Хромирование

Электролитический хром — серебристо-белый металл с синеватым оттенком, отличающийся высокой твёрдостью, низким коэффициентом трения, высокой коррозионной стойкостью и износостойкостью. Наряду с этим осадки хрома обладают большой хрупкостью, плохо смачиваются маслом. Твердость хрома колеблется в широком интервале от 300 до 1100 кГ/кв. мм Температура плавления хрома 1750—1800С. Плотность 6,9—7,1 г/куб. см

В атмосферных условиях хром сохраняет цвет и блеск длительное время, что объясняется образованием на его поверхности тонкой и прозрачной, но очень прочной окисной пленки. Эта плёнка обеспечивает высокую коррозионную стойкость хромового покрытия. При высоких температур окисляемость хрома возрастает незначительно; только при температуре более 400°С на поверхности покрытия появляются цвета побежалости. Хром обладает коррозионной стойкостью по отношению ко многим химическим соединениям (сероводороду и сернистому газу, растворам щелочей, азотной кислоты, органических кислот и др.). В соляной и горячей концентрированной серной кислоте хром растворяется энергично.

Электролитические осадки хрома, как правило, имеют тончайшие трещины, которые делают хромовое покрытие пористым. Во влажном воздухе или в других окислительных средах хромовые покрытия по стали образуют гальваническую пару сталь- хром, в которой хром является катодом, а сталь — анодом. Поэтому защитные хромовые покрытия должны быть беспористыми; в противном случае стальная деталь, покрытая хромом, будет подвергаться коррозии.

Электролитический хром хорошо сцепляется со сталью, никелем, медью и ее сплавами при тщательном проведении подготовительных операций и соблюдений установленного режима хромирования.

По назначению хромовые покрытия подразделяют на износостойкие (твердые) и защитно-декоративные. Износостойкие покрытия применяют для восстановления изношенных поверхностей деталей, а также для повышения износостойкости деталей и инструмента с целью увеличения срока их службы (долговечности). Износостойкие хромовые покрытия могут быть двух видов: гладкие и пористые. Последние наносятся на поверхности деталей, работающие в условиях высоких удельных нагрузок и граничного трения: цилиндры, поршневые кольца двигателей и др. Защитно-декоративные покрытия характеризуются долговечностью и применяются для защиты дета лей от коррозии и придания им красивого внешнего вида.

Для подготовки деталей к гальваническим покрытиям применяют специальные шлифовально-полировальные станки и шлифовальные машинки.

Хромирование деталей производят в ваннах. Корпус ванны представляет собой сварной бак прямоугольной формы, изготовленный из листовой стали толщиной 4…6 мм. Корпус вставлен в другой стальной сварной бак, являющийся кожухом. Пространство между корпусом ванны и кожухом заполнено водой, служащей для равномерного подогрева электролита и поддержания его о температуры в заданных пределах. Воду, находящуюся в кожухе, подогревают с помощью пара или электричества. Для предохранения внутренней поверхности стенок ванны от агрессивного воздействия электролита ее выкладывают (футеруют) материалом, обладающим химической стойкостью по отношению к электролитам и достаточной механической прочностью: свинцом, винипластом, асбовинилом, кислотоупорными плитками на специальной замазке и др.

При хромировании применяют нерастворимые аноды из свинца или сплава свинца с 6% сурьмы. Катодом служит покрываемая деталь.

Ванны для химического и электрохимического декапирования (травления) изготовляют сварными из листовой стали толщиной 3…4мм и облицовывают изнутри вулканизированной резиной. Ванны для электрохимического декапирования отличаются от ванн химического декапирования наличием анодных и катодных штанг.

Ванны для химического и электрохимического обезжиривания в щелочных растворах также делают сварными из листовой стали, они не требуют специальной облицовки. для нагрева раствора в ванне монтируют змеевики, по которым пропускают пар или горячую воду. С целью уменьшения теплопотерь ванн рекомендуется обкладывать снаружи теплоизоляционным материалом. Ванны для электрохимического обезжиривания отличаются от ванн химического обезжиривания наличием анодных и катодных штанг.

Ванны хромирования, декапирования (травления) и обезжиривания оборудованы вентиляционными бортовыми отсосами для удаления вредных испарений. Ванны для промывки представляют собой обычные сварные стальные баки прямоугольной формы. Размеры ванн выбирают в зависимости от габаритных размеров и количества хромируемых деталей. Внешнюю поверхность их окрашивают кислотоупорным лаком для защиты от коррозии. Все ванны, к которым подводится электрический ток, устанавливают на изоляторах (во избежаниё утечки тока и нарушения режима электролиза), а остальные на металлических подставках.

Для обезжиривания деталей перед хромированием можно использовать ультразвуковые установки.

Для питания гальванических ванн постоянным током применяют низковольтные агрегаты или выпрямители. Напряжение выпрямленного тока 6…25В; сила тока — от 200 до 1000А.

Технологический процесс нанесения хромового покрытия можно подразделить на три стадии: подготовку деталей к нанесению покрытия, нанесение покрытия и обработку деталей после нанесения покрытия.

Подготовка деталей к нанесению хромового покрытия включает в себя механическую обработку, монтаж деталей на подвески, обезжиривание, изоляцию мест деталей и подвесок, не подлежащих хромированию, и декапирование.

Механическая обработка поверхностей деталей под хромирование, осуществляется обычно шлифованием с последующим полированием. После механической обработки на поверхности детали не должно быть рисок, трещин, царапин, так как хромовое покрытие хорошо воспроизводит все неровности. При износостойком хромировании покрываемая поверхность должна иметь правильную геометрическую форму и требуемую шероховатость. Перед защитно-декоративным покрытием хромом поверхность детали должна быть тщательно отполирована с целью сглаживания мельчайших неровностей и получения блестящей зеркальной поверхности. Если на хромируемую поверхность предварительно нанесен слой меди и никеля, то ее также полируют. Полирование производят фетровыми войлочными или матерчатыми (из парусины, брезента, бязи, фланели и других подобных материалов) кругами.

Хромовые ванны обладают низкой рассеивающей способностью. Поэтому для получения равномерного слоя хромового покрытия необходимо, чтобы расстояние между поверхностью катода (детали) и анода всюду было одинаковым с тем, чтобы плотность тока на хромируемых поверхностях также была по возможности одинаковой. При хромировании деталей сложной конфигурации для получения равномерного осадка часто применяют аноды, форма которых соответствует форме хромируемых поверхностей..

Требуемое расположение анодов в ванне относительно хромируемых деталей обеспечивается с помощью подвесных приспособлений. Наряду с этим их конструкция должна предусматривать надежное закрепление детали, хороший электрический контакт, а также возможность легкого монтажа и демонтажа деталей. Поперечное сечение токоподводящих частей подвесных приспособлений должно быть рассчитано на требуемую силу тока без значительного их нагревания. Для небольших деталей приспособлений рекомендуется делать многоместными. Детали на подвесных приспособлениях должны быть расположены так, чтобы не экранировали одна другую, а образовавшиеся на катоде газы легко удалялись с их поверхности. Последнее обстоятельство заставляет завешивать детали цилиндрической формы в ванну в вертикальном положен. После монтажа на подвесные приспособления детали обезжиривают органическими растворами (бензин, четыреххлористый углерод. и др), химическими моющими средствами и с помощью ультразвука. Сущность каждого из этих способов подробно рас смотрена в главе 5.

Кроме перечисленных способов обезжиривания для подготовки деталей к гальваническим покрытиям широко применяют электрохимическое обезжиривание.

Некоторые детали (имеющие части из резины или пластмассы, а также места, покрытые защитным лаком) нельзя обезжиривать в горячих щелочных растворах. Обезжиривание таких деталей производят венской известью (смесь окиси кальция и магния, разведенной в воде до густоты кашицы). Обезжиривание производят вручную, растиранием венской извести по поверхности детали волосяными щетками.

После обезжиривания детали тщательно промывают водой. Следует иметь в виду, что промывка в воде относится к процессам подготовки поверхностей деталей перед покрытием. Она производится также после осаждения металла целью промывок в горячей и холодной воде- удаление с поверхностей деталей остатков кислых и щелочных растворов, которые могут загрязнять гальваническиё ванны.

Признаком хорошего обезжиривания, независимо от применяемого способа очистки, служит полная смачиваемость поверхностей деталей водой.

После обезжиривания и промывки в воде места детали и подвески, не подлежащие хромированию, покрывают специальным изоляционным лаком. Рекомендуется цапон-лак (целлулоид, растворенный в ацетоне), эмалит или перхлорвиницовый лак. Лак наносится кистью в 2-З слоя. После нанесения каждого слоя его просушивают, детали с двумя-тремя слоями лака подвергают сушке в сушильном шкафу в течение 2…3 ч при температуре 40…60С. Для изоляции деталей используют также пластикат, целлулоид (смытую фотокинопленку), тонкий листовой свинец, хлорвиниловые трубки и др.

Заключительной операцией подготовки деталей является декапирование, которое производят электрохимическим или химическим путем. Декапированием называется процесс удаления с поверхности деталей тончайшей окисной пленки, образующейся в промежутках между операциями. При декапировании происходит легкое протравливание верхнего слоя металла и выявление его структуры, что способствует прочному сцеплению покрытия с основой. Операция декапирования осуществляется непосредственно перед загрузкой деталей в ванны для хромирования. Химическое декапирование производится в слабом растворе (5—7%-ном) соляной или серной кислоты или в смеси растворов этих кислот путем погружения деталей на 15…20сек и после промывки их в проточной холодной воде. Электрохимическое декапирование более эффективно, чем химическое. Его производят непосредственно в ванне хромирования или в специальной ванне с хромовым электролитом. Обрабатываемая деталь служит анодом, а свинцовая пластина — катодом. Плотность тока Да = 5—10 А/кв.дм Продолжительность процесса 30—60 сек. После анодного декапирования в хромовом электролите детали в воде не промывают, а переносят сразу в ванну хромирования.

Нанесение хромового покрытия состоит из операций загрузки деталей в ванну, выдержки в ванне при заданных режимах и выгрузки. Время выдержки в ванне зависит от требуемой толщины покрытия. Износостойкое хромовое покрытие наносят непосредственно на поверхность детали без подслоя, т. е. оно является однослойным.

При защитно-декоративном хромировании покрытие поверхности детали делают обычно многослойным по схеме: медь — никель — хром или никель — медь — никель — хром. Это связано с тем, что хромовое однослойное покрытие, являясь пористым, не может обеспечить надежную защиту основного металла от коррозии.

Детали, закрепленные на подвесных приспособлениях, погружают в хромовую ванну, подвешивают на катодную штангу и выдерживают их в электролите (без тока) с целью прогрева в течение 3—5 мин. Прогрев деталей до температуры электролита уменьшает величину внутренних напряжений в осажденном слое хрома. Затем включают электрический ток, сила которого должна быть в 1,5 раза больше заданного технологическим процессом.

Через 1—2 мин силу тока снижают до нормальной. Этот толчок тока в начале электролиза обеспечивает осаждение хрома на углубленных участках детали сложной конфигурации. Как было отмечено, при хромировании применяют нерастворимые аноды. Работа с ними требует частого корректирования электролита, т.е. пополнения выделяющегося при электролизе хрома. Поверхность анодов должна быть больше хромируемой поверхности деталей катода в 1,5…2 раза. По окончании процесса хромирования подачу электрического тока прекращают и подвесные приспособления с деталями вынимают из ванны.

для хромирования наиболее часто применяются электролиты, состоящие из водного раствора двух компонентов— хромового ангидрида (Сг0 и серной кислоты. Концентрация хромового ангидрида в электролите может быть различной. Однако для обеспечения качественного покрытия отношение количества хромового ангидрида к серной кислоте должно составлять в электролите 100: 1. Нарушение состава электролита вызывает уменьшениё производительности процесса (выхода хрома по току).

Особенно большое влияние на работу хромовых ванн оказывают плотность тока и температура электролита; при этом оба фактора взаимозависимы: при изменении одного надо изменять и другой. Для данной установленной плотности тока колебание температуры ванны при хромировании допускается в пределах 1С.

Условно покрытия делят на следующие: молочные, блестящие и матовые. Молочные получаются при температуре электролита 65°С и выше и сравнительно невысоких плотностях тока; они имеют твердость НВ 250—750, пластичны, характеризуются отсутствием сетки трещин в тонких слоях. Блестящие покрытия образуются при температурах электролита 45…60С и средних плотностях тока; они имеют твердость НВ 750…900 и развитую сетку трещин (пористы). Матовые покрытия получаются при высокой плотности тока и сравнительно низкой температуре, имеют высокую твердость, хрупкость и сетку трещин. Следует отметить, что в одном и том же электролите, изменяя лишь режим, можно получить разл. хромовые покрытия. Толщина слоя защитно-декоративного покрытия составляет 0,001—0,002 мм, износостойкого —0,4—0,5 мм. При большей толщине-некачественны.

Электролиты для хромирования имеют ряд недостатков; низкий выход метал по току (12...16%), ограниченную толщину осаждаемого слоя (не более 0,5 мм), необходимость частого их корректирования вследствие неустойчивости состава. Поэтому представляет большой интерес электролит, свободный от указанных недостатков. Он получил название саморегулирующегося.

Саморегулирующиеся электролиты успешно применяются при хромировании деталей на авторемонтных заводах.

Оптимальный режим работы ванны: температура 55…65°С, плотность тока Д = 60—90А/кв.дм

Хорошие результаты получаются в ваннах, изготовленных из листовой нержавеющей стали толщиной 10…12 мм. В этом случае футеровать внутреннюю поверхность ванны не требуется.

Стоимость хромового покрытия в саморегулирующемся электролите при прочих равных условиях на 30% ниже, чем в обычном. Рассеивающая и кроющая способность саморегулирующегося и обычного электролита примерно одинаковы. Отмеченные достоинства саморегулирующихся электролитов позволяют рекомендовать их для использования при износостойком хромировании.

Хромовое покрытие плохо смачивается маслами. Поэтому поверхности деталей, покрытые гладким хромом и работающие в условиях недостаточной смазки при высоких удельных давлениях, и температурах (верхние поршневые кольца, цилиндры, поршневые пальцы), не всегда обеспечивают требуемую работоспособность.

При этом наступает сухое или полусухое трение, в результате чего поверхностях деталей появляются задиры и другие повреждения.

Для устранения отмеченных недостатков хромовое покрытие делают пористым.

Пористое хромовое покрытие получают путем анодной обработки толщиной около 0,15 мм.При этом на поверхности гладкого хромового покрытия микроскопические каналы и трещины увеличиваются, образуя в верхнем слое хромового покрытия поры глубиной 0,04—0,06 мм. Таким. образом, покрытие пористым хромом состоит из двух слоев: нижнего — гладкого и верхнего — пористого. Как показывает опыт, поверхность детали, покрытая пористым хромом, хорошо удерживает смазку, легко прирабатывается и значительно увеличивает срок службы детали. После износа пористого слоя работа детали на трение продолжается вполне удовлетворительно. Полагают, что пористый слой хрома необходим лишь в период приработки поверхностей деталей.

Существует много разных способов оценки прочности сцеплений покрытия:

1. На хромированной поверхности детали от руки наносят стальным лезвием ряд пересекающихся между собой царапин с таким расчетом, чтобы глубина их достигала основного металла. Количество царапин и расстояние между ними не ограничивается. Если покрытие в местах пересечения царапин не отслаивается и не задирается- сцепление с основным металлом считается хорошим.

2. Абразивным кругом сошлифовывают часть покрытия с поверхности детали. После этого слой покрытия не должен иметь рваную кромку или отслаиваться.

З. Если деталь выполнена из листового материала, то хромированный образец ее изгибают под углом 90…180° несколько раз до излома. Сцепление считается хорошим, если прочная связь покрытия с основным металлом сохранилась на 95% длины излома.

Часто для оценки прочности сцепления используют удар бойка, свободно падающего с определенной высоты. При ударе покрытие не должно отслаиваться.

Механическая обработка деталей заключается в шлифовании или шлифовании с последующим полированием. Детали, покрытые пористым хромом, подвергают доводке помощью притиров и паст или хонингованию. После механической обработки остатки абразивных частиц удаляют из пор покрытия путем промывки деталей в бензине, содовом растворе или водных эмульсиях. Промытые детали обдувают сжатым воздухом.

Хромированием восстанавливают изношенные шейки валов под кольца подшипников качения, шейки поворотных кулаков, стержни клапанов и другие детали, для восстановления изношенного мерительного инструмента (скоб, шаблонов, калибров и др.) и деталей приспособлений. Защитно-декоративному хромированию подвергают буферы, ободки фар, рамки, различные декоративные накладки, детали арматуры…

Меднение как самостоятельный способ восстановления деталей не применяется.Медь- сравнительно мягкий металл с высокими пластическими свойствами; в атмосферных условиях она легко окисляется.

В ремонтном производстве этот процесс используют для получения подслоя при защитно-декоративном хромировании, а также для покрытия отдельных мест деталей, не подлежащих цементации. Толщина слоя в первом случае составляет 0,04 мм, во втором — 0,02…0,04 мм. Применение медного подслоя снижает расход никеля и хрома и уменьшает пористость многослойного покрытия. Использование его уменьшает также трудоемкость подготовительных работ, так как медь легко полируется.

Медные покрытия наносят в кислых и цианистых электролитах. Цианистые электролиты на ремонтных предприятиях почти не применяются, так как входящие в их состав цианистый натрий или цианистый калий являются сильнейшими и очень опасными ядами, работа с которыми требует особой осторожности и специальных условий.

Для меднения применяют стальные сварные ванны, футерованные внутри кислотостойкими материалами. Детали, подлежащие покрытию, завешивают на катод. Анодом служат пластины из катодной электролитической меди.

Никелирование. Никель — металл серебристо-белого цвета. Микротвердость гальванически осажденных никелевых покрытий зависит от электролита и колеблется в широких пределах.

Никелевые покрытия обладают коррозионной стойкостью в растворах ряда органических кислот и минеральных солей. Они устойчивы в растворах щелочей любой концентрации. Никелевые покрытия имеют мелкокристаллическую структуру и прекрасно полируются. Никелевые покрытия пористые и поэтому не защищают стальные детали от коррозии в атмосферных условиях, агрессивных средах, так как в гальванической паре никель — железо никель является катодом. Никелевые покрытия применяют как подслой при защитно-декоративном хромировании.

Следует отметить, что каждое в отдельности гальваническое покрытие меди, никеля и хрома почти всегда обладают некоторой пористостью. в связи с этим при защитно-декоративном хромировании применяют осаждение нескольких слоев различных металлов. Беспористость многослойных покрытий обусловлена тем, что поры смежных слоев гальванических покрытий не совпадают.

Никелирование производят в стальных сварных ваннах, имеющих внутри такую же кислотостойкую футеровку, как и ванны для сернокислого меднения. Анодом служат никелевые пластины.

Существует много различных электролитов для никелирования. Наибольшее распространение получили сернокислые электролиты.

Для интенсификации процесса никелирования применяют никелевые ванны с подогревом, интенсивным перемешиванием электролита и непрерывной фильтрацией раствора для очистки от механических примесей. Это позволяет повысить плотность тока при никелировании и увеличить производительность процесса в 8 раз. Для сокращения времени осаждения никеля применяют также реверсирование тока (периодическое изменение полярности электродов) на ванне. Реверсирование позволяет увеличить плотность тока. При реверсировании тока никелевое покрытие получается более гладким и ровным и менее пористым, чем без реверсирования. Реверсирование осуществляют с помощью специальных устройств. Выход по току при никелировании составляет 70—95%.