так и возобновляющийся представляют собой зону с постепенно снижающейся к сердцевине концент­рацией сернистых соединений.

В машинах с циркуляционной смазочной системой установ­ка сульфидированных деталей в пары трения скажется в боль­шей или меньшей мере на работе всех пар, в состав которых входят детали из черных металлов, так как сульфиды будут занесены маслом на все поверхности трения.

Чистое сульфидирование следует рассматривать только как способ ускорения приработки и как меру предотвращения задиров. Оно не может служить методом повышения износостой­кости, за исключением низкоскоростных узлов, у которых суль­фидный слой сохраняется длительное время.

Сульфидирование не может служить средством защиты от коррозии. Положительный результат может быть получен при сульфидировании одной из поверхностей трения. Нагрев суль­фидированных деталей до 500°С не изменяет содержание серы в поверхностных слоях.

Сульфоцианирование является средством повышения изно­состойкости деталей из черных металлов, оно увеличивает твер­дость и сопротивление усталости и снижает пластичность. Кор­розионная стойкость сульфоцианированной стали на воздухе и в воде не ниже цианированной.

Сульфидируют и сульфоцианируют цилиндровые втулки, поршни и кольца двигателей внутреннего сгорания, компрессо­ров и паровых машин; стальные подшипники скольжения (ус­танавливаемые взамен бронзовых); кулачки сцепных муфт, гайки ходовых винтов, детали подвижных частей, смазывание которых затруднено из-за высокой температуры среды или не­достаточной доступности. При замене бронзовых вкладышей тя-желонагруженных подшипников некоторых машин стальными сульфоцианированными долговечность подшипников увеличилась в несколько раз. Испытания показали возможность заме­ны бронзы сульфоцианированным чугуном в червячных коле­сах при скоростях скольжения в зацеплении около 2 м/с.

Обработка паром. Метод состоит в обработке стальных и чугунных деталей перегретым паром при температуре 500— 600°С, давлении пара до 0,1 МПа и выдержке 1—2 ч. Метод прост, не требует сложного дорогостоящего оборудования и не вреден для обслуживающего персонала. Обработке подвергают поршневые кольца двигателей внутреннего сгорания и компрес­соров, инструмент из быстрорежущей стали и другие изделия. Образующаяся в процессе обработки деталей окисная пленка способствует приработке, уменьшает вероятность возникнове­ния задиров и увеличивает износостойкость деталей.