Состав электролитов и режимы хромирования

Наименование компонентов и параметров	Электролит и условия электролиза
Разведенный	Универсальный	Концентрированный
Хромовый ангидрид (Сг0₃), г/л	120...150	200...250	350...400
Серная кислота (Н₂SO₄), г/л	1,2... 1,5	2,0...2,5	3,5...4,0
Температура электролита, °С	40... 100	20...60	15...30
Плотность тока, А/дм₂	50...65	45...55	40...50
Выход по току, %	16...18	13...15	10...12

В зависимости от того, в каких условиях работает восстановленная деталь, стремятся получить тот или иной вид осадка. Например, для деталей неподвижных соединений могут применяться как блестящие, так и молочные осадки. В подвижных соединениях, работающих при давлениях до 0,5 МПа, рекомендуются блестящие осадки; в деталях, работающих при давлениях свыше 5 МПа и знакопеременной нагрузке, — молочные осадки.

Рис. 16.3. Распределение зон хромовых покрытий: 1 — блестящий хром; 2 — молочный хром

Саморегулирующий электролит. Его применяют для более устойчивой работы ванн хромирования. Это достигается путем введения в ванну труднорастворимого сульфата стронция. Наиболее широкое распространение получил электролит следующего состава (г/л): хромовый ангидрид СrО₃ — 200...300, сульфат стронция 8г304 — 5,5...5,6, кремнефторид калия К₂81р₆ — 18...20. Плотность тока D_k = 40...80 А/дм², температура 55...65°С. Выход по току в этом электролите равен η = 17... 19%. Положительные свойства электролита — возможность применения более высоких плотностей; скорость осаждения выше, чем в сернокислых электролитах; хорошая рассеивающая способность; меньшая чувствительность к изменению температуры и к загрязнению электролита железом, медью и другими металлами. Отрицательные свойства: агрессивность и ядовитость электролита; детали подвесных приспособлений, аноды и детали ванн разрушаются больше, чем в сернокислом электролите.

Холодные электролиты в ремонтном производстве применяют двух типов: электролит с добавкой фтористых солей и тетрахроматные. Наибольшее распространение для восстановления изношенных деталей получил тетрахроматный электролит следующего состава (г/л): СrОз - 350...400, NаОН - 40...50, Н₂50₄ - 2...2,5, сахар - 1...2. Режим электролиза: катодная плотность тока D_k = 50... 100 А/дм², температура раствора — 17... 23 °С. Этот электролит позволяет получать качественные осадки с большой производительностью (выход по току 30...33%), имеет меньшие внутренние напряжения. Покрытия получаются более мягкие, беспористые (без трещин), серого оттенка, легко полируемые до зеркального блеска. Применяют для получения защитно-декоративных покрытий. Особенность тетрахроматных электролитов — малая агрессивность к углеродистым сталям. Поэтому вполне допустимо изготовление ванн для хромирования из малоуглеродистой листовой стали без дополнительной футеровки.

Саморегулирующийся холодный электролит — наиболее перспективный электролит. Его состав (г/л): хромовый ангидрид — 380...420, кальций углекислый — 60...75, кобальт сернокислый — 18...20. Режим электролиза: катодная плотность D_k = 100...300 А/дм², температура электролита — 18...25°С. Преимущества электролита — высокий выход по току (35...40%). Недостаток — требуются мощные холодильные агрегаты для достижения 18... 25°С при высокой плотности тока (до 200 А/дм²).

Рис. 16.4. Схема установки для струйного хромирования: 1 — анод; 2 — устройство для поддержания уровня электролита; 3 — наращиваемый вал; 4 — раздвижная касета; 5 — ванна; 6 — электролит; 7 —подогреватель; 8 — насос

Специальные процессы хромирования. Пористое хромирование. Применяют для повышения износостойкости деталей, работающих при больших давлениях и температурах и недостаточной смазке. Пористый хром представляет собой покрытие, на поверхности которого специально создается большое количество пор или сетка трещин, достаточно широких для проникновения в них масла. Его можно получить механическим, химическим и электрохимическим способами. Наиболее широко применяют электрохимический способ, который заключается в том, что хром осаждается при режиме блестящего хромирования, обусловливающем появление в покрытии сетки микротрещин. Для их расширения и углубления покрытие подвергают анодной обработке в электролите того же состава, что и при хромировании. В зависимости от режима хромирования и анодного травления можно выполнить пористость двух типов: канальчатую и точечную.

Для получения пористых покрытий деталь хромируют в универсальном электролите при плотности тока 40... 50 А/дм², а затем переключают полярность ванны и проводят анодное травление при той же плотности тока. Канальчатую пористость получают при температуре электролита 58... 62°С и продолжительности травления 6...9 мин, а точечную — при 50...52°С и 10... 12 мин. Пористые покрытия используют при размерном хромировании, например поршневых колец. Их толщина составляет 0,1...0,15 мм. Пористое хромирование колец увеличивает их износостойкость в 2...3 раза, а износостойкость гильзы — в 1,5 раза. Детали, покрытые пористым хромом, обычно подвергают термообработке в масле при температуре 150... 200 °С в течение 1,5... 2 ч для устранения водородной хрупкости и насыщения пор маслом.

Струйное хромирование. Его проводят в саморегулирующемся электролите при температуре 50...60 °С в широком диапазоне плотности тока, достигающей 200 А/дм². Скорость протекания электролита 40...60 см/с, катодно-анодное расстояние — 15 мм. При этом получают блестящие покрытия. Выход по току достигает 22 %, что вместе с высокой плотностью тока ускоряет процесс осаждения хрома: при t = 50 °С и D_k = 100 А/дм² скорость осаждения составляет 0,1 мм/ч. При струйном хромировании в тетрахроматном электролите высококачественные покрытия осаждаются при D_k = 150... 160 А/дм² со скоростью 0,25 мм/ч. В универсальном электролите хромируют: при температуре — 50 °С, плотности тока — 70...90 А/дм², скорости протекания электролита — 100... 120 см/с, катодно-анодном расстоянии 15 мм. Скорость осаждения хрома составляет 0,08...0,10 мм/ч. Схема установки для струйного хромирования показана на рис. 16.4.

Проточное хромирование. Оно обеспечивает блестящие покрытия повышенной твердости и износостойкости и улучшенной равномерности покрытия в универсальном электролите с повышенным Содержанием серной кислоты (3...7 г/л) при температуре — 55...65°С, плотности тока — 100... 150 А/дм², скорости протекания Электролита — 100... 120 см/с и межэлектродном расстоянии — 15...30 мм. Выход по току составляет 20...21 %. Способ эффективен для хромирования цилиндров и коленчатых валов двигателей.

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. Если для приготовления электролита используется стружка из малоуглеродистой стали, то ее перед употреблением подвергают обезжириванию в 10...15%-ном растворе каустической соды при температуре 80...90°С, а затем промывают в горячей (t = 70...80°С) воде. После этого обезжиренную стружку травят до насыщения соляной кислоты.

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, железокремниймолибденовый сплав МФ-15, кислотостойкая резина, фторопласт-3, керамика, фарфор).

Один из существенных недостатков процесса железнения — боль-: шое 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 осадке необходимо 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.

Рис. 16.5. Схема электролитической ячейки для анодно-струйного осаждения металлов: 1 — подводной патрубок; 2 — отводной патрубок; 3 — кабель для подвода тока; 4 — верхний корпус ячейки; 5 — уплотняющая прокладка; 6 — катод; 7 — зажим; 8 — анод; 9 — нижний корпус ячейки

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 покрытия деталь вращается с частотой до 20мин^-1. Железнение возможно из концентрированного холодного хлористого электролита при плотности тока D_k = 40... 55 А/дм²с производительностью 0,4 мм/ч. Для упрощения технологического процесса применительно к ремонту шеек коленчатых валов разработана электролитическая ячейка (рис. 16.5), которая дает возможность вести железнение и хромирование шеек без вращения детали. В эту ячейку электролит поступает под давлением через патрубок 1 и благодаря наклонному расположению отверстий в цилиндрическом аноде 8 приобретает вращательное движение вокруг катода. Скорость протекания электролита в анодно-катодном пространстве принимают 100... 150 см/с при удельном его расходе 40... 45 л/мин на 1 дм² покрываемой поверхности.

Проточное железнение. С помощью приспособлений изношенное отверстие детали превращается в закрытую местную гальваническую ванночку. В ее центр устанавливают анод 5 (рис. 16.6) 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.

Рис. 16.6. Схема электролитической ячейки для проточного осаждения металлов: 1 — подводящий щтуцер; 2 — штуцер отвода газов; 3 — токопровод; 4 — верхняя крышка; 5 — анод; 6 — гайка; 7 — картер коробки передач; 8 — нижняя крышка; 9 — сливной штуцер; 10 — крышка-плита

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 (рис. 16.7). Анодом служит стержень 4, изготовленный из любого металла или графита и обернутый каким-либо адсорбирующим материалом так, чтобы образовался плотный тампон 5. Тампон в зависимости от требуемого покрытия пропитывают электролитом до полного его насыщения и посредством кабеля соединяют с анодом источника тока. Анодный тампон, непрерывно смачиваемый электролитом, из сосуда 1 накладывают на деталь 8, которая медленно вращается, и устанавливают требуемую плотность тока. В системе катод (деталь 8) — тампон 5 (своего рода гальваническая ванна) — анод (стержень 4) протекает электрохимическая реакция и на поверхности катода (детали) осаждается тот или другой металл, Стекающий электролит собирается в ванну 9 для повторного использования. Постоянное поступление в зону электролиза свежего электролита и перемещение анода по покрываемой поверхности препятствуют росту зародившихся кристаллов металла, снижают утренние напряжения в покрытии и уменьшают дендрито-образование.

Все это позволяет получать мелкозернистые покрытия высокого качества. Этот способ железнения целесообразно «менять для восстановления посадочных поверхностей крупных валов, осей и корпусных деталей.

Рис. 16.7. Схема процесса электронатирания:

1 — сосуд с электролитом; 2 — кран; 3 — выпрямитель; 4 — графитовый анод; 5 — тампон; 6 — пластмассовый колпачок; 7 — алюминиевый | корпус с ребрами для охлаждения; 8 — деталь; 9 — ванна для электролита; 10 — гнездо для клеммы; 11 — пластмассовая гайка; 12 — клемма кабеля