Попов. восстан детал

сти 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 потоку составляет 20...21 %. Способ эффективен для хромирования цилиндров и коленчатых валов двигателей.

2.8.3. ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОЕ И ХИМИЧЕСКОЕ НИКЕЛИРОВАНИЕ

Никель – металл серебристо-белого цвета; плотность 8,8 г/см3, температура плавления 1452 °С. Микротвердость никелевых покрытий изменяется в зависимости от условий электролиза в широких пределах и достигает 7000 МПа. Прочность на разрыв от 600 до 1750 МПа. Покрытия характеризуются мелкокристаллической структурой, равномерным распределением по профилированной поверхности, хорошей обрабатываемостью. Никель химически стоек к атмосферному воздуху, щелочам и органическим кислотам. Никелевые покрытия толщиной до 25 мкм обладают пористостью, которая уменьшается с увеличением их толщины. По отношению к железу никель имеет менее электроотрицательный потенциал, т.е. является катодным покрытием. Поэтому стальные детали защищают никелем от коррозии только тогда, когда нет пористости и непокрытых мест.

Никелевые покрытия хорошо полируются и приобретают красивый декоративный вид. Никелирование чаще всего применяют для защиты деталей от коррозии и последующей декоративной отделки их поверхности.

Процесс никелирования применяют так же, как способ компенсации износа поверхностей деталей. В этом случае никелированием можно заменить хромирование, особенно при восстановлении деталей с малыми износами и работающими в коррозионной среде.

В ремонтной практике применяют электролитический и химический способы никелирования. Электролитическое износостойкое никелирование применяют для защитно-декоративных покрытий и в качестве подслоев перед меднением в сернокислых электролитах или перед хромированием (при декоративном хромировании). Наиболее широкое применение получили сернокислые электролиты, основной составляющей которых является сернокислый никель. Также находят промышленное применение хлористые, сульфатно-хлористые электролиты. Наиболее распространенные электролиты приведены в табл. 2.17.

111

Таблица 2.17

Состав электролитов

	Компонент		Содержание компонентов, г/л,
				в электролитах
	электролита
		1	2	3	4	5	6	7
	Никель сернокислый	240...340	140...250	–	200	–	–	250...300
	Никель хлористый	30...60	–	300	175	10...15	–	–
	Натрий сернокислый	–	40...60	–	–	–	–	–
	Магний	–	20...30	–	–	–	–	–
	сернокислый
	Натрий хлористый	–	5...7	–	–	–	–	10...15
	Кислота борная	30... 40	25...30	38	40	30	30	25...30
	Кумарин	–	–	–	–	–	–	0,8...2,0

Сернокислый электролит 1 применяют для декоративного и недекоративного никелирования и получают пластичные и относительно мягкие покрытия, обладающие хорошими защитными свойствами. Хлористый никель в этом электролите можно заменить хлористым натрием.

Сернокислый натрий (электролит 2) вводят для повышения электропроводности электролита, а сернокислый магний – для улучшения кроющей способности и внешнего вида покрытий.

Хлористые электролиты получили ограниченное применение (никелирование нержавеющих и жаростойких сталей).

Сульфатно-хлористые электролиты (электролит 4) занимают промежуточное положение и не имеют недостатков, присущих чисто хлористым электролитам.

Большими преимуществами по сравнению с сернокислым электролитом обладает фторборатный электролит (электролит 5), имеющий возможность интенсификации процесса, благодаря применению большой плотности тока (до 20 А/дм2), большую стабильность и лучшую рассеивающую способность. При этом покрытия осаждаются с лучшими свойствами и хорошим сцеплением с основным металлом. Кислотность фторборатного электролита поддерживают добавлением борфтористоводородной кислоты.

Применяют также сульфатный электролит (электролит 6), достоинства которого следующие: покрытия осаждаются пластичными, с незначительными внутренними напряжениями; электролиты допускают применение высокой плотности тока при низких температурах и отличают-

112

ся простотой состава, контроля и корректирования, малой чувствительностью к загрязнениям, широким диапазоном рабочих условий; хорошо буферируются (табл. 2.18).

Таблица 2.18.

Параметры режимов никелирования

	Электролит		1		2		3	4			5		6		7
	Кислотность, рН	1,5...	4,5	5,2...	5,8	2,0		1,5...	2,0	3...	3,5	3...	5	4,5...	5,5
	Температура	45	65	18	35	50	70	45		45	55	38	60	50
	электролита, °С
	Плотность тока,	2,5	10	0,5	2,0	2	10	2,5	10	до 20		5	32	4	6
	А/дм2

Внем наблюдается повышенная склонность к питтингообразованию, для преодоления которого в электролит вводят антипиттинговые добавки (алкилсульфат натрия, моющее средство «Прогресс» и др.)

Из обычных электролитов никелевые покрытия осаждаются матовыми, и для придания блеска их полируют, что трудновыполнимо и дорого. Поэтому широкое применение получили электролиты для производства блестящих покрытий непосредственно в ваннах, которые (электролит 7), кроме основных компонентов (сульфата никеля, борной кислоты и хлоридов), содержат специальные добавки (блескообразователи) – сернокислые соли кобальта и кадмия, органические коллоидные вещества, соли органических кислот.

Вэлектролиты для блестящего никелирования часто вводят выравнивающие добавки (кумарин, пиридин), которые позволяют менее тщательно полировать поверхность металла перед никелированием и получать гладкие покрытия без микронеровностей и рисок, остающихся иногда при предварительной полировке.

Блестящее никелирование в электролите 7 ведется при непрерывной его фильтрации и воздушном перемешивании. Выход никеля по току при осаждении в этом электролите на оптимальных режимах состав-

ляет 90...98 %.

Всостав электролитов для никелирования вводят буферную добавку – борную кислоту, стабилизирующую кислотность.

Для повышения растворимости никелевых анодов в состав электролита вводят хлористый никель, натрий или калий.

При никелировании применяют растворимые никелиевые аноды марок НПА1 и НПА2, непассивирующиеся аноды марки НПАН, легированные серой.

Никелевые электролиты весьма чувствительны к химическим примесям, которые могут попадать при растворении анодов и материала

113

подвесных приспособлений. Поэтому никелевые электролиты следует периодически подвергать электрохимической очистке, а также периодической фильтрации. Для предотвращения загрязнения электролита анодным шлаком их помещают в чехлы из специальных тканей.

При выборе режима электролиза следует иметь в виду связь между кислотностью электролита, его температурой и плотностью тока: чем больше кислотность и температура электролита, тем при большей плотности тока и с большей скоростью можно вести электролиз.

Необходимо поддерживать кислотность электролита постоянной, так как при изменении ее значения не только ухудшаются свойства покрытий, но и снижается их сцепление с основным металлом.

2.8.4. ХИМИЧЕСКОЕ НИКЕЛИРОВАНИЕ

При химическом никелировании детали погружают в нагретый до температуры 85...95 °С раствор и выдерживают в нем без электрического тока. Осаждение металла происходит в результате реакции восстановления никеля из водных растворов его солей гипофосфитом натрия (восстановитель). Покрытия осаждаются гладкими и блестящими, обладают высокой коррозионной стойкостью и твердостью, поскольку покрытия являются сплавом никеля с фосфором, содержание которого зависит от состава раствора (от 4...6 % для щелочных и до 8...10 % для кислых растворов). После термообработки при температуре 400 °С твердость никель-фосфорного покрытия возрастает вдвое, достигая 9000...10000 МПа. При этом повышается сцепляемость и износостойкость покрытий.

Чаще применяют кислые растворы, состоящие из 30 г/л никелевой соли (NiCl2 · 6H2O или NiSО4 · 7H2О), 10 г/л гипофосфата натрия и 10 г/л уксуснокислого натрия или другой буферной соли – рН 4,5...5,0. Температура раствора 90...92 °С, плотность загрузки канны 1...1,5 дм2/л. При этих условиях скорость осаждения составляет 10...15 мкм/ч.

Перед покрытием детали обезжиривают, промывают и подвергают химическому травлению в 5%-ном растворе соляной кислоты в течение 2...3 мин, затем снова промывают и помещают в раствор для никелирования.

Достоинства этого способа – равномерность покрытий (одинаковая для наружных и внутренних поверхностей), высокая их коррозионная стойкость и износостойкость, а также простота применяемого оборудования (эмалированная, стеклянная или другая футерованная емкость, оборудованная нагревателем).

114

Недостатки химического никелирования – сравнительно низкая производительность процесса, изменение состава раствора во времени (уменьшение солей никеля и гипофосфата). Раствор корректируют лишь до накопления в нем фосфита натрия до 55 г/л, после чего раствор заменяют новым.

Химическое никелирование применяется при защитнодекоративном покрытии мелких деталей. В ремонтном производстве этот способ используют при восстановлении деталей с небольшим износом (прецизионных деталей топливной аппаратуры).

2.8.5. 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 (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.

115

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 МФ15, 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 там 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.

116

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 20 мин-1. Железнение возможно из концентрированного холодного хлористого электролита при плотности тока Dк = 40...55 А/дм2 с производительностью 0,4 мм/ч. Для упрощения технологического процесса применительно к ремонту шеек коленчатых валов разработана электролитическая ячейка (рис. 2.41), 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.

Рис. 2.41. Схема электролитической ячейки для анодно-струйногоосаждения 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

Проточное железнение. С помощью приспособлений изношенное отверстие детали превращается в закрытую местную гальваническую ванночку. В ее центр устанавливают анод 5 (рис. 2.42) 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.

117

Рис. 2.42. Схема электролитической ячейки для проточного осаждения металлов:

1 – подводящий штуцер; 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

Износостойкость восстановленных данным способом посадочных поверхностей на 25...50 % выше износостойкости новых.

2.8.6. ЭЛЕКТРОНАТИРАНИЕ

При этом способе осаждения металла деталь не опускается в ванну, а устанавливается либо на специальном столе, либо в центрах токарного станка и присоединяется к катоду источника постоянного тока (рис. 2.43). 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.

Рис. 2.43. 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

118

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 внутренние напряжения в покрытии и уменьшают дендритообразование. Все это позволяет получать мелкозернистые покрытия высокого качества. Этот способ железнения целесообразно применять для восстановления посадочных поверхностей крупных валов, осей и корпусных деталей.

2.8.7. ЦИНКОВАНИЕ

Цинк – металл серебристо-белого цвета. Плотность цинка 7,1 г/см3, температура плавления 470 °С. Цинковые покрытия обычно бывают мягкими (500...600 МПа), пластичными и хорошо выдерживают изгибы, развальцовку, но плохо – запрессовку. Однако при температуре выше 250 °С и ниже 70 °С покрытия становятся хрупкими.

Цинк легко растворяется в растворах всех кислот и едких щелочей. В атмосферных условиях цинковые покрытия подвергаются коррозии, образуя различные химические соединения цинка.

Электролитическое цинкование широко используется для защиты деталей от коррозии. Цинковые покрытия хорошо защищают черные металлы от атмосферной коррозии, воздействия бензина, дизельного топлива, масел, а также от непосредственного воздействия пресной воды. В морской воде, а также в средах, содержащих сероводород и сернистые соединения, цинковые покрытия нестойки. Большое распространение электролитического цинкования объясняется тем, что цинк имеет более отрицательный нормальный потенциал, чем железо, т. е. цинковое покрытие по отношению к железу является анодным, и в образующейся гальванической паре «цинк–железо» разрушению подвергается покрытие, а основной металл сохраняется. Поэтому цинковое покрытие эффективно защищает черные металлы от атмосферной коррозии. Скорость коррозии цинкового покрытия зависит от условий эксплуатации изделий и в промышленных районах составляет 1,0...1,5 мкм в год.

119

Таблица 2.19

Параметры режимов цинкования

Электролит		1		2		3
Кислотность, рН	3,5...	4,5	3,5...	4,5	3,0...	4,0
Температура электролита,°С	15...	25	15...	25	40...	60
Плотность тока, А/дм2:
без перемешивания	1...	2	––		––
с перемешиванием	3...	6	3...	8	50
Выход цинка по току, %	95...	98	98...	100	—
Электролит		4		5		6
Кислотность, рН	—		—		5,9...	6,5
Температура электролита, °С	15...	30	50...	60	15...	30
Плотность тока, А/дм2:
без перемешивания	1...	4	0,5...	1,2	0,5...	1,5
с перемешиванием	5...	8	2,0...	2,5	—
Выход цинка по току, %	70...	80	95...	96	97...	98

Процесс цинкования обладает некоторыми техникоэкономическими преимуществами: исходные материалы недефицитны, дешевы, технологический процесс прост.

Цинкованию при ремонте подвергаются детали электрооборудования, трубопроводы, пружины и большинство крепежных деталей.

Для деталей, работающих в условиях трения, цинковые покрытия непригодны. Для цинкования используются кислые, цианистые, цинкатные, аммиакатные электролиты. Наиболее распространенные электролиты приведены в табл. 2.20.

Электролиты 1...2 называются сернокислыми (сульфатными), электролит 3 – хлористым, 4 – цианистым, 5 – цинкатным, 6 – аммиакатным. Электролиты 1...3 являются представителями кислых электролитов, электролиты 4...6 – щелочными.

Кислые электролиты обладают плохой рассеивающей способностью, что является основным их недостатком. Покрытия, полученные в этих электролитах, имеют более грубую структуру и меньшую коррозионную стойкость, чем в щелочных. Кислые электролиты устойчивы, допускают применение высокой плотности тока (особенно в процессе перемешивания) при высоком выходе цинка по току. Покрытия приобретают светлый цвет, характеризуются повышенной пластичностью, прочным сцеплением с основным металлом и могут выдерживать различную механическую обработку. Поэтому кислые электролиты широко применяют для покрытия малорельефных деталей.

120