Восстановление деталей машин из алюминиевых сплавов гальваническими покрытиями с подготовкой поверхности в электролите осаждения (80

Строительство. Транспорт

АВТОМОБИЛИ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ, СЕРВИС И РЕМОНТ

УДК 631.3.02: 621.357.74

Канд. техн. наук, доцент Н.В.Бакаева, докт. техн. наук, проф. А.Н. Новиков (Орловский государственный технический университет)

Россия, г. Орел

ВОССТАНОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ МАШИН ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ ГАЛЬВАНИЧЕСКИМИ ПОКРЫТИЯМИ С ПОДГОТОВКОЙ ПОВЕРХНОСТИ В ЭЛЕКТРОЛИТЕ ОСАЖДЕНИЯ

Одним из стратегических направлений ресурсосбережения является восстановление изно­ шенных деталей машин. Оно обеспечивает значительное сокращение расхода запасных частей, экономию денежных средств и трудовых затрат при ремонте техники. Восстановление изношен­ ных деталей машин приобретает актуальность и значимость из-за старения парка машин, увели­ чения сроков их эксплуатации, вследствие сокращения поставок техники и темпов ее обновления.

За последние десятилетия применение алюминиевых сплавов для изготовления деталей ма­ шин увеличилось более чем в три раза. Это вызвано положительными физико-механическими свойствами алюминиевых сплавов, преимуществами перед такими традиционными материалами как сталь и чугун.

Номенклатура деталей машин, изготовленных из алюминиевых сплавов, постоянно расширя­ ется. Кратко она представлена в таблице 1 [1].

Таблица 1

Перечень деталей машин, изготовленных из алюминиевых сплавов

№1-2 Известия ОрелГТУ АВТОМОБИЛИ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ, СЕРВИС И РЕМОНТ

В настоящее время в ремонтном производстве применяется большое количество самых раз­ нообразных по физической природе и технологической реализации способов восстановления из­ ношенных деталей машин, например ремонтные размеры и постановка дополнительной ремонтной детали, сварка, наплавка и напыление, пайка, пластическое деформирование, диффузионная ме­ таллизация, нанесение полимерных материалов, электрохимические способы. Наиболее широкое применение в практике получили технологии, связанные со сваркой, наплавкой, различного рода металлизации, напеканием и др. Несмотря на то что износ большинства деталей не превышает 0,3 мм, около 70% их восстанавливают наплавкой, требующей большого расхода дорогостоящих про­ волоки, порошка, а также значительного объема механической обработки.

Для деталей с небольшими износами (0,1...0,3 мм) целесообразно применять способ восста­ новления нанесением гальванопокрытий, который занимает достойное место в ряду других спосо­ бов восстановления. Применяя электрохимический способ восстановления, можно не только вос­ становить первоначальные свойства деталей, но и значительно повысить их.

Одним из основных направлений совершенствования технологии восстановления деталей гальванопокрытиями является уменьшение количества трудоемких подготовительных операций, с одновременным повышением надежности технологического процесса и снижением трудоемкости работ.

В этой связи является весьма актуальной проблема разработки новых технологий нанесения гальванопокрытий, которые бы отличались простотой, высокой надежностью, а восстановленные детали соответствовали бы всем требованиям, предъявляемым к новым.

Ремонт деталей из алюминиевых сплавов связан с рядом трудностей, в первую очередь, с на­ личием на поверхности деталей тугоплавкой оксидной пленки, которая в случае ее нарушения бы­ стро восстанавливается за счет взаимодействия алюминия с кислородом воздуха.

На алюминиевые сплавы трудно нанести прочносцепленные покрытия также вследствие их особых химических свойств. Положение алюминия в электрохимическом ряду и его родство с ки­ слородом являются основными факторами, которые затрудняют нанесение на него гальванических покрытий. Поэтому в процессе предварительной подготовки поверхности алюминиевых деталей возникает необходимость предотвращения ее контакта с кислородом воздуха и создания активной поверхности, «свободной» от оксидной пленки.

Предварительная подготовка поверхности включает в себя следующие операции: обезжири­ вание, травление, декапирование, осветление и др. Указанные операции трудоемки, включают большое количество переходов, требуют значительного количества единиц оборудования, расхода воды и химикатов [2, 3].

Нами рассматривался нетрадиционный способ подготовки поверхности деталей, изготов­ ленных из литейных алюминиевых сплавов марок АК9М2, АЛ4, АЛ25 и АЛ30 перед нанесением гальванических покрытий, который заключается в реализации катодно-анодного режима непосред­ ственно в электролите осаждения. Нестандартное решение заключается в том, что подготовка по­ верхности осуществляется поочередным подключением обрабатываемой детали к положительно­ му и отрицательному полюсам источника питания, т. е. изменением полярности детали и электрода во времени.

В катодный период на поверхности алюминиевых сплавов протекают следующие электро­ химические и химические реакции: восстановление оксида алюминия, восстановление водорода, взаимодействие оксида алюминия и металлов - примесей, входящих в состав алюминиевых спла­ вов, с кислотой, в результате которых оксидная пленка разрушается и на поверхности детали обра­

Восстановление водорода происходит в следующей последовательности: дегидратация, раз­ ряд ионов, рекомбинация, возникновение пузырьков и др. Этот многостадийный процесс катодно­ го выделения водорода начинается со стадии транспортирования ионов Н+ к катоду и заканчивает­ ся рекомбинацией образующихся атомов Н° в молекулу Н2 и отделением пузырьков газа Н2 от ка­ тода по следующим уравнениям:

1. Разряд ионов на катоде с превращением их в нейтральные атомы:

Строительство. Транспорт

Выделение водорода происходит, главным образом, на неметаллических включениях, при­ месях, которые являются микрокатодами, рассеянными в большом количестве по всей поверхности металла.

Одновременно с этим оксид алюминия, атомы примесей, присутствующие в оксидной пленке на алюминиевых сплавах, могут реагировать с кислотой, переходя в раствор с выделением водоро­

В результате этих реакций на поверхности образуется шлам, поверхность приобретает серый или черный цвет. Катодное травление на этом заканчивается.

С точки зрения сцепляемости, осаждение покрытий на поверхность детали, закрытой тра­ вильным шламом, невозможно, поэтому для удаления травильного шлама деталь переключаем на анод.

При переключении на анод сила тока (плотность тока) в цепи достигает максимального зна­ чения. Это обусловлено тем, что на поверхности деталей из алюминиевых сплавов в начальный момент анодной обработки отсутствует плотная оксидная пленка, и сопротивление в цепи очень мало. Сразу после включения тока начинается разряд ионов ОН" и потенциал анода повышается до уровня, при котором происходит бурное выделение пузырьков кислорода:

Пузырьки выделяющегося кислорода адсорбируются на детали, отрывают травильный шлам от ее поверхности. Обрабатываемая деталь становится чистой, без следов травильного шлама и ос­ татков оксидной пленки.

Разрыхление и удаление оксидной пленки зависит от интенсификации газовыделения, кото­ рая, в свою очередь, определяется химическим составом сплава, плотностью тока, кислотностью и температурой электролита. При невысокой плотности тока основным процессом является химиче­ ское растворение оксидной пленки в результате взаимодействия с кислотой электролита. Повы­ шенная плотность тока способствует интенсификации разрушения и удаления оксидной пленки. Повышение плотности тока при травлении увеличивает скорость электрохимических процессов как на катоде, так и на аноде, что способствует большему выделению водорода и кислорода. При такой плотности тока пузырьки выделяющегося водорода на катоде будут разрыхлять оксидную пленку на всей поверхности детали, а пузырьки кислорода на аноде будут полностью срывать тра­ вильный шлам и остатки оксидной пленки с поверхности детали [4, 5].

Таким образом, в ходе подготовительной операции разрыхляются поверхностные слои окси­ дов на катоде, удаляются оставшаяся оксидная пленка и травильный шлам на аноде непосредст­ венно в электролите осаждения. Режимы травления должны обеспечивать растворение оксидных пленок, выявление кристаллической структуры металла и активирование поверхности алюминие­ вых деталей перед осаждением покрытий.

Критерием качества подготовки поверхности алюминиевых сплавов перед нанесением по­ крытий является характерный цвет поверхности после катодно-анодной обработки и характер пе­ реходной зоны между осаждаемым металлом и алюминиевой основой (рис. 1). Нами установлено, что для получения прочного сцепления покрытия с основой наиболее благоприятной является та­ кая подготовка поверхности, при которой не образуется разделительных пленок в переходной зоне и поверхность после анодной обработки имеет матово-серый цвет.

Результаты проведенных исследований позволили рекомендовать для получения прочносцепленных покрытий травление в электролите осаждения следующего состава, г/л: цинк сернокис­ лый 200...220, никель сернокислый 50...70, натрий сернокислый 40...60, борная кислота 20... 30 при следующих режимах: рН 1,7... 1,9; плотность тока 60...70 А/дм2; температура 25...35 °С.

Рис. 1. Микроструктура и « переходная зона» (100х) покрытий на сплаве АЛ4

Осаждение покрытий необходимо производить из электролита вышеназванного состава при следующих режимах: рН 1,7...1,9, температура 25...30 °С, плотность тока 8...10А/дм2. При этом прочность сцепления полученных Zn-Ni покрытий составляет 60...70 МПа, толщина покрытий 0,30...0,35 мм на сторону, микротвердость достигает 1000...1200 МПа.

На основе проведенных экспериментов разработана малоотходная технология восстановле­ ния изношенных алюминиевых деталей гальваническими покрытиями, которая включает в себя следующие операции: механическую обработку до выведения следов износа, обезжиривание, про­ мывку в воде, травление (катодно-анодный режим) и формирование покрытий непосредственно в электролите осаждения с последующей нейтрализацией, промывкой и окончательной механиче­ ской обработкой. Предложенная технология значительно сокращает вероятность получения дефек­ тов из-за промежуточных подготовительных операций, количество переходов, расход воды и хи­ микатов. Данный технологический процесс восстановления можно рекомендовать для восстанов­ ления изношенных поверхностей отверстий под подшипник, отверстий под распредвал деталей, изготовленных из литейных алюминиевых сплавов АК9М2, АЛ4, АЛ25 и АЛ30 [4,5].

Литература

1.ГОСТ 1583-93. Сплавы алюминиевые-М.: Изд-во стандартов, 1993.

2.Альтман М.В. Применение алюминиевых сплавов / М.В. Альтман, ГА. Андреев. - М.: Металлургия, 1985.-200 с.

3.Лукомский Ю.Я. Гальванические и лакокрасочные покрытия на алюминии и его сплавах / Ю.Я. Лукомский, В.К. Горшков. -Л.: Машиностроение, 1985.

4.Новиков А.Н. Совершенствование технологии подготовки поверхности деталей из алюминие­ вых сплавов при нанесении гальванопокрытий / А.Н. Новиков, Н.В. Бакаева // Мат. научнотехнической конф. "Современные технологии в машиностроении". - Пенза: Приволжский Дом знаний, 2000.

5.Новиков А.Н. Технологические основы восстановления и упрочнения деталей с/х техники из алюминиевых сплавов электрохимическими способами. - Орёл: Орёл ГАУ,- 233с.

Строительство. Транспорт 2004