СПОСОБ ГАЛЬВАНО-МЕХАНИЧЕСКОГО ХРОМИРОВАНИЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ
METHOD FOR ELECTRO-MECHANICAL CHROMIUM-PLATING CYLINDRICAL ARTICLES

Изобретение относится к области защитных металлических покрытий и может быть использовано в области машиностроения, в частности для получения износостойких хромовых покрытий. Изобретение может быть использовано при изготовлении и ремонте как пустотелых цилиндрических изделий, например труб, гидравлических цилиндров, так и сплошных цилиндрических изделий в виде стержней и валов, а также длинномерных цилиндрических изделий, предназначенных для работы в жестких коррозионных условиях. Такими изделиями могут быть, например, штоки амортизаторов гусеничных и транспортных машин, штоки шахтной гидравлической крепи и других трущихся и изнашивающихся деталей различных машин.
В современном машиностроении и ремонтном производстве широко применяется гальвано-механическое хромирование для повышения износостойкости трущихся деталей и для восстановления размеров деталей, заниженных из-за износа или нарушения технологии их обработки. Обычно для этих целей применяют толстые (более 0,1 мм) хромовые покрытия, наращиваемые при значительных плотностях тока для ускорения процесса. К таким покрытиям применяют комплекс требований, которым все известные способы получения хромовых покрытий удовлетворяют только частично. Прежде всего, недостатком большинства способов является то, что по мере роста толщины покрытия шероховатость его резко увеличивается. Для ее устранения требуется трудоемкая операция шлифования поверхности покрытия, при которой неизбежно резко увеличивается микротрещиноватость, пористость покрытия, являющаяся причиной недостаточной коррозионной стойкости и защитной способности хромовых покрытий. После шлифования получается микрорельеф покрытия, который способствует быстрому износу контртела, например резинового уплотнения на штоке амортизаторов.
Известен способ гальвано-механического хромирования, заключающийся в том, что в процессе электроосаждения хрома на получаемое покрытие периодически воздействуют по заданному режиму вращающейся хонинговальной головкой, изготовленной из нерастворимого при анодной поляризации металла и являющейся анодом гальванической ванны. Вращение хонинговальной головки создает интенсивное перемешивание электролита, что позволяет применять высокую катодную плотность тока. Воздействие хонов на покрытие позволяет достичь равномерности покрытия и получить 10-11 класс чистоты. См. патент США №3769181. Метод одновременного нанесения гальванического покрытия и обработки металлической поверхности, Кл. 204-26, заявленное 21.07.71, опубликованное 30.10.73.
Недостатком этого способа является то, что зернистость абразива определяет степень шероховатости поверхности покрытия. Применяемые в этом случае тонкозернистые абразивы характеризуются невысокой скоростью съема и не могут поэтому сгладить неровности покрытия, нарастающие с большой скоростью при высоких плотностях тока. Таким образом, в этом случае получается недостаточно высокое качество покрытия.
2
Наиболее близким к заявляемому способу по назначению, технической сущности и достигаемому результату является способ гальвано-механического хромирования цилиндрических изделий, принятый заявителем в качестве прототипа, включающий механическое воздействие инструментом на обрабатываемое изделие в процессе электролиза при плотности тока 10-500 А/дм, при его относительном перемещении относительно обрабатываемого изделия и вращении изделия или инструмента. Механическое воздействие осуществляют инструментом из минералокерамики с полированной поверхностью при давлении 0,05-3 МПа. При этом относительное перемещение инструмента относительно обрабатываемого изделия осуществляют со скоростью 30-200 двойных ходов/мин, механическое воздействие осуществляют при окружной скорости вращения инструмента или изделия 0,9-5 м/мин и температуре электролита 58°С или 18-30°С в зависимости от состава электролита. См. авторское свидетельство СССР №875888. Способ хромирования, МПК C25D 5/22, заявленное 09.01.78, опубликованное 07.09.83.
2
Использование данного способа позволяет получить согласно авторскому свидетельству более качественное хромовое покрытие, а именно 14-ого класса чистоты поверхности, с микротвердостью 850-1250 кгс/мм, износостойкостью 1,6 мг, сцеплением с основным металлом 25-30%, равномерностью распределения покрытия по длине 2-5 мкм, при разности потенциалов между инструментом и образцом 1,8 В.
Недостатком известного способа является то, что он не всегда позволяет получить качественное покрытие, которое указано в авторском свидетельстве.
При использовании способа возможно получение некачественного покрытия с недостаточной равномерностью распределения покрытия по длине изделия, недостаточной толщины и чистоты поверхности, микротвердости, износостойкости и сцепления с основным металлом.
Это объясняется тем, что в данном способе не предусмотрено использование регулируемого контактного давления на обрабатываемую поверхность, то есть не предусмотрено использование инструмента, выполненного в виде свободно вращающихся и свободно перемещающихся относительно собственной оси роликов заданного веса, расположенных под углом относительно оси обрабатываемого изделия, которые производят более качественное выглаживание как внутренней, так и наружной цилиндрической поверхности.
Вместе с тем, представленные режимы не являются оптимальными и не всегда обеспечивают получение более качественного покрытия.
Кроме того, данный способ не приспособлен для хромирования длинномерных цилиндрических изделий, что также является его недостатком.
В способе не предусмотрено измерение толщины покрытия в процессе его нанесения, что также приводит в некоторых случаях к получению покрытия заниженной или завышенной толщины, что отрицательно сказывается на качестве получаемых покрытий и ограничивает использование данного способа.
Технической задачей, решаемой изобретением, является создание способа гальвано-механического хромирования цилиндрических изделий, обеспечивающего получение более качественного покрытия за счет осуществления регулируемого контактного давления на обрабатываемую поверхность и применения более оптимальных режимов осуществления способа.
Кроме того, технической задачей данного способа является хромирование длинномерных цилиндрических изделий и получение покрытий строго заданной толщины.
2
Для достижения указанной технической задачи в известном способе гальвано-механического хромирования цилиндрических изделий, включающем механическое воздействие инструментом на обрабатываемое изделие в процессе электролиза при плотности тока 10-500 А/дм, при его относительном перемещении относительно обрабатываемого изделия и вращении изделия, согласно изобретению механическое воздействие осуществляют при частоте вращения изделия 60-120 об/мин и температуре электролита 50-70°С инструментом, выполненным в виде свободно вращающихся и свободно перемещающихся относительно собственной оси роликов, с наименьшим углом между осью обрабатываемого изделия и осями роликов в пределах 20-90° и весом каждого из роликов в пределах 1-50 г, при этом перемещение инструмента относительно обрабатываемого изделия осуществляют со скоростью 15-250 двойных ходов/мин и амплитуде перемещения инструмента, определяемой по формуле:
А=D÷2D, где
А - амплитуда перемещения инструмента,
D - максимальный диаметр ролика.
В частных случаях исполнения изобретение характеризуется следующими признаками.
Согласно изобретению максимальное относительное перемещение роликов вдоль собственной оси не больше длины ролика.
Согласно изобретению механическое воздействие осуществляют на поддерживаемое цилиндрическое изделие.
Согласно изобретению в процессе хромирования осуществляют периодическое измерение толщины покрытия.
Качественное хромовое покрытие получают за счет того, что осуществляется регулируемое контактное давление на обрабатываемую поверхность.
За счет свободного вращения и свободного перемещения роликов с наименьшим углом между осью обрабатываемого изделия и осями роликов в пределах 20-90° и весом каждого из роликов в пределах 1-50 г обеспечивается регулируемое углом наклона и весом роликов в указанном диапазоне механическое воздействие на покрываемую поверхность изделия. При этом за счет сил трения и перемещения инструмента свободное вращение и свободное перемещение позволяют постоянно менять зону контакта, при этом большая часть поверхности роликов участвует в обработке. Точка контакта размывается по поверхности роликов, в результате пятно размыва увеличивается до 2-5 мм и улучшается качество обрабатываемой поверхности. Одновременно уменьшается износ роликов и увеличивается ресурс работы. При этом относительное перемещение инструмента относительно обрабатываемого изделия осуществляют со скоростью 15-250 двойных ходов/мин и амплитуде перемещения инструмента, определяемой в зависимости от диаметра ролика по формуле А=D÷2D. Все это способствует наилучшему выглаживанию «гребешков» хрома, образующихся при нанесении покрытия, и обеспечивает получение покрытия, равномерно распределенного по длине изделия, необходимую микротвердость, износостойкость и сцепление с основным металлом. В результате обеспечивается получение более качественного покрытия при нанесении его как на внутреннюю, так и на внешнюю цилиндрическую поверхность обрабатываемого изделия.
Осуществление максимального относительного перемещения роликов вдоль собственной оси на длине, не большей длины ролика, обеспечивает размыв пятна контакта в обе стороны, что также повышает качество покрытия.
Осуществление механического воздействия на поддерживаемое цилиндрическое изделие обеспечивает возможность обработки длинномерных цилиндрических изделий.
Кроме того, в процессе хромирования осуществляют измерение толщины покрытия, которое осуществляют периодически, чтобы не повредить покрытие. Это позволяет стабильно получать покрытие необходимой толщины, что также повышает качество наносимого покрытия.
Процесс гальвано-механического хромирования проводят на специальной установке, обеспечивающей нанесение хромового покрытия на обрабатываемую поверхность цилиндрического изделия с одновременным механическим воздействием на осаждаемый слой хрома.
Установка должна обеспечивать надежный электрический контакт обрабатываемого изделия с источником технологического тока, осуществляемый через систему коммутации установки.
Конструкция установки должна обеспечивать возможность вращения хромируемого изделия и возвратно-поступательного движения инструмента с необходимым поджимом роликов (рабочих элементов) инструмента к обрабатываемой поверхности с целью непрерывного механического воздействия их на хромируемую поверхность в течение всего процесса. При этом наименьший угол между осью обрабатываемого изделия и осями роликов обеспечивается в пределах 20-90° и вес каждого из роликов в пределах 1-50 г.
Конструкция инструмента должна обеспечивать в процессе хромирования надежный постоянный контакт его роликов с хромируемой поверхностью изделия. Для обработки внутренних цилиндрических поверхностей ролики инструмента должны быть выполнены со сферической наружной поверхностью. Для обработки наружных цилиндрических поверхностей ролики должны быть выполнены цилиндрическими. При этом ролики выполняют из нетокопроводящего материала необходимой твердости, например из керамики.
Установка должна предусматривать два положения - загрузочное и рабочее. В загрузочном положении конструкция установки должна обеспечивать быстрый монтаж и демонтаж обрабатываемых изделий в центрах вне зоны контакта с электролитом. В рабочем положении инструмент находится в контакте с обрабатываемой поверхностью изделия, которое омывается электролитом. Обрабатываемой поверхностью могут быть как внутренние, так и наружные цилиндрические поверхности.
Элементы конструкции установки, контактирующие с электролитом, должны выполняться из химически стойких материалов. Остальные элементы конструкции должны быть надежно защищены покрытием, стойким к парам хромовой кислоты.
Конструкция установки обеспечивает максимальное относительное перемещение роликов вдоль собственной оси на длине, не превышающей длины ролика.
При обработке длинномерных цилиндрических изделий корпус изделия поддерживается, например, посредством опорных роликов, расположенных вне ванны с электролитом, и изделие может перемещаться в ванне по мере нанесения хромового покрытия.
Для получения хромовых покрытий строго заданной толщины предусмотрено периодическое измерение толщины покрытия, например, посредством датчиков индукционного типа.
Предложенный способ заключается в том, что перед хромированием производят анодное активирование обрабатываемой поверхности изделия в электролите хромирования при вращении изделия. После чего производят гальвано-механическое хромирование.
Гальвано-механическое хромирование цилиндрических длинномерных изделий производят в электролите состава, г/л:
ангидрид хромовый
180-220
кислота серная
2,2-2,5
Cr<sup>2</sup>O<sup>3</sup>
2-8
Fe<sup>3+</sup>
до 8
2
Через 0,5-2 мин после включения катодного тока на ванне устанавливают плотность тока 10-500 А/дм. Одновременно с этим к поверхности обрабатываемого цилиндрического длинномерного изделия, поддерживаемого посредством опорных роликов, расположенных вне ванны с электролитом, подводят инструмент, выполненный в виде свободно вращающихся и свободно перемещающихся относительно собственной оси роликов из керамики, с наименьшим углом между осью обрабатываемого изделия и осями роликов в пределах 20-90° и весом каждого из роликов в пределах 1-50 г.
Далее воздействуют на изделие при скорости возвратно-поступательного перемещения инструмента относительно обрабатываемого изделия 15-250 двойных ходов/мин и амплитуде перемещения инструмента, определяемой в зависимости от диаметра ролика по формуле: А=D÷2D. Механическое воздействие осуществляют при давлении в зависимости от веса роликов в пределах 1-50 г. Частота вращения поддерживаемого изделия 60-120 об/мин и температура электролита 50-70°С.
При этом максимальное перемещение роликов вдоль собственной оси осуществляют на длине, не большей длины ролика.
По мере нанесения хромового покрытия изделие в ванне перемещается. Выход хрома по току обеспечивается до 30%. Причем в процессе хромирования осуществляют периодическое измерение толщины покрытия, например, посредством индукционных датчиков.
2
Пример: после проведения анодного активирования подавался ток плотностью 10, 300, 500 А/дм, затем производилось воздействие на обрабатываемую поверхность инструментом, выполненным в виде свободно вращающихся и свободно перемещающихся относительно собственной оси керамических роликов весом 1, 25, 50 г, с наименьшим углом между осью обрабатываемого изделия и осями роликов в пределах 20, 45, 90°. При этом максимальное перемещение роликов относительно собственной оси не превышало длины ролика. Инструмент перемещался относительно поверхности изделия со скоростью 15, 123, 250 двойных ходов/мин и амплитудой перемещения, определяемой по формуле: А=D, А=1,5D, А=2D. Весь процесс хромирования протекал при вращении поддерживаемого цилиндрического изделия с частотой 60, 90, 120 об/мин и температурой электролита 50, 60, 70°С. Процесс измерения толщины получаемого покрытия, например, индукционными датчиками происходил непосредственно в процессе хромирования через определенные интервалы времени.
При этом толщина покрытия составляла 1-400 мкм и более. После завершения процесса хромирования осуществили двойную промывку заготовки водой: непосредственно в ванне и после ее выгрузки. При необходимости можно осуществить процесс обезводороживания.
Контроль качества износостойкого хромового покрытия, осажденного гальвано-механическим способом, производится в соответствии с ГОСТ 9.301-86, 9.302-88 на внешний вид, толщину слоя хрома, прочность сцепления хрома. Микротвердость контролируется в соответствии с ГОСТ 9450-76. Параметры шероховатостей контролируются измерителем шероховатости TR200, профилографами-профилометрами модели 201 или другими аналогичного типа.
В результате проведения серии испытаний были получены следующие результаты.
Таблица
Основные физико-химические свойства хромовых покрытий, полученных предложенным способом
Наименование показателей
Числовое значение
1
2
Твердость хромового покрытия, МПа
80-120
Шероховатость поверхности (при толщине покрытия 1-400 мкм) по Ra мкм, не ниже
0,2
Внутреннее напряжение в покрытии, МПа
3,7-4,0 (сжатие)
Неравномерность осаждения хрома по длине детали, при толщине покрытия 1-400 мкм, мкм
2-5
Адгезия к основному металлу, определенная по проценту осыпания покрытия после сжатия цилиндрического образца 15 мм, длиной 30 мм, на 1/3 высоты, %
25-30
Коррозионная стойкость покрытия в трехпроцентном растворе NaCl, начало коррозии, сут, не менее
61
Удельный износ покрытия при стендовых испытаниях амортизаторов (режим испытаний):
(2,8-3,0)·10<sup>-9</sup>
частота колебаний
- 100 кол/мин;
ход поршня
- 100 мм;
скорость перемещения поршня
- 0,52 м/с;
температура амортизаторов во время испытаний
- 60-100°С), мм/цикл
Толщина покрытия, мкм, и более
1-400
Таким образом, заявляемый способ гальвано-механического хромирования цилиндрических изделий обеспечивает получение более качественного покрытия при обработке цилиндрических, в том числе и длинномерных цилиндрических, изделий. Это достигается за счет применения инструмента, выполненного в виде свободно вращающихся и свободно перемещающихся относительно собственной оси роликов заданного веса, расположенных под углом относительно оси обрабатываемого изделия, и более оптимальных режимов осуществления способа. Данный способ позволяет осуществлять также хромирование длинномерных цилиндрических изделий и обеспечивает получение покрытий строго заданной толщины. При этом за счет уменьшения износа роликов увеличивается ресурс их работы, что положительно сказывается на применении способа.