Упрочнение деталей электролитическим покрытием

Введение
1. Методы упрочнения
2. Электрохимические покрытия.
3.Технология упрочнения деталей
Заключение
Список источников

Упрочнение деталей электролитическим покрытием

Гальванические покрытия были открыты в 1836 г. русским физиком и изобретателем в области электротехники Б. С. Якоби и основаны на электрокристаллизации – электрохимическом осаждении на катоде (в роли которого выступает основное изделие) положительно заряженных ионов металлов при пропускании через водный раствор их солей постоянного электрического тока. При этом соли металлов распадаются на ионы под воздействием электрического тока направляются к разным полюсам: отрицательно заряженные – к аноду, а положительно заряженные ионы металла – к катоду, то есть к изделию, поверхностный слой которого мы хотим изменить нанесением гальванического покрытия.
Одна из важнейших функций анодов в этой системе – восполнять разряжающиеся на катоде ионы, поэтому качество металла, играющего роль анода, должно быть очень высоким, с минимальным количеством посторонних примесей. На практике аноды, за редким исключением, изготавливают из металла, слой которого хотят получить в качестве гальванического покрытия. Процессы хромирования, золочения, платинирования, родирования и др. протекают с нерастворимыми анодами из металла или сплава, устойчивого в данном электролите.
Электролиты на основе простых соединений проще и дешевле, но при получении качественных гальванических покрытий с мелкокристаллической структурой и равномерной толщиной на всех участках изделий сложной формы применяют электролиты на основе комплексных соединений или на основе простых солей с добавками поверхностно-активных веществ. Для сохранения постоянства состава электролита введение солей или других соединений осаждаемого металла осуществляется периодически.
Количественно гальванотехнические процессы регулируются по законам Фарадея с учётом побочных процессов, качественно — составом электролита, режимом электролиза, температурой и интенсивностью перемешивания.
Все электрохимические процессы получения гальванических покрытий проводят в специальных ваннах из керамики, эмалированного чугун, стали, футерованной свинцом или винипластом, органического стекла или другого материала, в зависимости от необходимого размера ванны и степени агрессивности электролита. Ванны для получения гальванических покрытий бывают стационарными, полуавтоматическими (изделия в такой ванне вращаются или перемещаются по кругу или подковообразно) или представляют собой целый комплекс, в котором автоматически производится загрузка, выгрузка и транспортировка изделий вдоль ряда отдельных ванн.
Прочность сцепления гальванических покрытий с основным изделием обеспечивается, прежде всего, тщательным очищением поверхности от окислов и жировых загрязнений путём травления или обезжиривания, удалением шероховатости шлифованием и полированием.
Гальванические покрытия очень разнообразны. При выборе следует учитывать назначение и материал детали, условия ее эксплуатации, назначение и необходимые свойства покрытия, способ его нанесения, допустимость контактов сопрягаемых металлов и экономическую целесообразность применения этого покрытия. Гальванические покрытия могут обеспечивать повышенную коррозионную стойкость (цинкованием, кадмированием, лужением, свинцеванием), износостойкость трущихся поверхностей (хромированием, железнением), защитно-декоративную функцию отделки поверхности (меднением, никелированием, хромированием, серебрением, золочением). Гальванические покрытия изделий из гипса, оргстекла, пластика или композита применяются для придания эстетичного вида, увеличения прочности поверхности изделия, приданию деталям токопроводящих свойств[4].
Анодирование (оксидирование) - электрохимическое оксидирование, образование защитной оксидной плёнки на поверхности металлических изделий электролизом. При анодировании изделие, погруженное в электролит, соединяют с положительно заряженным электродом источника тока (анодом). Плёнка толщиной от 1 до 200 мкм защищает металл от коррозии, обладает электроизоляционными свойствами и служит хорошей основой для лакокрасочных покрытий. Анодирование применяют для декоративной отделки изделий из алюминия и его сплавов, эмалеподобных покрытий на алюминии и некоторых его сплавах, а также используют для защиты от коррозии магниевых сплавов, повышения антифрикционных свойств титановых сплавов, для покрытия деталей радиоэлектронной аппаратуры из ниобия, тантала и др., в самолёто-, ракето- и приборостроении, радиоэлектронике.
Хромирование - нанесение хрома или его сплава на металлическое изделие для придания поверхности высокого сопротивления коррозии, износостойкости, жаростойкости, высоких механических и электромагнитных свойств, а также в защитно-декоративных целях. Электролитическое хромирование - наиболее распространённый гальванический процесс, которому подвергают преимущественно изделия из стали и чугуна, а также из сплавов на основе меди, цинка, никеля и алюминия. Хромовое покрытие характеризуется высокой химической стойкостью, обусловленной способностью хрома пассивироваться, т.е. переходить в пассивное состояние, при котором резко замедляется коррозия. Осажденный на предварительно отполированную поверхность хром имеет зеркальный блеск и серебристый с синеватым отливом цвет. Для предотвращения коррозии и придания декоративного вида хромируют многие детали автомобилей, велосипедов, трамвайных и ж.-д. вагонов, измерительных приборов, счетных и пишущих машин, часов, паро- и водопроводной арматуры, медицинские инструменты и т.д. Другое ценное свойство хромового покрытия - высокое сопротивление механическому износу
Хромирование увеличивает твердость металлических изделий, сопротивление механическому износу и высоким температурам, придает декоративный вид и светоотражающие свойства. Сами по себе хромовые гальванические покрытия достаточно пористые, поэтому чаще для предотвращения коррозии на изделие наносят несколько слоев, например, медь-никель-хром или никель-медь-никель-хром. Аноды при хромировании используют свинцовые. Свойства хромовых гальванических покрытий сильно зависят от концентрации и температуры электролита, плотности тока. Например, при температуре электролита 35-55 ºС покрытие будет блестящим, при 55-80 ºС - молочным, ниже 35 ºС - матовым. Меняя состав электролитов, можно получить декоративное покрытие (от темно-голубого цвета до темно-синего и даже черного) или износостойкое для обработки деталей двигателей, редукторов и других механизмов.
Цинкование может быть щелочным, слабокислым, цианистым. Цинк хорошо сцепляется с поверхностью других металлов, а со временем на цинковом покрытии образуется тонкая пленка окислов, обладающая прекрасными защитными свойствами. Нанесение цинкового гальванического покрытия с использованием бесцветного и радужного хромирования обеспечивает изделиям прекрасный вид и защиту от различных видов коррозии и механических воздействий.
Кадмирование для защиты поверхности металлов все еще широко применяется, хотя в последнее время оно начинает заменяться более дешевым и доступным цинкованием. По стойкости к атмосферным и химическим факторам между этими металлами нет большой разницы. Для кадмирования изделий применяются, как правило, цианистые электролиты.
Меднение - нанесение медных покрытий гальваническим методом на обезжиренные и протравленные стальные или цинковые готовые изделия, иногда на стальную проволоку. Меднение часто применяется для защиты отдельных участков стальных изделий от цементации (науглероживания), при этом меднятся те участки, которые в дальнейшем подлежат обработке резанием (твёрдые науглероженные поверхностные слои не поддаются такой обработке, а медь защищает покрытые участки от диффузии в них углерода). Более распространённая область применения меднения - защитно-декоративное хромирование стальных или цинковых изделий, при котором медь играет роль промежуточного слоя - поверх меди наносится слой никеля, а на него - очень тонкий слой хрома (0,25 мкм).
Меднение металлических изделий производят в декоративно-защитных целях, для улучшения приработки трущихся деталей, уплотнения зазоров, восстановления изношенных поверхностей и защиты инструмента от искрообразования, а также для создания на поверхности металла токопроводящего слоя с малым сопротивлением. При меднении используются кислые, цианистые или щелочные нецианистые электролиты.
Никелирование - нанесение на поверхность изделий никелевого покрытия (толщиной, как правило, от 1-2 до 40-50 мкм). Никелированию подвергаются преимущественно изделия из стали и сплавов на основе меди, цинка и аллюминия (реже - изделия из титана, фольфрама, молибдена, и сплавов на их основе). Также существуют способы нанесения никеля на неметаллической поверхности - керамику, пластмассы, бакелит, фарфор, стекло и др. Никелирование применяется для защиты изделий от коррозии (в атмосферных условиях, в растворах щёлочей, солей и слабых органических кислот), повышения износостойкости деталей, а также в защитно-декоративных целях.
Никелированию подвергаются преимущественно изделия из стали и сплавов, а также меди, латуни, цинка для защиты от коррозии, повышения износостойкости деталей, в защитно-декоративных целях,  а также для формирования промежуточного слоя при многослойных покрытиях. Никелевые гальванические покрытия отличаются красивым внешним видом, стойкостью к атмосферным воздействиям, легкостью нанесения на металлические изделия. Для получения матовых и блестящих никелевых покрытий без дополнительной полировки используют разные гальванические ванны. Электролиты для никелирования бывают сернокислые матовые, сернокислые блестящие и редко применяемые в гальваностегии сульфаматные.
Воронение (чернение) - получение на поверхности деталей из углеродистой или низколегированной стали и чугуна слоя окислов железа (Fe3O4 и др.) толщиной 1-10 мкм. Структура покрытия мелкокристаллическая, микропористая. Воронение (чернение) применяется для декоративной отделки. Защитные свойства плёнок, образующихся при воронении (чернении), низкие, поэтому после воронения для повышения антикоррозийной стойкости детали покрывают жировой смазкой или лаком. Различают несколько видов воронения - щелочное - в щелочных растворах с окислителями при температуре 135-150°С; кислотное - в кислотных растворах химическим или электрохимическим способами; термическое - окисление стали при высоких температурах: в атмосфере перегретого водяного пара при 200-480°С или в парах аммиачно-спиртовой смеси при 520-880°С, в расплавленных солях при 400-600°С, а также в воздушной атмосфере при 310-450°С с предварительным покрытием поверхности деталей тонким слоем асфальтового или масляного лака
Железнение как гальваническое покрытие распространено очень мало. Главным образом оно используется в полиграфической промышленности для покрытия матриц, а в последнее время также при окончательной обработке деталей машин или при ремонте изношенных инструментов. Кроме того, этим способом можно приготовить особо чистое железо для физических и химических исследований. Основным элементом электролита является сернокислое или хлористое железо.
Латунирование - нанесение на поверхность металлических (главным образом стальных) изделий слоя латуни толщиной в несколько мкм (примерный состав: 70% Cu и 30% Zn). Осуществляется обычно электролитическим способом - осаждением латуни из гальванической ванны. Применяется для защиты изделий от коррозии, для обеспечения прочного сцепления стальных и алюминиевых изделий с резиной при горячем прессовании, для создания промежуточного слоя (т. н. подслоя) при никелировании или лужении стальных деталей (что более эффективно, чем непосредственное покрытие никелем или оловом). Латунирование - один из способов повышения антифрикционных свойств титана и его сплавов
Бронзирование - покрытие поверхности металлических изделий защитным слоем бронзы или придание им бронзового оттенка. Бронзирование производится гальваническим способом или металлизацией, окраской, химической обработкой поверхности
Лужение приобретает в промышленности все большее значение, благодаря стойкости олова к коррозии. Применяется чаще всего к железным и стальным деталям.
Гальванические покрытия из драгоценных металлов и их сплавов широко применяются при заключительной обработке ювелирных изделий для придания им определенного цвета, тона и блеска, создания цветовой гармонии при изготовлении изделий с драгоценными камнями, коррозионной защиты, повышения прочности и твердости. При золочении из экономических соображений пользуются нерастворимыми (угольными, платиновыми или стальными) анодами. Наилучшими свойствами обладают гальванические покрытия из золота, серебра и их сплавов, полученные из цианистых электролитов, содержащих свободный цианистый калий. Однако при этом возникают проблемы с утилизацией промывных вод и отработанных электролитов, которые содержат свободные цианиды, не говоря уже про особые меры предосторожности в процессе получения самих гальванических покрытий. Покрытия, нанесенные с использованием нецианистых электролитов (гексаферроцианидных, роданидных, йодидных, пирофосфатных при серебрении и трилонатных, сульфитных, тиосульфатных, триполифосфатных при золочении) не требуют столь строгих мер по соблюдению экологической безопасности, но дают матовые гальванические поверхности и требуют дополнительной полировки, поэтому применяются на изделиях относительно простой конфигурации. В связи с этим сейчас в промышленности уделяют особое внимание разработке новых полностью бесцианистых электролитов для нанесения блестящих гальванических покрытий.
Серебрение - нанесение на поверхность изделий слоя серебра (толщиной обычно от долей мкм до 30 мкм) для защиты от коррозии в агрессивных средах, повышения электропроводности, отражательной способности, антифрикционных свойств, снижения переходного электросопротивления, а также в декоративных целях; покрытие из серебра может служить в качестве подслоя при осаждении других благородных металлов. Серебрение осуществляют главным образом гальваническим способом с использованием цианистых электролитов, обеспечивающих высокое качество покрытий; бесцианистые электролиты в виде других комплексных солей серебра применяются лишь в исключительных случаях. На неметаллические изделия (например, из пластмасс или стекла покрытия наносят обычно химическим способом, конденсацией паров серебра в вакууме или катодным распылением. При серебрении керамики и стекла применяется метод вжигания серебра путём восстановления его из солей при высоких температурах. Толщина серебряных покрытий выбирается в зависимости от условий эксплуатации изделий и принятой технологии серебрения. Серебром покрывают аппаратуру пищевой промышленности, столовые приборы, посуду. Серебрение используется для покрытия рабочей поверхности автомобильных фар, прожекторов и зеркал, в производстве стальных подшипников и т. д.
Золочение(позолота) - процесс нанесения на поверхность изделий, конструкций, архитектурных сооружений слоев золота от десятых долей мкм до 2-3 мкм и до 20-25 мкм в некоторых ответственных случаях. В Древнем Египте применяли т. н. листовой метод золочения - на подготовленную поверхность изделий наклеивали 1-3 слоя тончайших лепестков золота. Этот способ широко применялся в Киевской Руси с 10-11 вв. н. э. Уже в 19 в. в России этим способом золотили железные или медные главы церквей, крыши, шпили дворцов. Срок службы листовых золотых покрытий достигал примерно 50 лет. Позднее стали применять огневой метод золочения - на поверхность наносили тестообразную пасту из амальгамы золота (соединение золота с ртутью). При нагреве изделия (из фарфора или металла) ртуть испарялась, а плотное золотое покрытие оставалось. Срок службы таких покрытий 100-150 лет. Начиная с середины 19 в. пользуются гальваническим методом золочения - золото осаждают на поверхность из раствора дицианоаурата. Такое покрытие обладает большой химической стойкостью, высокой тепло- и электропроводностью и применяется не только в ювелирном деле и часовом производстве, но и в электронной промышленности, главным образом для покрытия соединительных электрических контактов электронно-вычислительных устройств. Гальванический метод используют не только для Золочения, но и для покрытий из соединений золота с серебром, сурьмой, никелем, кобальтом, медью и др. Такие покрытия примерно вдвое повышают твёрдость поверхности и являются хорошим средством защиты её от коррозии.
Родирование - нанесение на поверхность металлических изделий тонкого слоя родия (толщиной 0,1-25 мкм) для повышения их коррозионной стойкости, отражательной способности, жаростойкости, обеспечения постоянства контактной электропроводности, а также для придания защитно-декоративных свойств. Покрытия наносятся гальваническим способом из сернокислых (с добавками селеновой кислоты), фосфорнокислых, аминохлоридных или перхлоратных электролитов. Процесс ведётся с применением анодов из тонких листов металлической платины или платинированного титана. Для приготовления электролита используется водорастворимая трёххлористая соль родия. Родирование толщиной до 1 мкм применяются, например, для защиты серебра от потускнения, для декоративной отделки изделий, при изготовлении нерастворимых анодов. Покрытия большей толщины наносятся для обеспечения высокой химической стойкости и сопротивления износу
Платинирование - нанесение на поверхность металлических изделий тонкого слоя платины (толщиной 1-5 мкм) для повышения их коррозионной стойкости, отражательной способности, износостойкости, а также для обеспечения постоянства контактной электропроводности. Покрытия наносятся гальваническим способом из фосфатных или (реже) диаминодинитритных электролитов, содержащих соли платины. Анодами служат тонкие платиновые листы, которые в процессе платинирования практически не растворяются. Платинирование применяется при изготовлении специальной лабораторной и химической аппаратуры, платинированных анодов из титана (используемых, например, в производстве перекиси водорода), деталей (или узлов) электротехнических приборов (контактов из меди и её сплавов), молибденовой проволоки для электронных разрядных трубок, в ювелирной и часовой промышленности
Палладирование - нанесение на поверхность металлических изделий тонкого слоя палладия (толщиной 1-5 мкм)для повышения их коррозионной стойкости и отражательной способности, а также для обеспечения постоянства контактной электропроводности. Палладиевое покрытие может служить также в качестве подслоя при родировании и пайке. Покрытия наносятся гальваническим способом из фосфатных, солянокислых, хлоридных или нитратных электролитов. Процесс ведётся с применением графитовых (нерастворимых) или палладиевых анодов. Палладирование применяется в электротехнической промышленности для защиты от окисления бронзовых, константановых и вольфрамовых контактов и ламелей, изготовления электрических контактов, производства металлических зеркал с высокой отражательной способностью, защиты серебра от потускнения [6].
Комбинированные электрохимические покрытия (КЭП) получают из суспензий, представляющих собой электролиты с добавкой определенного количества высокодисперсного порошка, или из эмульсий, образующихся при введении в электролиты гидрофобных жидкостей, а также из пенообразных сред41. При наложении электрического тока на поверхности покрываемого предмета осаждается металл (первая фаза или матрица) и частицы порошка (вторая фаза), которые цементируются матрицей.
Чаще всего КЭП получают из суспензий, содержащих твердую фазу в количестве 50—200 г/л, что составляет 1—20 объемн.%.
Процесс осаждения КЭП обычно проводят при непрерывном перемешивании суспензии; при этом частицы второй фазы постоянно находятся во взвешенном состоянии и осаждение происходит быстрее. Выбор способа перемешивания определяется формой изделия, условиями электролиза и экономической целесообразностью.
В ваннах малой емкости перемешивание производят механическим путем, а в более крупных емкостях - с помощью воздуха (или инертного газа). Кроме того, можно получить равномерное перемещение суспензии вращением катода или циркуляцией электролита. В последнем случае отсутствует питтинг и получаются наиболее воспроизводимые результаты.