Получение хромовых покрытий с заданными свойствами методом гальваноконтактного осаждения

ПОЛУЧЕНИЕ ХРОМОВЫХ ПОКРЫТИЙ С ЗАДАННЫМИ СВОЙСТВАМИ МЕТОДОМ ГАЛЬВАНОКОНТАКТНОГО ОСАЖДЕНИЯ А.И. Болдырев, С.Ю. Жачкин, А.А. Болдырев, Н.А. Пеньков

В статье изложены результаты исследования процесса получения покрытий гальваноконтактным хромированием с одновременным управляемым массовым переносом инструментального вещества на катод. Определены технологические режимы и разработана технология получения покрытий с заданными свойствами

Ключевые слова: покрытия, гальваноконтактное осаждение, режимы, технология

Введение

В последнее время в промышленности все большее применение находит метод комбинированной гальваномеханической обработки деталей, заключающийся в совмещении процесса гальванического осаждения хрома с его одновременным послойным упругопластическим деформированием. Эти процессы характеризуются высокой производительностью и получением покрытий с повышенными физикомеханическими и эксплуатационными характеристиками. Сущность метода и технологические возможности его применения подробно изложены в [1].

В отличие от известных способов электрохимикомеханической обработки поверхностей [2] гальваномеханическая обработка относится к катодным процессам и используется, главным образом, при восстановлении деталей, в частности, хромированием. Наиболее перспективной разновидностью гальваномеханической обработки, обладающей большими технологическими возможностями, является способ галь-ваноконтактного осаждения [3], заключающийся в совмещении процесса гальванического нанесения покрытия и его одновременной механической обработкой в процессе осаждения с возможностью регулирования скорости восстановления конкретного участка поверхности детали, в зависимости от его износа. В качестве инструмента использовался синтетический композиционный материал (оксидно-карбидная минералокерамика марок ВОК 60 и В 3) обеспечивающий контролируемый управляемый массовый перенос вещества инструмента на катод в зависимости от степени его износа.

Болдырев Александр Иванович - ВГТУ, канд. техн. наук, профессор, e-mail: tm@vorstu.ru

Жачкин Сергей Юрьевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, e-mail: zhach@list.ru

Болдырев Александр Александрович - ВГТУ, аспирант, e-mail: alexboldyrev@yandex.ru

Пеньков Никита Алексеевич - ВГТУ, аспирант, e-mail: myth_np_nikit@mail.ru

Механизм формообразования поверхностного слоя

Сущность метода восстановления деталей гальваноконтактным осаждением заключается в одновременной обработке растущего слоя покрытия во время его гальванического осаждения инструментом специальной формы и химического состава, позволяющего осуществлять массовый управляемый перенос инструментального вещества на катод.

Схема обработки показана на рисунке. Деталь 1, закрепленная на шпинделе установки, совершает вращательные движения вокруг своей оси, а инструмент 2, с расчетным усилием, воздействуя на осаждаемое гальваническим способом покрытие, совершает возвратнопоступательные движения вдоль оси вращения детали. Процесс осуществляется в два этапа. Первый этап обработки характеризуется повышенным давлением инструмента, что приводит к массовому переносу мелкодисперсных частиц инструментального материала в покрытие. Однако длительность обработки покрытия с повышенным давлением приводит к переупроч-нению покрытия и, как следствие, к отслаиванию покрытия от основы. Второй этап восстановления осуществляется на нормальном давлении инструмента, что и обеспечивает получение качественных хромовых покрытий толщиной до 550 мкм на сторону с заданными физико-механическими свойствами.

Величина необходимого давления определяется по зависимости, предложенной в [1]:

(

T - TO lO h

\

•к

T

lOOO

l +

ms •h

2a

где Т - толщина покрытия, мкм;

То - элементарная толщина слоя покрытия,

которая не требует дополнительной регулировки давления инструмента, мкм;

s

к

l

Схема гальваноконтактного нанесения покрытия: 1 - заготовка; 2 - керамический притир; 3 - ванна с электролитом;

4,5 - электрод-инструмент;

Р - сила давления на притир

7 - толщина слоя покрытия, осаждаемого за одну минуту, мкм;

^ - площадь контакта инструмента с деталью, дм2;

<У8 - предел прочности наносимого материала, кг/см2;

- коэффициент контактного трения;

к - толщина слоя, осаждаемого за один оборот детали, мкм;

а - длина инструмента, мм.

Постоянное давление увеличивает глубину проникновения упругопластической деформации, что приводит к возникновению в каждом элементарном слое сжимающих остаточных напряжений, которые, суммируясь, дают общую картину сжимающих остаточных напряжений в покрытии.

При давлении инструмента ниже 0,5 МПа не происходит полного пластического деформирования растущих слоев осадка. В этом случае осаждаются покрытия с растягивающими остаточными напряжениями. С ростом удельного давления инструмента на обрабатываемую поверхность получаются, а затем и увеличиваются по величине сжимающие напряжения. Однако при давлениях свыше 3,5 МПа имеет место переупрочнение покрытия, сопровождаемое вспучиванием и шелушением.

Анализ экспериментальных данных по влиянию плотности тока на остаточные напряжения в покрытии позволил установить, что при малых плотностях тока, сжимающие напряжения создаются за счет упругопластической де-

формации растущих слоев осадка. Одновременно с осаждением покрытия происходит процесс внедрения в него мелкодисперсных частиц инструментального материала, что способствует равномерному распределению остаточных напряжений в покрытии по толщине. При увеличении плотности тока ускоряется процесс наращивания объема металла в единицу времени, но, вследствие постоянства давления инструмента, в покрытии снижается процентное содержание инструментального материала, что ведет к снижению величины сжимающих остаточных напряжений. При увеличении плотности тока до 24 кА/м2 и выше осаждаются покрытия с растягивающими остаточными напряжениями, ведущими к растрескиванию покрытий из-за превышения их предела прочности хрома.

Оптимальной плотностью тока для гарантированного получения сжимающих напряжений заданной величины является 18-20 кА/м2, при которой внедрение мелкодисперсных частиц инструментального материала в покрытие снижает величину усадки последнего в 1,2-1,3 раза и приводит к возникновению новых центров зарождения кристаллов, ведущих к дополнительному измельчению структуры покрытия.

С увеличением температуры рабочей среды с 50 до 80° С остаточные напряжения из растягивающих, уменьшаясь по абсолютной величине, переходят в сжимающие.

Производительность процесса гальваноконтактного осаждения

Плотность технологического тока у, температура рабочей среды (электролита) Т и давление инструмента р оказывают наибольшее влияние на производительность процесса [1]:

е = 2,086 + 0,042 • у - 0,007 • Т - 0,18 • р .

Корреляционный анализ показал, что зависимость производительности от исследуемых факторов носит линейный характер, а связь между факторами довольно сильная (множественный коэффициент корреляции - 0,99).

С повышением температуры рабочей среды производительность процесса падает, что объясняется увеличением пластичности хрома и более легкой пластической деформацией растущих слоев осадка. Увеличение плотности тока приводит к росту производительности и объясняется, видимо, ускорением роста кристаллов покрытия.

Однако увеличение давления приводит к уменьшению производительности процесса и объясняется, видимо, внедрением мелкодисперсных частиц инструмента в покрытие, которые препятствуют зарождению кристаллов осадка, а также увеличению пластической деформации покрытия.

Экспериментально установлено, что производительность процесса при нанесении покрытий по методу гальваноконтактного осаждения в 9-12 раз превосходит стандартную скорость осаждения покрытий при гальваническом хромировании [4].

Качество поверхностного слоя покрытия

В процессе электролиза при гальванокон-тактном хромировании высокопрочных сталей имеет место снижение физико-механических свойств материалов, что объясняется этих материалов к наводораживанию. Методами математического планирования экспериментов установлена корреляционная зависимость влияния технологических параметров электролиза на наводораживание И2 стальной основы [1]:

И2 = 15,13 + 0,44 • у - 0,31 • Т - 0,32 • р .

С увеличением температуры электролита наводораживание основы уменьшается, что связано с повышением пластичности хрома и более легким выходом водорода с поверхности. Минимальное наводораживание основы при восстановлении деталей хромированием достигается при температуре рабочей среды 60-65° С. Увеличение наводораживания основы с ростом плотности тока незначительно. Однако увеличение давления приводит к уменьшению наво-дораживания основы вследствие удаления пузырьков водорода с хромируемой поверхности в результате воздействия инструмента.

Корреляционный анализ зависимости шероховатости от исследуемых факторов

Яа = 0,126 + 0,0009 • у - 0,0012 • Т - 0,013 • р

показал, что наибольшее влияние оказывает давление инструмента, а наименьшее - плотность тока. Установлено, что восстановление поверхностей хромированием по методу галь-ваноконтактного осаждения позволяет достигать низких параметров шероховатости поверхности с Яа = 0,05-0,03 мкм и ниже. Это позволяет рекомендовать этот метод в качестве финишного метода обработки.

Микротвердость поверхностного слоя определяется в основном условиями электролиза и зависит от плотности тока, температуры электролита и его состава [1]. Зависимость микротвердости от исследуемых факторов имеет вид

И2 = 3205,08 -38,95 • у - 26,03 • Т +113,25 • р .

С увеличением температуры электролита микротвердость покрытий вследствие повышения пластичности хрома уменьшается. Максимальной микротвердости при обработке в каждом конкретном случае соответствует строго определенная плотность тока, ниже и выше которой наблюдается снижение микротвердости поверхности [5]. Увеличение давления инструмента несколько повышает микротвердость осадка, что объясняется искажением кристаллической решетки как вследствие деформации растущих кристаллов покрытия в процессе его нанесения, так и внедрением в осадок чужеродных включений [6].

Гальваноконтактное осаждение открывает уникальные возможности управления качеством поверхностного слоя наносимого покрытия, которое заключается в следующем:

1. Периодическое прерывание роста кристаллов хрома позволяет управлять процессом осадка, что обеспечивает образование мелкодисперсной структуры покрытия;

2. Тепловая энергия, выделяющаяся в процессе деформации растущих кристаллов покрытия, способствует более быстрому переходу гексагональной модификации хрома в более устойчивую кубическую. Этому же способствует и тепло, выделяющееся при трении инструмента по восстанавливаемой поверхности;

3. Применение технологии разноскоростного восстановления отдельных участков поверхности детали, в зависимости от их износа, позволяет полностью отказаться от механической обработки поверхностей деталей до восстановления и после него;

4. Исключение негативного влияния предварительной механической обработки на качество восстановленного слоя;

5. Возможность управления ориентацией и концентрацией внедряемых чужеродных частиц (инструмента) в покрытие позволяет увеличить твердость хромового покрытия по сравнению с твердостью покрытия, получаемого по стандартной технологии;

6. Наличие посторонних включений в покрытии позволяет снизить начальные напряжения в осадке, что благотворно сказывается на его качестве.

Технология гальваноконтактного осаждения

Технологический процесс должен обеспечивать получение покрытий с заданными физико-механическими свойствами. Авторами работ [6, 7] разработаны технологические рекомендации по размерному восстановлению деталей без предварительной и последующей механической обработки покрытия, на основании которых предложена технология восстановления деталей. Структура технологического процесса гальваноконтактного осаждения включает следующие этапы:

- подготовительный;

- нанесение изоляции поверхностей, не подлежащих покрытию;

- обезжиривание деталей;

- промывку;

- гальваноконтактное осаждение.

При правильном выполнении подготовительного этапа металл осаждается на чистом катоде, в результате чего покрытие сцепляется с основным металлом настолько прочно, что не отслаивается от детали даже при ее разрушении, т.е. покрытие работает как одно целое с основным металлом. Зачастую чугунные детали пропитываются маслом, поэтому перед нанесением покрытий особое внимание должно уделяться подготовке поверхности с позиции удаления различных загрязнений, жировых и окисных пленок. Подготовительный этап включает в себя следующие операции: механическую очистку деталей от грязи и масла, промывку органическим растворителем, сушку.

Поверхности деталей, не подлежащие покрытию металлом, изолируют диэлектрическим материалом. Изоляция сохраняет геометрические размеры непокрываемых участков деталей, уменьшает непроизводительные потери электрического тока и металла, защищает от коррозии внутренние поверхности деталей.

При выборе изоляционных материалов предъявляют следующие требования:

- материал должен быть химически устойчивым против длительного действия на него электролита;

- он не должен растворяться в электролите и засорять его продуктами растворения;

- в процессе электролиза изоляционный слой не должен пробиваться электрическим током и становиться пористым или хрупким;

- после нанесения покрытий изоляция должна быстро и легко сниматься с детали;

- материал должен быть дешевым.

Изоляцию выполняют постоянными изоляторами или различными изоляционными мате-

риалами. Постоянные многократные изоляторы изготовляют по форме защищаемой поверхности из текстолита, эбонита, винипласта, фарфора. В качестве изоляционных материалов применяют тонкую резину, листовой целлулоид, изоляционную ленту, полихлорвиниловые пла-стикаты, фторопласт-4, полиэтилен, эпоксидную смолу, перхлорвиниловую эмаль ПХВ-715 на растворителе № 646, смесь цапонлака и нитрокраски в отношении 1:2, церезин, пластизоль. Лакокрасочные изоляционные материалы наносят на детали пульверизатором или кистью в 23 слоя с промежуточной сушкой каждого слоя.

Жировые загрязнения животного и растительного происхождения удаляются растворами щелочей, а минерального происхождения -органическими растворителями. Часто применяется комбинированное обезжиривание: предварительная очистка в растворителях с последующим обезжириванием в щелочных растворах. Обезжиривание осуществляется по рекомендациям производственной инструкции ВИ-АМ [8] на специализированном оборудовании в специальных рабочих средах. После обезжиривания детали тщательно промываются сначала горячей (70-80° С), а затем холодной водой. При этом проверяется качество обезжиривания.

Восстановление герметичным хромированием гальваноконтактным осаждением осуществляется на следующих режимах [9]: плотность тока, кА/м2 18-20;

температура электролита, ° С 60-65;

давление инструмента, МПа 1,5-2,5;

скорость главного

движения, об/мин 100-150;

скорость вспомогательного

движения, дв.х./мин 100-160.

После обработки производится контроль геометрических параметров и качества покрытия.

Применение процесса в

промышленном производстве

Процесс нашел наиболее широкое применение в восстановительном производстве при размерном ремонте деталей гидропневмоаппаратуры, к которым предъявлялись высокие требования по хромовому покрытию. Так восстановлены рабочие штоки амортизаторов с нанесением гарантированного герметичного хромового покрытия толщиной до 200 мм на сторону. При этом шероховатость рабочей поверхности штока после обработки соответствовала Яа =

0,02-0,04 мкм, а точность - 7-9 квалитету. Предложенная технология восстановления методом гальваноконтактного осаждения позво-

лила практически избежать брака, сведя его к 3 % против 96 % по стандартной технологии.

Предлагаемым методом с применением разработанных специальных средств технологического оснащения восстановлены шток сервоклапана, гильза специзделия. силовой гидравлический шток и др. Эксплуатационные испытания показали повышенную износоустойчивость восстановленных поверхностей по сравнению с износоустойчивостью поверхностей хромированных по стандартной технологии и по технологии гальваномеханического хромирования. Полученные покрытия характеризовались 100 % герметичностью по слою хрома и повышенной адгезией к основе.

Процесс позволяет широко варьировать свойствами наносимого покрытия. Применяя рассчитанные режимные параметры обработки были получены как беспористые хромовые осадки, обеспечивающие герметичность хромового покрытия и устраняющие такое негативное явление в гидроаппаратуре как «течь по хрому», так и пористые осадки, применяемые для деталей, работающих в условиях дефецит-ности смазки.

Заключение

Предложеный комбинированный процесс позволяет получить структуру покрытия, близкую к аморфной, сжимающие остаточные напряжения порядка 300-400 МПа, высокую износостойкость, беспористость слоя, что особенно важно для изделий авиационной техники. Предельная толщина покрытия, достигнутая при рассматриваемом процессе, составила около 500 мкм, хотя, есть основания считать, что можно получать слой с толщиной до 1 мм и выше. После обработки достигается точность 56 квалитета и шероховатость поверхности Яа =

Воронежский государственный технический университет

0,02-0,04 мкм, что открывает возможность применять гальваноконтактное осаждение в качестве окончательной технологической операции, в том числе и восстановления геометрии изношенных деталей.

Литература

1. Жачкин С.Ю. Холодное гальваноконтактное восстановление деталей / С.Ю. Жачкин. Воронеж: ВГТУ, 2002. 138 с.

2. Теория электрических и физико-химических методов обработки. Обработка материалов с использованием высококонцентрированных источников энергии и комбинированными методами / В.П. Смоленцев, А.И. Болдырев, Е.В. Смоленцев и др.; под ред. А.И. Болдырева. Воронеж: ВГТУ, 2008. Ч. 2. 136 с.

3. Патент № 2224827 РФ, МПК С 25 Б 5/22. Способ гальваномеханического восстановления токопроводящих деталей / С.Ю. Жачкин, В.В. Лабузов, В.П. Смоленцев. А.И. Болдырев (РФ). Опубл. 2004, Бюл. № 6.

4. Жачкин С.Ю. Устранение брака по недохромиро-ванию при восстановлении методом ГМХ / С.Ю. Жачкин // Новационные технологии и управление в технических и социальных системах: тез. докл. межвуз. науч.-практ. конф. Воронеж: ВГТУ, 1999. С. 28-29.

5. Жачкин С.Ю. Особенности нанесения хромового покрытия при восстановлении инструментом на основе оксидно-карбидной минералокерамики / С.Ю. Жачкин, А.И. Болдырев, В.П. Смоленцев // Нетрадиционные технологии в технике, экономике и социальной сфере: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2000, с. 14-19.

6. Молчанов В. Ф. Восстановление и упрочнение деталей автомобилей хромированием / В.Ф. Молчанов. М.: Транспорт, 1981. 176 с.

7. Михайлов А. А. Обработка деталей с гальваническими покрытиями / А.А. Михайлов. М.: Машиностроение, 1981. 144 с.

8. ПИ № 1.2.187-81. Производственная инструкция ВИАМ. Хромирование. Введ. 01.07.83. 28 с.

9. Жачкин С.Ю., Болдырев А.И. Расчет электрических и химических параметров восстановления деталей по методу гальваноконтактного осаждения (ГКО) / С. Ю. Жачкин, А.И. Болдырев // Нетрадиционные методы обработки: сб. науч. тр. межд. конф. Воронеж: ВГТУ, 2002. С. 32-38.

PRODUCTION OF CHROMIUM COATINGS WITH PREDETERMINED PROPERTIES BY METHOD OF ELECTROPLATE CONTACT DEPOSITION A.I. Boldyrev, S.Yu. Zhachkin, A.A. Boldyrev, N.A. Penkov

The article deals with research results in process of chromium coatings production with simultaneous controlled mass transfer of tool substance to cathode. The authors determined technological modes and worked out engineering of producing surfaces with predetermined properties

Key words: coatings, electroplate contact deposition, modes, techniques