Получение ремонтных электролитических покрытий железа увеличенных толщин на восстанавливаемых деталях



Статья посвящена вопросам восстановления изношенных деталей машин: шеек валов, посадочных мест подшипников и т. п., при необходимости нанести значительное (более 1 мм) по толщине покрытие твердым железом в холодном (18–25 ^оС) электролите.

Ключевые слова: плотность тока, кислотность, электролит, адгезия, шероховатость.

В обычной практике железнения не удается получить на восстанавливаемых деталях гладкое покрытие толщиной более 0,5–0,7 мм. Возникающие дендриты приводят к тому, что деталь требуется шлифовать, снимая неровности. Для получения ремонтных покрытий железа толщиной более 1 мм с хорошей адгезией (более 200 МПа) предлагается следующая технология:

Травление в крепкой серной кислоте с плотностью 1,4 в две стадии [1, с.214] Д_{а =} 15…20 А/дм² в течение 50…75 с, а затем Д_а= 40…60 А/дм² в течение 10…20 с

Первая стадия обеспечивает растворение в кислоте дефектных слоев поверхности металла, а вторая приводит к пассивации поверхности, выделяющимся кислородом при анодной обработке. Надо отметить, что предлагаемый режим может быть изменен в зависимости от концентрации кислоты, поскольку в процессе травления постоянно меняется концентрация кислоты в рабочей ванне. Меняется температура и меняются марки используемых сталей для обработки, кроме того, поверхность деталей имеет разные виды износа и дефектов.

Протравленная поверхность должна иметь светло-серый цвет без металлического блеска и следов шлама. Исходя, из полученных данных можно сказать, что анодная обработка в растворе серной кислоты является универсальной и приемлема для обработки деталей из различных сталей и чугунов, особенно для сталей с незначительными количествами легирующих элементов.

Подготовка начального периода процесса

Начальный период электролиза готовится заранее. Аноды в ванне располагаются симметрично предполагаемому расположению детали, берется образец в качестве катода с покрываемой поверхностью и конфигурацией приблизительно равной площади покрытия на восстанавливаемой детали и устанавливается синусоидальный переменный ток плотностью 5–10 А/дм². После этого блок питания отключают и опытный образец, использованный в качестве анода, удаляют.

Деталь после травления и контроля его качества без промывки, в случае удовлетворительной поверхности, переносят в ванну железнения и включают ток с последующей коррекцией по его плотности, поскольку между опытным образцом и покрываемой деталью всегда есть некоторое несоответствие по точности плотности начального тока. Также можно завешивать деталь при наличии напряжения на штангах ванны «под током» с последующей регулировкой плотности переменного тока. По нашим наблюдениям значительной разницы между этими процедурами по качеству покрытия нет, если деталь находится без токовой нагрузки в течение незначительного времени (до10–20 с)

Начальный период электролиза

Для уменьшения влияния воздействия кислорода атмосферы и воды детали после травления переносятся в ванну нанесения железа сразу после окончания процесса травления и контроля внешнего вида поверхности протравленной детали. Деталь загружается в ванну с заранее подготовленным режимом по току и включается ассиметричный переменный ток плотностью 5–10 А/дм²,который продолжается в течение 1–2 минут. Включение детали» под током», то есть сразу без периода вывода расчетных значений и выдержки без тока не выявляет, как показывает наша практика, недостатков по качеству покрытия и адгезии и может быть принята в качестве технологического регламента. Такой подход требует заранее установленного напряжения на ванне и установленных соотношений прямого и обратного токов.

После выдержки деталей под симметричным переменным током, начинается процесс снижения анодной составляющей тока. Анодная составляющая в первоначальный период равна катодному току. Затем анодная составляющая постепенно снижается. По нашим данным после выдержки в течение одной минуты необходимо начинать снижение анодной составляющей переменного тока. Выдержка необходима для разрушения пассивной пленки на покрываемой поверхности. Снижение должно проходить на первой стадии с обеспечения плотности тока по катодной составляющей не менее чем 2 А/дм², с последующими стадиями снижения анодной составляющей через 1–1,5 мин на 1 А/дм² до нуля при необходимой катодной плотности тока 5–10 А/дм² и температуре электролита 18–25 ⁰С. Начальная результирующая катодная плотность тока должна обеспечивать превалирование выделения атомов железа по сравнению с выделением водорода на поверхности детали. При пониженной катодной плотности начального тока (менее 2А/дм²) в процессе осаждения железа могут появиться не прокрытые участки, то есть участки, где железо не осаждается и не может осесть, поскольку поверхность приобретает пассивных характер и на ней при данных потенциалах может выделяться только водород.

Как мы видим процесс имеет достаточно узкий временной и токовый интервал способный обеспечить высокую адгезию и сплошность покрытия. При значительном токе сращивание покрытия с основным металлом может пройти без удаления пассивной пленки, полученной в результате анодной обработки, и мы можем иметь весьма незначительную адгезию получаемого покрытия. Другая крайность, заключающаяся в весьма незначительной плотности катодного тока, приводит к непрокрытым участкам. Электролитом является раствор хлористого железа (FeCl₂ х 4Н₂О), 400–450 г/л. При катодной плотности тока в 5 А/дм² процесс осаждения имеет скорость 0,04–0,05 мм в час и не имеет выраженного эффекта дендритообразования. При длительном проведении процесса в таком режиме можно получить толщины железного покрытия, составляющие 2,5–3,0 мм. Ограничением толщины является постепенная пассивация поверхности, которая приводит к смещению процесса на водородное выделение вместо выделения железа, до полного прекращения выделения железа.

Кислотность электролита

Из нашей практики кислотность электролита должна находиться в пределах 0,8–1,6 рН.

По нашим данным даже при кислотности рН 0,1–0,2 покрытие обладает хорошей адгезией и не отслаивается при токарной обработке и ударном воздействии. Недостатком высокой кислотности электролитов является то, что при электролизе в условиях низких: (0,1–0,3) рН на катоде выделяется значительное количество водорода, что приводит к образованию на поверхности покрытия раковин и неровностей разного типа. Кроме того, при шлифовке покрытия эти раковины проявляются в глубине осажденного металла. Это не дает возможности получить качественную по шероховатости поверхность, требуемую при шлифовке. Исходя из экспериментальных данных кислотность ниже рН =0,5 не рекомендуется для получения качественной адгезии и сплошности покрытия, которое при шлифовке дает удовлетворительное качество шероховатости восстановленной поверхности. По мере уменьшения кислотности при рН более 0,9 по данным Спицына И. А. [2, c.219–220] происходит подщелачивание прикатодного пространства, в результате возможно образование гидроокисной пленки и включение ее в покрытие, при этом повышается катодный выход по току и ухудшается активирование поверхности чугуна водородом. Все это приводит к снижению прочности сцепления покрытия с основой.

Верхняя граница кислотности лежит в пределах 1,0–1,2 рН, что подтверждается несколькими авторами (1, с. 215) Юдин В. М. считает, что до рН 1,2–1,25 прочность сцепления вполне достаточная, и диапазон кислотности требуемый для проведения процесса лежит в пределах 0,9–1,2. Выше рН 1,2 идет процесс защелачивания на покрываемой поверхности и в покрытие попадают гидроксиды железа, что снижает адгезию. Однако эти процессы протекают при плотности тока в 10–40 А/дм². Спицын приводит данные, которые указывают на то, что оптимальная кислотность лежит в пределах 0,6–0,9 рН [2. c.223]

Надо отметить, что разные данные по технологическому регламенту базируются на разных материалах для покрытия (чугуны, стали, легированные стали и стали, подверженные термической обработке, закалке токами высокой частоты и другой поверхностной обработке) Это влияет на выбор оптимального технологического процесса покрытия, которые могут иметь некоторые особенности для каждого вида деталей и материалов. Но общая закономерность по влиянию кислотности на прочность сцепления и внешний вид покрытия сохраняется. Надо отметить также зависимость кислотности электролита и плотности катодного тока. При снижении плотности тока снижается процесс защелачивания электролита вблизи поверхности осаждения железа и увеличивается относительное количество выделяющегося водорода и этот водород способствует образованию раковин на катодной поверхности. Поэтому оптимальная плотность тока и кислотность выбираются применимо для каждого конкретного случая. Но в целом, область приемлемых значений лежит в пределах 0,5–1,2 рН. При этом необходимо понимать, что при увеличении плотности тока необходимо снижать величину рН и наоборот уменьшать кислотность при снижении токовой нагрузки для получения более плотных и менее шероховатых покрытий

Интенсификация процесса

Работы многочисленных исследователей посвящены процессу интенсификации покрытий железом, что далеко не всегда оправдано. Создание условий протекания скоростных процессов по трудозатратам и приспособлениям оправдывает себя только в условиях достаточно больших серий восстанавливаемых деталей. Для единичного и мелкосерийного производства экономически более оправданным становится увеличение времени процесса при снижении плотности тока, нежели изготовление приспособлений для создания проточного электролита или специального подогрева ванны с автоматическим регулированием температуры. Холодный электролит, обладая слабой испаряемостью во внешнюю среду позволяет резко снизить затраты на вентиляцию и на создание защитных мер от попадания вредных испарений в рабочее помещение.

Кроме того, отпадает необходимость иметь источники питания большой мощности. Можно иметь блок питания до 100 Ампер и этим обеспечить большинство потребностей в восстановлении. Для покрытий большой толщины (более 0,5 мм) можно использовать ночное время. Незначительная плотность тока (3–5 А/ дм²) позволяет получать гладкие покрытия, в меньшей степени зависящие от шероховатости исходной поверхности. Это дает возможность в течение одной загрузки получить без промежуточной обработки покрытия толщиной до 2,0- 3,0 мм. Обычно по достижении толщины покрытия 0,5 -0,7 мм требуется дополнительная механическая обработка (шлифовка) покрываемой поверхности с последующим нанесением покрытия, требующим обезжиривания, анодной обработки и начального процесса разгона. Это все резко повышает трудоемкость получения толстых (более 0,5–0,7 мм) покрытий. Кроме того, повышается вероятность снижения адгезии в пространстве между слоями. Это показывает выигрышность снижения тока и получения за один прием достаточно толстых покрытий.

Снижением плотности тока можно добиться более высокой рассеивающей способности электролита. Это необходимо при покрытии труднодоступных участков детали, когда при больших (более 10 А/дм²) требуется анод, зеркально повторяющий форму катода, и даже в этом случае не всегда удается получить требуемую толщину в углублениях на детали и возникает необходимость повторных загрузок до получения нужного результата. Поэтому метод снижения плотности тока, приводящий к существенному увеличению времени проведения электролиза, в целом дает выигрыш по трудоемкости и качеству восстановления деталей.

Свойства получаемых осадков

Твердость осадков HRC 54–58, Шероховатость поверхность после шлифования обычно составляет: Ra 0,63–1,25, адгезия 200–300 МПа.

Литература:

1. Юдин В. М. Ресурсоберегающие технологии при ремонте машин. Дисс… доктора техн. наук. М.2001,375 с.
2. Спицын И. А. Технологические методы повышения долговечности агрегатов трансмиссий сельскохозяйственной техники при ремонте и эксплуатации. Дисс… доктора техн. наук. М.2002,407 с.