Материал для подготовки

Лабораторная работа №10

Изучение электрохимических и электрофизических способов восстановления и обработки деталей

Оформление; тема, цель. Выполнить задание ниже, написать вывод

Цель: Изучить основные виды и способы восстановления деталей электрохимическим способом. Рассмотреть основные характеристики процессов их преимущества и недостатки.

Задание:

1. Изучить назначение, сферу применения, основные характеристики, преимущества и недостатки процессов восстановления деталей электрохимическим способом.

2. Изобразить схему установки для электролитического осаждения металла, рассмотреть сущность процесса. рассчитать формулы для процесса

3. Изобразить схему приспособления для хромирования гильз, объяснить  сущность процесса.

4. Изобразить схему установки для струйного хромирования, объяснить  сущность процесса.

 

Материал для подготовки

Электролитическое осаждение металлов основано на явлении электролиза, т. е. окислительно-восстановительных процессах, происходящих в электролите и на электродах при прохождении через электролит постоянного тока. Восстанов­ление поверхностей этим способом наращивания не вызы­вает структурные изменения в деталях, позволяет устранят незначительные износы. Процесс восстановления легче под­дается механизации и автоматизации.

Основу процесса составляет электролиз металлов, сущ­ность которого заключается в следующем (рис. 1). Поло­жительно заряженные ионы (катионы) перемещаются к от­рицательному электроду (катоду), где получают недостающие электроны и превращаются в нейтральные атомы металла. Отрицательно заряженные ионы (анионы) перемещаются к положительно заряженному электроду (аноду), теряют свой электрический заряд и превращаются в нейтральные атомы. На катоде выделяются металл и водород, а на аноде — кис­лород и кислотные остатки. Катодами являются восстанав­ливаемые детали, а в качестве анодов используют металли­ческие электроды (растворимые и нерастворимые). Раство­римые аноды делают из того же металла, который должен осаждаться на катоде, нерастворимые аноды изготавливают из свинца (применяют только при хромировании).

Масса металла, откладывающаяся на катоде при элект­ролизе, определяется по закону Фарадея по формуле

- электрохимический эквивалент, г/(А • ч); для хрома 1,095

-сила тока при электролизе, А; принимаем 120 А

-продолжительность электролиза, ч. принимаем 3 часа

В электролите, помимо ионов металла, присутствуют и другие заряженные частицы — водород, гидроокиси металла и др. Они вызывают неизбежные потери электроэнергии, которые учитываются коэффициентом

где масса детали соответственно до и после электролиза, г.

принимаем 583,8 и 540 соответственно

 

Рис. 1. Схема установки для электролитического осаждения металла: 1 — анод; 2 — катод (деталь); 3 — ванна; 4 — электролит

 

Время (в часах) процесса электролиза (осаждения ме­талла) в зависимости от толщины наращиваемого слоя опре­деляется по формуле

где — катодная плотность тока, А/дм²; принимаем 4

— толщина слоя покрытия, мм; принимаем 0,3

— плотность металла покрытия, г/см³ (выберете табл. 1 для хрома).

Электролитические и химические покрытия при ремон­те автомобилей применяют для повышения износостойкос­ти, восстановления изношенных поверхностей деталей (хро­мирование, железнение и др.), для защиты деталей от корро­зии (цинкование, бронзирование, оксидирование, фосфатиро- вание и др.), для защитно-декоративных целей (никелирова­ние, хромирование, цинкование, оксидирование и др.), Для специальных целей, в частности улучшения прирабатывае- мости трущихся поверхностей деталей (меднение, лужение, свинцевание и пр.), для защиты от науглероживания при цементации (меднение). Чаще всего цель покрытия являет­ся комплексной.

Таблица 1. Технологические режимы электролиза

Наносимый металл	у, г/см3	а, г/(А-ч)	Л,%	, мкм (максимум)
Хром	6,9-7,1	0,324	11-32
Железо	7,7-7,8	1,042	85-95	100-150
Цинк	7,0	1,220	97-99	6-24
Медь	8,9	1,186	80-90	До 25
Никель	8,8	1,095	90-94	2-60

Используемые при осаждении металлов электролиты чаще всего в своей основе содержат растворы солей осаж­денных металлов. Технологический процесс восстановления деталей нанесением покрытий включает три этапа:

— подготовка поверхностей деталей;

— осаждение покрытий;

— обработка нанесенного покрытия.

Подготовка деталей к покрытию состоит из механи­ческой обработки поверхностей, обезжиривания обработан­ной поверхности и декапирования.

Механическая обработка включает пескоструйную об­работку, шлифование и полирование. Выбор способа меха­нической обработки зависит от назначения покрытия. Ког­да покрытие наносят с целью восстановления изношенной поверхности, производят шлифование для получения пра­вильной геометрической формы и полирование для полу­чения необходимой шероховатости поверхности. Шлифо­вание выполняют на шлифовальных станках с использова­нием шлифовальных или войлочных кругов, накатанных абразивным порошком. Полирование производят бязевы­ми кругами, на которые наносят полировальные пасты (обыч­но пасту ГОИ).

Рис. 2. Приспособление для хромирования гильз: 1 — гильза

 

Детали, наращиваемые противокоррозионными покры­тиями, обычно подвергаются пескоструйной (металлическим «песком») обработке.

Поверхности деталей, не подлежащие восстановлению, изолируют (при хромировании используют токонепроводящие материалы — лаки и синтетические материалы: полихлорви­ниловый пластик, цапон-лак и др.). Затем детали монтируют­ся на подвесное приспособление (рис. 2). Обезжиривание деталей производят одним из следующих способов:

— обрабатывают поверхность растворителями (бензин, уайт-спирит);

— проводят механическую очистку венской известью (ка­шицеобразным раствором кальцемагниевой извести);

— обезжиривают в растворах щелочей (проводят путем погружения деталей в горячий щелочной раствор (t = 60 С) и выдержки в нем 5-60 мин);

— проводят электрохимическое обезжиривание в раство­рах щелочей. Оно заключается в погружении деталей в го­рячий (t= 60-80 °С) щелочной раствор, через который про­пускают ток (катод — детали, а анод — пластины из малоуг­леродистой стали).

Плотность тока 5—10 А/дм², длительность процесса — 1-2 мин. Выделяющийся на поверхности детали водород в виде пузырьков срывает с поверхности жировую пленку.

Декапирование (анодная обработка деталей) — это уда­ление тончайших окисных пленок с обрабатываемой повер­хности детали, которые образуются во время обезжирива­ния и промывки, а также обнажения структуры металла детали.

При хромировании обработку ведут в основном элек­тролите, при этом детали сначала выдерживаются 1-2 мин без тока для нагрева детали до температуры электролита, а затем проводят сам процесс в течение 30-45 с при анод­ной плотности тока 25-35 А/дм². После этого, не вынимая детали из ванны, переключают деталь на катод и хромиру­ют ее.

При железнении анодную обработку ведут не в основ­ном электролите, а в специальном.

 

Хромирование

Хромирование получило широкое распространение как для восстановления деталей и повышения их износостойко­сти, так и для декоративных и противокоррозионных целей.

Преимущества электролитического хрома:

— электролитический хром — металл серебристо-бело­го цвета с высокой микротвердостью 400-1200 МН/м² (в 1,5- 2,0 раза выше, чем при закалке ТВЧ), близкой к микротвер­дости корунда;

— обладает высокой износостойкостью, особенно в абра­зивной среде (в 2-3 раза по сравнению с закаленной сталью);

— устойчивостью в отношении химических и темпера­турных воздействий, причем высокая коррозионная стойкость сочетается с красивым внешним видом;

— имеет низкий коэффициент трения (на 50% ниже, чем у стали и чугуна);

— высокую прочность сцепления покрытия с поверхно­стью детали.

Недостатки хромирования и хромового покрытия:

— низкий выход металла по току (8-42%);

— небольшая скорость отложения осадков (0,03 мм/ч);

— высокая агрессивность электролита;

— большое количество ядовитых выделений, образую­щихся при электролизе;

— толщина отложения покрытия практически не пре­вышает 0,3 мм;

— гладкий хром плохо удерживает смазочное масло.

Электролитические осаждения хрома отличаются от дру­гих гальванических процессов как по составу электролита, так и по условиям протекания процесса. Эти особенности состоят в следующем: в качестве электролита используют хромовую кислоту с небольшими добавками серной кислоты,а не растворы их солей, как при осаждении других металлов.

 

Рис. 3. Схема установки для струйного хромирования: анод; 2 — устройство для поддержания уровня электролита 3 — наращиваемый вал; 4 — раздвижная кассета; 5 — ванна; 6 — электролит; 7 —подогреватель; 8 — насос

 

Железнение

Процесс железнения представляет собой осаждение ме­талла на ремонтируемую поверхность детали в водных ра­створах солей железа. Он нашел широкое применение при восстановлении деталей с износом от нескольких микромет­ров до 1,5 мм на сторону. Производительность процесса железнения примерно в 10 раз выше, чем при хромирова­нии. Средняя скорость осаждения металла составляет 0,72— 1 мкм/с, а выход металла по току равен 80-95%.

Железнение возможно из водных растворов сернокислых или хлористых закисных солей. Сернокислые электролиты по сравнению с хлористыми менее агрессивны, ниже по про­изводительности, и при одних и тех же условиях электролиза осадки откладываются хрупкие, с большими внутренними напряжениями. Исходный материал сернокислых электроли­тов дороже хлористых. В ремонтной практике наибольшее распространение получили хлористые электролиты. Выбор того или иного электролита зависит от условий работы дета­лей и производственных возможностей предприятий.

Электролит готовят растворением в воде солей хлорис­того железа и других компонентов. Электролиты бывают горячие и холодные. Горячие элек­тролиты (t = 60-95 °С) производительнее холодных, но при работе с ними необходимы дополнительный расход энергии на поддержание высокой температуры электролита, частая его корректировка, дополнительная вентиляция и большая предосторожность со стороны рабочих.

Холодные электролиты (t<50 °С) устойчивее против окис­ления. Позволяют получать качественные покрытия с луч­шими механическими свойствами. Во все холодные элект­ролиты вводится хлористый марганец, который замедляет образование дендритов и способствует получению гладких покрытий большой толщины. Марганец на электроде не осаж­дается и сохраняется в электролите длительное время.

При железнении применяют растворимые аноды, изго­товленные из малоуглеродистой стали с содержанием угле­рода до 0,2%. При электролизе аноды растворяются, образуя на поверхности нерастворимый шлам, состоящий из углеро­да, серы, фосфора и других примесей. Попадая в ванну, они загрязняют ее и ухудшают качество покрытий. Во избежа­ние этого аноды необходимо помещать в диафрагмы из по­ристой керамики или чехлы, сшитые из кислотостойкого материала (стеклоткань, шерсть и др.).

Железнение проводят в стальных ваннах, внутренние стенки которых облицовывают кислотостойкими материа­лами (антегмитовая плитка АТМ-1, эмаль типа 105А, желе- зокремниймолибденовый сплав МФ-15, кислотостойкая ре­зина, фторопласт-3, керамика, фарфор).

Один из существенных недостатков процесса железнения— большое количество водорода в осадке (до 2,5 м³ на 1 мкг осадка). Он в осадке находится в различных формах и отрицательно влияет на механические свойства восстанов­ленных деталей. С целью освобождения от водорода в осадкенеобходимо детали после железнения подвергать низко­температурному сульфидированию с последующей размер­но-чистовой обработкой пластическим деформированием. В этом случае усталостная прочность деталей повышается на 40 45%, а износостойкость возрастает в 1,5-2 раза.

При восстановлении крупногабаритных деталей слож­ной конфигурации (блоки цилиндров, картеры коробок пе­редач и задних мостов, коленчатые валы и другие) возника­ют трудности, связанные с изоляцией мест, не подлежащих покрытию (площадь их поверхности в десятки раз превы­шает покрываемую площадь), сложной конфигурацией под­весных устройств, необходимостью иметь ванны больших размеров, быстрым загрязнением электролитов и т.д. Для железнения таких деталей применяют вневанный способ.

Принцип вневанного железнения — это в зоне нанесения покрытия создание местной ванны (электролитической ячей­ки), при сохранении традиционной технологии железнения. В этом случае непокрываемые поверхности не изолируют, уменьшается обеднение прикатодного слоя электролита и воз­можно увеличение плотности тока в несколько раз и, следова­тельно, повышение производительности процесса.

Способы вневанного осаждения металлов. Струйное железнение. С помощью насоса электролит подают струями в межэлектродное пространство через отверстия насадка. Насадок одновременно служит анодом и местной ванноч­кой. Для получения равномерного окрытия деталь враща­ется с частотой до 20 мин^-1.

Проточное железнение. С помощью приспособлений изношенное отверстие детали превращается в закрытую ме­стную гальваническую ванночку. В ее центр устанавлива­ют анод и через нее прокачивают насосом элек­тролит. Анод и деталь неподвижны. При их подключении к источнику постоянного тока на поверхности отверстия осаждается железо. Электролит протекает в катодно-анодном пространстве со скоростью 15-18 см/с. Температура электролита — 75-80 С, катодная плотность тока — 25- 30 А/дм². Осаждаются качественные гладкие покрытия со скоростью 0,3 мм/ч, толщиной до 0,7 мм и твердостью 4000— 4500 МПа. Износостойкость восстановленных данным спо­собом посадочных поверхностей на 25-50% выше износос­тойкости новых.

Электронатирание. При этом способе осаждения ме­талла деталь не опускается в ванну, а устанавливается либо на специальном столе, либо в центрах (патрон) товарного станка и присоединяется к катоду источника постоянного тока.

Цинкование. Этот процесс применяют главным образом для защиты деталей из черных металлов от коррозии. В ре­монтном производстве его используют для защиты от кор­розии крепежных материалов. Покрытия осаждаются в ваннах или в специальных вра­щающихся барабанах или колоколах. Процесс идет при ком­натной температуре и плотности тока 1—2 А/дм² — без пере­мешивания и 3-5 А/дм² — при перемешивании электроли­та. Толщина цинковых покрытий 15-30 мкм.

Никелирование. Никелирование применяют для покры­тия металлов — стали, меди, латуни, цинка, алюминия. Не­посредственно никелем покрывают только медь и латунь, а остальные металлы — только после предварительного мед­нения. Никель применяют в качестве защитного покрытия перед декоративным хромированием. С помощью никели­рования повышают износостойкость трущихся поверхнос­тей деталей и восстанавливают их размеры.