Совершенствование технологического процесса гальванического цинкования деталей транспортно-технологических машин и комплексов

УДК 621.357.54

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ГАЛЬВАНИЧЕСКОГО ЦИНКОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ ТРАНСПОРТНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН И КОМПЛЕКСОВ

Ю. А. Захаров, И. А. Спицын, Е. В. Ремзин, Г. А. Мусатов

IMPROVEMENT OF TECHNOLOGICAL PROCESS GALVANIC GALVANISING OF DETAILS OF TRANSPORT TECHNOLOGICAL MACHINES AND COMPLEXES

Yu. A. Zakharov, I. A. Spitsyn, E. V. Remzin, G. A. Musatov

Аннотация. Актуальность и цели. Технологический процесс осаждения цинка на восстанавливаемые детали - весьма сложный и малопроизводительный, поэтому работа по его совершенствованию является актуальной. Цель работы - совершенствование технологического процесса гальванического цинкования деталей транс-портно-технологических машин и комплексов. Материалы и методы. Анализ информации, полученной из литературных источников и в результате проведения экспериментальных исследований, позволил выделить пути достижения поставленной цели работы. Результаты. В статье рассматриваются способы обеспечения высокой прочности сцепления цинка с основой. Обосновывается возможность сокращения количества операций и повышения надежности предлагаемого усовершенствованного процесса цинкования, который можно применять в авторемонтном производстве. Выводы. Таким образом, предварительная подготовка деталей к электролитическому цинкованию играет огромную роль в получении высокой прочности сцепления покрытия с основой. Сокращение количества операций в структуре технологического процесса значительно повышает надежность и положительно влияет на прочность сцепления цинка с основой.

Ключевые слова: анодное травление, осаждение, электролит, прочность сцепления, электрохимическая обработка, технологический процесс.

Abstract. Background. Technological process of sedimentation of zinc on the restored details is very difficult and unproductive therefore work on its improvement is actual. The work purpose is improvement of technological process of galvanic galvanizing of details of transport technological machines and complexes. Materials and methods. The analysis of information received from references and in result of carrying out pilot studies allowed to allocate ways of achievement of a goal of work. Results. In article it is considered ways of ensuring high durability of coupling of zinc with a basis. Possibility of reduction of number of operations and increase of reliability of the offered advanced process of galvanizing which can be applied in car repair production locates. Conclusions. Thus, preliminary preparation of details for electrolytic galvanizing plays huge role in obtaining high durability of coupling of a covering with a basis. Reduction of number of operations in structure of technological process, considerably increases reliability and positively affects durability of coupling of zinc with a basis.

Key words: anode etching, sedimentation, electrolyte, coupling durability, electrochemical processing, technological process.

Сцепление металла покрытия с металлом детали обусловливается их межмолекулярным взаимодействием [1-3]. Межмолекулярные силы заметно проявляются, только если расстояние между атомами составляет не более 5х10-5 мкм. Они убывают пропорционально третьей степени межатомного расстояния. Покрываемым поверхностям придают необходимую шероховатость. С них удаляют различные загрязнения, жировые и оксидные пленки. Металл осаждается на активном чистом катоде, свободном от чужеродных частиц. В результате покрытие физически сращивается с основным металлом настолько прочно, что не отслаивается от детали даже при ее разрушении, и работает как одно целое с основным металлом. Нарушение технологии подготовки уменьшает его сцепляемость и может привести к отслаиванию от детали.

Подготовка поверхностей деталей к электролитическому цинкованию заключается в их механической обработке, обезжиривании и травлении с промежуточными промывками [1].

Механическая обработка предназначена для удаления с покрываемой поверхности следов износа и придания поверхностям детали правильной геометрической формы. В процессе восстановления детали обычно шлифуют до шероховатости, соответствующей 6...7 квалитету, или зачищают шкуркой (при небольших равномерных износах). Промывки органическими растворителями (бензином, керосином и др.) применяют тогда, когда необходимо дополнительно очистить деталь от грязи и масла [3].

Обезжиривание проводится с целью очистки поверхности от различных жиров, окислов и других загрязнений. Все загрязнения при попадании в электролит снижают его качество, а жировые пленки, изолируя металл от электролита, препятствуют осаждению покрытия.

Наибольшее распространение в ремонтном производстве получило щелочное обезжиривание, которое выполняется химическим или электрохимическим способами [3].

При химическом обезжиривании детали загружают в горячий щелочной раствор и выдерживают в нем определенное время. Также протирают поверхность детали венской известью. Этот способ дает отличные результаты и иногда незаменим при обезжиривании отдельных участков крупных деталей сложной конфигурации.

Сущность электрохимического обезжиривания заключается в том, что детали, погруженные в щелочной раствор, включают в цепь электрического тока в качестве анода и катода. Наиболее часто в этих целях применяются комплексные электролиты, состоящие из каустической и кальцинированной соды, тринатрийфосфата и жидкого стекла [3].

Исследованиями установлено, что высокое качество очистки достигается в щелочном растворе следующего состава (г/л): Ка2С03 - 30-50, №3Р04 • 12Н20 - 15-25, №0Н - 30-50, - 2-3 при температуре

(55 ± 1) К. Время очистки чугунных деталей на катоде составляет (10 ± 2) мин при плотности тока 10-14 А/дм2.

Известны примеры проведения электрохимического обезжиривания покрытия перед нанесением цинконикелевого покрытия в растворе следующего состава: сода каустическая - 35-40 г/л, сода кальцинированная -

25-30 г/л, тринатрийфосфат - 15-20 г/л, стекло жидкое - 2-3 г/л при температуре 65-70 °С и плотности тока 12-16 А/дм2 [1-3].

Для удаления окисных пленок, образующихся на поверхности металла под воздействием окружающей среды или в процессе обработки, а также для выявления структуры металла проводят химическое или электрохимическое травление [3].

Химическое травление черных металлов проводится в основном в растворах соляной, серной кислот и их смесях. Фосфорная, азотная и плавиковая кислоты находят ограниченное применение. Это обусловлено тем, что при травлении в фосфорной и плавиковой кислотах образующиеся на поверхности деталей пленки фосфатов фторидов железа препятствуют прочному сцеплению покрытий с основой, а азотная кислота сильно разъедает и окисляет поверхность. Кроме того, все они чрезвычайно ядовиты.

Процесс химического травления малопроизводителен. В растворах быстро накапливаются ионы железа, что требует частой их замены. Независимо от того, в какой кислоте проводится травление, оно сопровождается выделением водорода, который, проникая в металл, повышает его хрупкость, уменьшает вязкость и прочность, что оказывает большое влияние на эксплуатационные характеристики деталей, особенно работающих при знакопеременных нагрузках.

Электрохимический способ травления уменьшает время обработки деталей, снижает расход материалов, позволяет обрабатывать материалы различного химического состава. Применяются два способа электрохимического травления: анодный и катодный [3].

Катодное травление не применяется для подготовки изношенных деталей машин к нанесению покрытий, его целесообразно применять для полированных деталей и деталей высокой точности.

Анодное травление улучшает некоторые механические свойства металла за счет удаления поверхностного слоя, обогащенного внутренними дефектами и концентраторами напряжений, а также исключает наводораживае-мость металла. Анодное травление проводят в 30 %-м растворе серной кислоты при температуре 291-298 К и анодной плотности тока 18-20 А/дм2 в течение 1,5-2,0 мин. Через некоторое время после начала травления напряжение на ванне повышается, а сила тока снижается. Это объясняется переходом металла из активного состояния в пассивное и сопровождается бурным выделением кислорода. Пузырьки последнего срывают травильный шлам, и обрабатываемая поверхность становится чистой, с отчетливо выявленной кристаллической структурой и специфическим микрорельефом.

Качество обработки контролируют визуально: для правильно протравленных деталей характерна матовая светло-серая поверхность без блеска, темных пятен и следов травильного шлама.

В ремонтном производстве для повышения надежности процесса также применяется электрохимическое анодное травление непосредственно в электролите осаждения [1-5]. Применение такого анодного травления позволяет сократить количество основных и вспомогательных подготовительных операций. Для нанесения цинковых гальванопокрытий такая обработка мало изучена.

На основании априорных данных составлена табл. 1, в которой приведены схемы технологических процессов подготовки чугунных корпусных деталей к электролитическому цинкованию в проточном электролите [3].

Таблица 1

Схемы технологических процессов подготовки чугунных корпусных деталей к цинкованию в проточном электролите

Наименование операций и переходов Схемы

1 2 3 4

Механическая обработка + - + +

Зачистка наращиваемой поверхности наждачной шкуркой + + - +

Обезжиривание химическое - - - +

Промывка холодной водой - - - +

Установка приспособления для цинкования + + + +

Обезжиривание электрохимическое + - + -

Промывка горячей водой + - + -

Промывка холодной водой + - + -

Анодная обработка в 30 %-м растворе серной кислоты + - + +

Анодная обработка в сернокислом электролите цинкования - - - -

Промывка холодной водой - - + +

Анодная обработка совместно с обезжириванием - + - -

Промывка холодной водой + + - -

Промывка горячей водой + + - -

Промывка холодной водой - + - -

Подача сернокислого электролита цинкования и выдержка без тока + + + +

Подача сернокислого электролита цинкования и выход на режим + + + +

Технологические процессы подготовки чугунных корпусных деталей к проточному цинкованию требуют большого расхода воды для промывки ячеек и шлангов, что в конечном итоге увеличивает загрузку очистных сооружений. Вода является основным компонентом, оказывающим влияние на себестоимость гальванических покрытий.

Рациональное использование воды является важной экологической и экономической проблемой. Сокращение расхода промывных вод и стоков значительно уменьшает затраты на очистку и подготовку воды, а также дает большую экономию реагентов, расходуемых на приготовление растворов и на обработку стоков. Особое внимание этому вопросу следует уделять еще и потому, что при сравнительно небольшом проценте (до 15 % общего стока) на них приходится основная доля затрат (до 80 %) по очистке. Поэтому важной задачей является разработка таких технологических процессов нанесения гальванопокрытий с минимальным расходом воды и малым процентом отходов, которые в то же время позволяют получать прочно сцепляющиеся покрытия цинка с основой. Кроме того, технологические процессы подготовки деталей подразумевают создание сложных установок и перепускных устройств. В электролитическую ячейку поочередно подаются растворы, различные по своей природе и температурному режиму, что неизбежно приводит к их смешиванию, нарушению стабильности их состава, ухудшению технологических свойств, качества и прочности сцепления покрытия с основой.

Значит, высокую прочность сцепления покрытия с основой можно получить лишь при строгом соблюдении режимов подготовки. Однако и выполнение этих условий не всегда дает положительные результаты по получению прочносцепляющихся осадков. Видимо, на стабильность процесса оказывают воздействие какие-то случайные, неконтролируемые факторы.

Возможно оценивать получаемую прочность сцепления покрытия с основой с точки зрения теории надежности. Под технологической надежностью процесса подготовки деталей к цинкованию подразумевается процент восстановленных деталей с высокой прочностью сцепления [3]. Сам процесс подготовки представляет собой техническую систему, в которой в качестве элементов выступают операции. Надежность технической системы определяется количеством и надежностью элементов, их функциональной связью. А надежность самих элементов определяется технологическими факторами (температура, плотность тока, время обработки и т.д.) и зависит от качества проведения предшествующей операции. Отказ любого из элементов вызывает отказ всей технической системы. Иными словами, связь между элементами системы последовательная и к ней можно применить вторую теорему вероятностей, согласно которой вероятность совместного появления нескольких зависимых событий равна произведению вероятности одного из них на условные вероятности всех остальных. Принимая вероятность качественного проведения механической обработки, зачистки поверхности наждачной шкуркой и установки приспособления для цинкования равной 1, получим для схемы 1 (см. табл.1):

РсцКО = Роб(0  Рпр1(0  Рпр2(0  Ртр(0  Рпр3(^)  РирДО  Рвыд(0 ' Рвых(0,

где рОб(0 - безусловная вероятность безотказного выполнения обезжиривания; Рпр1(0..рвых(0 - условные вероятности.

Для априорной оценки принимаем вероятность безотказной работы каждого из рассматриваемых элементов за достаточно большой промежуток времени равной 0,99. Тогда значение этой оценки будет следующим:

Рщ1(0 = 0,998 = 0,92; Р^О = 0,996 = 0,94; Р^) = 0,997 = 0,93; Р^) = 0,996 = 0,94.

Следовательно, не менее 6 % брака по прочности сцепления заложено в структуре технологического процесса подготовки к цинкованию. Кроме этого, надежность технической системы зависит от стабильности и надежности каждого элемента и определяется во многом надежностью самого слабого из них. Под стабильностью и надежностью следует понимать изменение надежности элемента во времени. При подготовке корпусных деталей к цинкованию в проточном электролите по схемам 1-4 (см. табл. 1) надежность технической системы снижается из-за смешивания рабочих растворов, что приводит к потере их технологических свойств [1-3].

С целью совершенствования технологического процесса цинкования можно проводить операцию анодного травления непосредственно в электролите цинкования. При этом структурную схему подготовки детали можно представить следующим образом [1-3]:

1) механическая обработка;

2) обезжиривание поверхностей детали венской известью;

3) промывка в холодной воде;

4) анодное травление в сернокислом электролите цинкования;

5) удаление продуктов травления с покрываемых поверхностей и выход на режим;

6) цинкование.

Принимая надежность каждого элемента предлагаемой технической системы равной надежности элементов существующих систем (1-4) Р() = 0,99, получим априорную оценку технологической надежности результатов по прочности сцепления:

рпр (0 = Роб(0  Рпр(^)  Ртр(0  Рвых(^) = 0,994 = 0,96.

Таким образом, надежность предварительно предполагаемого технологического процесса на 2-4 % выше существующих.

Однако это возможно в том случае, если надежность введенных элементов будет не менее надежности замененных, т.е., например, по сравнению со схемой 3 (см. табл.1):

Ртр( 0 Рвых (0 > Ртр3(0  Рпр3( 0  Рвых3( 0.

Обязательным условием при этом является, по крайней мере, равенство количественных показателей по прочности сцепления покрытия с основой при существующем и предварительно предполагаемом технологическом процессе подготовки к цинкованию, что может быть записано как

Таким образом, предварительная подготовка деталей к электролитическому цинкованию играет огромную роль в получении высокой прочности сцепления покрытия с основой. Сокращение количества операций в структуре технологического процесса за счет замены анодного травления в растворе серной кислоты на травление в электролите осаждения значительно повышает надежность процесса подготовки поверхности к цинкованию и положительно влияет на прочность сцепления цинка с основой [3-6]. Также упрощается конструкция установки для проточного цинкования, что немаловажно для внедрения этого процесса в ремонтное производство [3, 6-8]. Кроме того, исключается применение агрессивных растворов кислот для промежуточных промывных операций, при этом сокращаются расход чистой питьевой воды, объем сточных вод, загрузка очистных сооружений и количество отходов, что имеет определенное значение в решении крупной проблемы по экономии природных ресурсов и материалов.

Список литературы

1. Захаров, Ю. А. Совершенствование технологии восстановления посадочных отверстий корпусных деталей проточным электролитическим цинкованием : дис. ... канд. техн. наук / Захаров Ю. А. - Пенза, 2001. - 170 с.

2. Захаров, Ю. А. Анализ способов восстановления посадочных отверстий корпусных деталей машин / Ю. А. Захаров, Е. Г. Рылякин, А. В. Лахно // Молодой ученый. - 2014. - № 16. - С. 68-71.

3. Захаров, Ю. А. Восстановление посадочных поверхностей корпусных деталей машин проточным гальваническим цинкованием / Ю. А. Захаров, Е. Г. Рылякин, И. Н. Семов // Молодой ученый. - 2014. - № 17. - С. 58-62.

4. Пат. 2155827 Российская Федерация, МПК 7С 25Б 5/06 А. Устройство для электролитического нанесения покрытий / И. А. Спицын, Ю. А. Захаров ; заявитель и

патентообладатель ФГОУ ВПО «Пензенская государственная сельскохозяйственная академия» (РФ). - № 99115796/02 ; заявл. 16.07.1999 ; опубл. 10.09.2000, Бюл. № 25 - 8 с.

5. Пат. 2503753 Российская Федерация, МПК: C 25 D 19/00. Устройство для гальваномеханического осаждения покрытий / Ю. А. Захаров, И. А. Спицын ; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «Пензенская государственная сельскохозяйственная академия» (RU). - № 2012149639/02 ; заявл. 21.11.2012 ; опубл. 10.01.2014, Бюл. № 1. - 9 с.

6. Рылякин, Е. Г. Повышение работоспособности гидропривода транспортно-технологических машин в условиях низких температур / Е. Г. Рылякин, Ю. А. Захаров // Мир транспорта и технологических машин. - 2014. - № 1 (44). - Январь-март. - С. 69-72.

7. Исследование изнашивания прецизионных деталей дизельной топливной аппаратуры / А. В. Новичков, Е. В. Новиков, Е. Г. Рылякин, А. В. Лахно, П. И. Анош-кин // Международный научный журнал. - 2014. - № 3. - С. 108-111.

8. Морфологический анализ методов поиска неисправностей транспортных средств / В. В. Лянденбурский, Ю. В. Родионов, С. А. Кривобок, П. А. Мнекин // Науковедение. - 2012. - № 4 (13). - URL: http://naukovedenie.ru/index.php7pHssue-4-12-technics.

Захаров Юрий Альбертович

кандидат технических наук, доцент, кафедра эксплуатации автомобильного транспорта, Пензенский государственный университет архитектуры и строительства E-mail: albertych1974@mail.ru

Спицын Иван Алексеевич

доктор технических наук, профессор,

кафедра основ конструирования

механизмов и машин,

Пензенский государственный университет

архитектуры и строительства

E-mail: spicn@mail.ru

Ремзин Евгений Викторович

студент,

Пензенский государственный университет архитектуры и строительства E-mail: avto@pguas.ru

Мусатов Григорий Анатольевич

студент,

Пензенский государственный университет архитектуры и строительства E-mail: avto@pguas.ru

Zakharov Yurij Albertovich candidate of technical sciences, associate professor, sub-department of maintenance of motor transport, Penza State University of Architecture and Construction

Spitsyn Ivan Alekseevich

doctor of technical sciences, professor,

sub-department of foundations

of design of mechanisms and machines,

Penza State University

of Architecture and Construction

Remsin Evgeny Viktorovich student,

Penza State University of Architecture and Construction

Musatov Grigory Anatoljevich student,

Penza State University of Architecture and Construction

УДК 621.357.54

Совершенствование технологического процесса гальванического цинкования деталей транспортно-технологических машин и комплексов / Ю. А. Захаров, И. А. Спицын, Е. В. Ремзин, Г. А. Мусатов // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. - 2014. - № 4 (12). - С. 105-111.