Повышение качества деталей машин нанесением покрытий

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ДЕТАЛЕЙ МАШИН НАНЕСЕНИЕМ

ПОКРЫТИЙ 

Гальванические способы нанесения покрытий 

Для улучшения эксплуатационных свойств рабочих поверхностей деталей машин, в основном износостойкости, коррозионной и эрозионной стойкости, применяют различные способы нанесения металлических и неметаллических покрытий. Основные способы нанесения гальванических покрытий приведены в табл. 4.97 [15].

  Гальваническое хромирование может быть декоративным или служить средством повышения коррозионной стойкости и износостойкости деталей. Если хромирование применяют для защиты от коррозии, то остальные детали предварительно покрывают слоем меди толщиной 0,03—0,04 мм и слоем никеля толщиной 0,015—0,02 мм или только слоем никеля, после чего наносят слой хрома толщиной 0,01—0,2 мм. Подслои необходимы также, когда детали работают на износ в коррозионных средах.

  Для повышения износостойкости деталей слой хрома толщиной до 0,1—0,2 мм наносят непосредственно на стальную поверхность. В этих случаях часто применяют электролитическое хромирование. Электролитический хром обладает высокой коррозионной стойкостью, низким коэффициентом трения, высокой твердостью (НВ 1000—1100) и жаростойкостью. Хромовые покрытия снижают коэффициент трения сопряженных пар, что уменьшает тепловыделение при трении. Износостойкость хромированных деталей возрастает в 5—15 раз. При тщательной подготовке поверхности прочность сцепления хрома со сталью, чугуном, никелем, медью и латунью, при испытании на сдвиг достигает 300 МПа. Однако стали с высоким содержанием вольфрама и кобальта, а также высокоуглеродистые стали и высококремнистые чугуны хромировать нельзя. Трудно получить хорошее сцепление хрома с поверхностью деталей, испытывающих значительные внутренние напряжения (например, в результате неправильной закалки). 

Основные виды гальванических покрытий и области их применения 

  В качестве электролита для хромирования обычно применяют хромовый ангидрид с добавками серной кислоты (табл. 4.98). Нерастворимые аноды изготовляют из свинца или сплава с сурьмой. Электролиты с более низкой концентрацией хромового ангидрида позволяют получить повышенную твердость хромового слоя. Однако при работе с ними нужно чаще корректировать состав ванны и применять более высокое напряжение.

  Физико-механические свойства электролитических осадков хрома зависят от режима хромирования и толщины покрытия. Различают три основных типа хромовых покрытий: молочные, блестящие и матовые. Для декоративных целей применяют хромирование при плотности тока 10—50 А/дм и температуре электролита 45—50°С. При этом получают гладкие блестящие поверхности.

  Молочные хромовые покрытия получают при температуре электролита 65—72°С и плотности тока более 15 А/дм². Их применяют главным образом для защиты деталей от коррозии. Для повышения износостойкости деталей используют матово-блестящие, молочно-блестящие осадки хрома, имеющие высокую твердость. Их получают при плотностях тока 30—100 А/дм и температуре электролита 55— 65°С. Для повышения износостойкости деталей применяют также пористое хромирование, отличающееся от твердого введением операций травления (анодной обработки) после наращивания блестящего, матово-блестящего или молочно-блестящего хрома, дающего сетку тончайших трещин. Травление ведут в той же ванне, что и хромирование, причем анодом служат обрабатываемые детали, а катодом — свинец. Глубина пор может быть 0,5—1,0 мм, а их площадь — 20—50%. 

Состав хромовых электролитов 

Оптимальная плотность тока для получения покрытии с тончайшими первичными трещинами 40—60 А/дм при температуре электролита 50— 75^СС. С повышением температуры пористость уменьшается, а ширина каналов (пор) увеличивается (сетка пор становится редкой).

  В зависимости от режимов обработки пористость может быть канальчатой (с сечением каналов примерно 0,05x0,05 мм) или точечной. При плотности тока 40 А/дм и температуре электролита 45—60° С для получения канальчатого пористого покрытия анодную обработку ведут в течение 7—8 мин., для получения точечного покрытия — 11—12 мин. В первом случае травят молочные и молочно-блестящие осадки, во втором — матовые и матово-блестящие с последующей притиркой. Точечная пористость обладает большей маслоемкостью, поэтому ее применяют для упрочнения деталей, работающих в особо тяжелых условиях, например для верхних компрессионных поршневых колец двигателей.     Точечная     пористость     характеризуется     быстрой прирабатываемостью, но износостойкость покрытия с точечной пористостью несколько ниже износостойкости канальчатого покрытия. Канальчатое покрытие применяют для гильз цилиндров. Износ - пористохромированных гильз и поршневых колец меньше нехромированных в 4—7 раз, причем износ сопряженных стальных деталей уменьшается в 3—5 раз.

  Наряду с пористыми покрытиями для повышения износостойкости деталей применяют плотные покрытия, наносимые по накатке. Срок службы их в 1,5—2 раза больше пористых покрытий, а расход хрома меньше (30—50% от расхода при канальчатом хромировании).

  После хромирования детали часто подвергают шлифованию и доводке. При снятии большого слоя хрома для сохранения пористости после механической обработки шлифование иногда выполняют в два этапа: предварительное после хромирования и окончательное после анодной обработки. Шлифование хромированных деталей рекомендуется выполнять шлифовальными кругами СМ1-С2 зернистостью 36—46 или СМ1-С1 зернистостью 60—80 при скорости вращения круга 20—35 м/с,, скорости вращения детали не менее 10 м/мин., глубине резания 0,005—0,015 мм на 1 дв. ход, подаче 0,2—0,5 (в долях круга) и расходе охлаждающей жидкости 15 л/мин. При обработке, особенно анодной, у выхода из каналов появляются бугорки высотой до 0,8 мкм, поэтому отделочное шлифование, хонингование или доводку рекомендуется выполнять после анодной обработки.

  Качество хромового покрытия контролируют дважды: после хромирования и после шлифования. При предварительном контроле наружным осмотром выявляют наросты, непокрытые места, отслаивание, чешуйчатость, раковины, следы шелушения и другие дефекты.

  Упрочнение хромированием широко применяют в машиностроении и приборостроении для повышения износостойкости цилиндров и двигателей, поршневых колец, плунжерных пар топливных насосов дизелей и других деталей, а также при изготовлении и ремонте режущего, измерительного инструмента и штампов.

  При хромировании калибров, пробок, скоб, крепежных деталей, арматуры толщина слоя хрома 3—10 мкм; деталей, работающих при давлении выше 2,5 МПа с динамическими нагрузками и нагревом [пресс-форм для литья под давлением, пуансонов, матриц для алюминия, режущего инструмента (развертки, . фрезы, прошивки, зенкеры)] — 15 мкм; деталей, у которых хромированная поверхность соприкасается с металлом, парами и газами под давлением и покрытие подвергается нагреву (пресс-форм для пластмассы, формовочных штампов, сопел) —30—50 мкм; деталей, работающих при средних давлениях (0,5—2,5 МПа), например, шеек роторов, шпинделей, пальцев и валиков в шарнирах, соединительных пальцев, поверхностей шеек и кулис, 50—60 мкм; деталей, работающих на изнашивание поверхности при давлении 0,5 МПа, например, измерительных инструментов (калибров, пробок, скоб, направляющих валиков и втулок) — до 80 мкм; деталей, работающих без динамических нагрузок и без перемещений хромированной поверхности (гнезд подшипников, деталей, требующих доводки) —до 100 мкм; трущихся деталей станков, машин и механизмов (шеек валов и зубчатых колес, соединительных пальцев, валиков, щек кулис, шпинделей, шеек осей, реек, червяков)— 10—15 мкм; деталей, требующих восстановления размеров,

  прессовых и плотных соединений, гнезд шарикоподшипников — до Ш00 мкм; цилиндров двигателей внутреннего сгорания — 20—50 мкм; вытяжных и обрубных штампов — 3—10 мкм; пресс-форм для пластмасс, резины и стекла — 40—60 мкм; пресс-форм для литья металла под давлением — 10—20 мкм.

  Качество хромирования зависит от выбора подвесного устройства, расположения анодов по отношению к покрываемой поверхности и защиты мест, не подлежащих покрытию. Подвесные устройства нужно конструировать так, чтобы между анодом и катодом (покрываемой поверхностью) было одинаковое расстояние по всему объему ванны, а электролит был ограничен не проводящими ток поверхностями, предотвращающими отклонение силовых линий. Утечка устраняется полной изоляцией одного из электродов. Для выхода газов, образующихся между анодом и катодом, можно делать отверстия в аноде. Равномерности отложения хрома, особенно при размерном хромировании, способствует установка в ванне экранов. Нехромируемые места обычно изолируют листовым целлулоидом, целлулоидными лаками (цапонлак, эмалит), полихлорвиниловым пластикатом.

  Для покрытия небольших участков крупных деталей (например, шеек длиной до 200 мм трансмиссионных и других валов длиной 5—10 м) целесообразно применять местное хромирование, без погружения в ванну всей детали.

  Большой интерес представляет хромирование деталей, работающих в условиях кавитационного разрушения. Стойкость молочного хромового осадка к кавитационно-му разрушению  не зависит от основного материала детали. Кавитационное разрушение молочного хрома в 13 раз меньше износа стали 45; в этом отношении он не уступает высокохромистым сталям 9X13, Х9С2, а также сталям У8, ШХ15, ХВГ, обработанным на высокую твердость. 
 
 
 

Твердое никелирование 

  Для повышения износостойкости трущихся поверхностей деталей и восстановления их размеров часто применяют твердое никелирование. Никелевые покрытия имеют меньшую твердость, чем хромовые, и обладают следующими преимуществами: они сравнительно легко обрабатываются, имеют большую вязкость при толщине слоя до 2 мм; коэффициент линейного расширения никеля близок к коэффициенту линейного расширения стали, в то время как у хрома он несколько раз выше.

  При твердом никелировании требуется в 3—4 раза меньше мощность источников постоянного тока, чем при хромировании, а расход энергии примерно в 20 раз меньше.

  Электролиты твердого никелирования имеют различные составы. На приборостроительных заводах рекомендуется использовать электролит следующего состава: 140 г/л серно-кислого никеля и 300 г/л щавелево-кислого аммония с кислотностью Н 7,5—8 при плотности тока 10 А/дм и температуре электролита 75—80°С. Скорость осаждения никеля в таком электролите 50—60 мкм/ч; получаемые осадки имеют микротвердость 5500—6500 МПа.

  Для повышения твердости и улучшения сцепляемости с основным металлом детали, покрытые твердым никелем, желательно в течение 1 ч подвергать термической обработке в муфельных печах при температуре 300—400°С. Это на 2000—2500 МПа увеличивает микротвердость покрытия и повышает коррозионную стойкость деталей.

  Технологический процесс твердого никелирования обычно включает следующие операции: механическую обработку для придания точности форме; устранение дефектов с поверхности, подлежащей покрытию, и получение необходимой чистоты; изоляцию мест, не подлежащих покрытию, обезжиривание деталей венской известью; промывку в холодной воде; электролитическое травление в серно-фосфорном электролите; промывку в горячей воде; осаждение на рабочую поверхность сплава никель—фосфор; термическую обработку при температуре 400 С в течение 1 ч (она увеличивает твердость слоя и прочность его сцепления с основанием на 20—30%); механическую обработку и окончательный контроль.

  Травление ведут в электролите, состоящем из одной части H₂S0₄ и четырех частей Н₃РО( при плотности тока 20 А/дм в течение 2,0—2,5 мин. При выборе твердого никелирования как способа восстановления размеров и повышения износостойкости деталей следует учитывать, что в зависимости от состава электролита и режимов обработки физико-механические свойства осажденного сплава никель—фосфор резко изменяются. Так, с увеличением содержания фосфора в покрытии его твердость возрастает: при отсутствии фосфора она составляет HRC₃ 32, а при содержании 1,5% фосфора HRCs 57. Количество фосфора в сплаве регулируют путем изменения концентрации гипофосфита в электролите; увеличение концентрации от 0,08 до 10 г/л повышает содержание фосфора в покрытии.

  Коррозионная стойкость фосфористо-никелевых покрытий в условиях окружающей среды и в водопроводной воде выше хромовых и обычных никелевых покрытий. Прочность сцепления с мало- и среднеуглеродистыми сталями 120—140 МПа, с легированными 70—90 МПа. Коэффициент трения стали по чугуну на 30% ниже коэффициента трения стали по хрому; коэффициент трения хрома по бронзе несколько выше. При трении без смазочного материала износостойкость покрытия в 2,5—3 раза выше, чем износостойкость закаленной стали 45, и на 10— 20% ниже, чем износостойкость хрома. Покрытия из фосфористого никеля меньше снижают усталостную прочность, чем хромовые и обычные никелевые. Изнашиваемость сопряженных деталей из различных металлов при работе по фосфористо-никелевым покрытиям в 4—5 раз меньше, чем при работе по стали, и на 20—40% меньше, чем при работе по хрому.

  Упрочнять и восстанавливать твердым никелированием можно детали типа коленчатых валов, шпинделей металлорежущих станков, поршневых пальцев, гильз цилиндров, поршней гидравлических машин, направляющих втулок. Твердое никелирование можно применять также при ремонте неподвижных посадок и деталей приборов. При восстановлении таких деталей, как шпиндели металлорежущих станков, шейки коленчатых валов, гильзы цилиндров, осаждают слой твердого никеля толщиной 0,75—1,25 мм.

Борирование 

Электролитическое борирование заключается в том, что в результате электролиза расплавленной буры Na2B₄0/ создается элементарный бор, которым в момент выделения диффундирует в металл, образуя на его поверхности бориды железа, а при наличии углерода — карбиды бора. При электролитическом борировании плотность тока 0,20—0,25 А/дм.

Температуру электролита регулируют с помощью реле и контактного терморегулятора. Питается установка постоянным током.