ВОССТАНОВЛЕНИЕ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ДЕТАЛЕЙ МАШИН С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СКАНИРУЮЩИХ ЭЛЕКТРОДОВ
Шалимов Ю.Н., Островская Е.Н., Литвинов Ю.В.
Воронежский государственный технический университет
394026, г. Воронеж, Московский пр-т, 14
НКТБ «Феррит»
394066, Московский пр-т, 179, корпус 4,
Наиболее распространенным видом гальванических процессов является хромирование. В технологиях машиностроительных производств в качестве износостойких материалов, наносимых на поверхность валов используются хром и его сплавы. Такие покрытия по своей износостойкости и другим эксплуатационным характеристикам превосходят, например, закаленные стали в 9 раз.
Одним из важных направлений в области технологии хромирования является разработка и применение высокоскоростных саморегулирующихся электролитов. При использовании этих электролитов производительность процесса возрастает более чем в два раза, снижается стоимость хромирования до 50 %. Максимально допустимая толщина может быть увеличена с 0,5 до 1 мм по сравнению со стандартными электролитами хромирования (250 г/л – СгО3 и 2,5 г/л H2SO4), которые до сих пор находят применение на предприятиях по ремонту и изготовлению деталей машин автомобильной и авиационной промышленности. Хромирование, как технологический процесс используется:
а) для упрочнения и восстановления деталей машин с последующей механической обработкой после электролиза;
б) для упрочнения и восстановления деталей без последующей механической обработки - размерное хромирование;
в) для восстановления и упрочнения деталей с последующей механической обработкой;
г) для защитно-декоративных покрытий деталей.
Отличие первого случая от третьего состоит в том, что в первом случае используются блестящие или переходные к ним осадки, а в третьем - матовые (серые) и переходные к ним осадки. Это обеспечивает повышение производительности в третьем случае по сравнению с первым в 1,5 - 2 раза. Технологические возможности процесса восстановления и упрочнения деталей машин могут быть оценены коэффициентом технологической возможности
, (6)
где Пф - фактическое значение того или иного показателя; Пт - значение того же показателя в соответствии с требованиями к процессу.
По ряду показателей процесс хромирования удовлетворяет основным требованиям различных производств, в том числе и ремонтного. Однако, по стоимости 1 кг электроосажденного металла и производительности этот технологический процесс нуждается ещё в серьёзном усовершенствовании. В результате испытаний деталей автомобилей, подвергнутых хромированию, установлено, что их износостойкость возрастает:
а) для цилиндров двигателей (гильз) в 2 - 14 раз;
б) для поршневых колец в 2 - 4 раза;
в) для стержней клапанов в 3 - 4 раза;
г) для поршневых пальцев в 1,2 - 2,7 раза;
д) для посадочных мест под подшипники в 15 - 25 раз;
е) для крестовин карданных валов в 2 - 4 раза;
ж) для цилиндров и штоков гидросистем в 1,5 - 5 раз.
Анализ таких важных параметров технологических процессов хромирования как выход металла по току показывает, что в стандартных электролитах он составляет всего 8 - 13 %, 87 - 92 % электроэнергии затрачивается на побочные процессы. Это характеризует крайне низкую эффективность их использования. В настоящее время наиболее перспективными электролитами на основе соединений хрома (VI) являются так называемые саморегулирующиеся электролиты, в которых автоматически регулируются параметры процесса под действием внешних и внутренних условий. Эти электролиты являются адаптивными самонастраивающимися системами. В них в процессе функционирования могут автоматически изменяться некоторые управляющие параметры процесса, например, соотношение между компонентами в электролите, их взаимодействие между собой и с поверхностью катода с тем, чтобы обеспечить получение покрытий с определенными критериями качества.
Самонастраивание электролита для действия в каком-либо направлении происходит за счет изменения внутренней структуры электролита как системы. Принципиальное отличие саморегулирующихся электролитов от других адаптивных систем автоматического управления технологическими процессами состоит в том, что в первом случае самонастраивание происходит без применения каких-либо механических, электрических или других устройств. Выход по току в саморегулирующихся электролитах, в зависимости от их химического состава, плотности тока и температуры электролита, колеблется в пределах 20 – 25 %.
Рассмотренные выше технологические процессы, несмотря на их широкое использование в промышленном производстве имеют ряд существенных недостатков, к числу которых относятся: низкий выход металла по току, малый электрохимический эквивалент, рассеивающая способность электролита характеризуется отрицательными величинами, большие внутренние напряжения в покрытиях приводят к появлению сетки трещин на поверхности. Соединения хрома (VI), применяемые для промышленных способов хромирования, обладают, кроме всего, общетоксичными свойствами и при длительном воздействии на организм человека, могут вызывать профессиональные заболевания. По последним данным экологических исследований, соединения Cr(VI) относятся к веществам, обладающим канцерогенными свойствами. На участках хромирования возникает необходимость установки мощных вентиляционных систем, что связано со значительным повышением стоимости строительства и эксплуатации.
В связи с этим предпринимаются попытки изучения возможности применения электролитов, содержащих соединения Сг(III) для гальванического хромирования. Несмотря на большое количество работ, посвященных исследованию возможности использования соединений трехвалентного хрома, для целей гальваностегии, тем не менее следует отметить, что в промышленном производстве эти процессы пока не нашли широкого применения. Технологические процессы гальванического хромирования из электролитов на основе соединений Сr(III) имеют ряд неоспоримых преимуществ в сравнении с существующими в настоящее время, а именно:
а) эквивалент (электрохимический) восстановления хрома в этих электролитах вдвое выше, чем в растворах на основе Cr(III);
б) выход по току металла превосходит в 1,5 - 2 раза соответствующий параметр, для существующих в производстве технологических процессов;
в) энергетические затраты на проведение процесса снижаются в 1,8 - 2,0 раза в сравнении с применяемым в настоящее время;
г) значительно улучшаются экологические условия производства, т.е. соединение трехвалентного хрома не относятся к промышленным ядам.
Но при попытках внедрения их в производство возникают определенные проблемы. В частности, наличие в некоторых типах электролитов модификационных превращений при изменении температуры является одним из препятствий к внедрению технологии электролитического осаждения хрома из сернокислых электролитов, т.к. перегруппировка элементов структуры электролита резко тормозит реакцию восстановления металлического хрома.
Для цели улучшения токораспределения нами предлагается электрод, сканирующий поверхность покрываемого изделия по длине и высоте обрабатываемой детали. На рисунке 1 представлен эскиз сканирующего электрода.
Рис. 1. Эскиз сканирующего электрода.
Выбор параметров сканирования проводится на основании предварительных исследований структуры и состава получаемых покрытий при различных режимах вращения и конструкции электрода. Основным преимуществом такой системы является возможность использования различной степени нанесения толщины восстанавливаемого слоя. Вычисление геометрических параметров электрода определяется условиями получения металлических структур определенного профиля. Габариты электрода определяются расчетным путем исходя из условий скорости восстановления металла и специфики характеристик покрытий.
Например, для получения покрытий из хрома относительно высокой твердости необходимая плотность тока на участках восстановления составляет 50-60 А/дм2. Учитывая, что межэлектродное пространство в зоне восстановления составляет десятые доли миллиметра мы должны иметь в виду, что термокинетические эффекты, возникающие в зоне реакции, искажают кинетику электродного процесса. В этом случае температура электролита в зоне реакции повышается примерно на 20-30 °С. Такое изменение температуры предполагает увеличение микротвердости покрытий до 40 % по сравнению со стационарными условиями.
Таким образом, изменяя параметры профиля электрода сканирования, а именно, ширину ленты электрода, число витков на единицу длины цилиндра, а также профиль самого электрода сканирования, можно управлять процессом восстановления поверхности детали.
