Способ электролитического нанесения покрытия

Способ электролитического нанесения покрытия

Реферат

Изобретение относится к области гальваностегии и может быть использовано при нанесении размерного высококачественного покрытия (например, хромового, никелевого, медного и др., в т.ч. композиционного).

Известен способ размерного покрытия (хромирование) деталей с нанесением мелкокристаллических осадков хрома заданной толщины, по которому осаждаемую поверхность в процессе нанесения покрытия пластически деформируют прижимами в виде вращаемого ролика [а.с. СССР № 795845, МКИ В 23 Р 1/18, С 25 D 5/48, 1979 г.].

Известен способ электролитического нанесения покрытия на внутреннюю поверхность осесимметричного изделия, при котором аноды размещают и вращают в полости соосно изделию, на внутренней поверхности которого из раствора осаждают материал покрытия и пластически деформируют прижимами [патент США № 3751346, МКИ В 23 Р 1/00, 1/02; С 23 В 5/56; нац. Кл. 204-26, 1973 г.]

Эти способы не обеспечивают нанесение покрытия на плоские изделия с получением заданного уровня остаточных напряжений.

Наиболее близким техническим решением является способ гальваномеханического нанесения покрытия на изделия двойной кривизны, в частности плоской, при котором осаждение материала из раствора ведут непрерывно и его пластически деформируют прижимами [пат. RU № 2156836, МКИ С 25 D 5/22, 1998 г.].

Однако этот способ не может гарантировать получение покрытия с заданным уровнем остаточных напряжений, особенно при нанесении покрытия на плоскости малой ширины, например на плоские поверхности колец, ограниченные цилиндрическими поверхностями.

Технический результат: расширение технологических возможностей (покрытие деталей сложной формы, получение композиционных покрытий с применением порошков металлических (Со, W, Nb и др.), окислов Al₂О₃, ZrO₂, ThO₂ и др., боридов, карбидов, силицидов и др. веществ различной дисперсности (0,1-10; 10-30; 30-60) мкм, регулирование остаточных напряжений в покрытии) и улучшение качества покрытия (герметичность, коррозионностойкость, износостойкость, жаростойкость, жаропрочность, отсутствие сетки микротрещин, беспористые, с высокой адгезией покрытия к матрице, мелкозернистой текстурированной структурой), в том числе на плоских изделиях, ограниченных цилиндрическими поверхностями, за счет улучшения условий осаждения материала из раствора и регулируемого по величине и периодичности пластического деформирования осадка прижимами по всей ширине изделия. Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе гальваномеханического нанесения покрытия, в котором осаждение материала из раствора ведут непрерывно и его пластически деформируют прижимами, пластическое деформирование материала прижимами осуществляют периодически с интервалом, который выбирают из условия

Ti=(0,49÷0,01)·То,

где Ti - интервал между периодами пластического деформирования осаждаемого материала прижимами;

0,49 - максимальное значение интервала в долях общего времени осаждения;

0,01 - минимальное значение интервала в долях общего времени осаждения;

То - общее время осаждения материала.

Осуществление пластической деформации прижимами осаждаемого материала периодически с задаваемым интервалом, во время которого осаждение материала на поверхности изделия ведут без применения деформирующего воздействия прижимами, позволяет регулировать уровень и знак остаточных напряжений в покрытии, получать высококачественное размерное покрытие с заданной толщиной и шероховатостью поверхности, исключающее необходимость применения финишной и суперфинишной механической обработки покрытия. Это способствует нанесению покрытия, например хромового, на плоские изделия, ограниченные цилиндрическими поверхностями, с величиной шероховатости 0,04÷0,02 мкм без сетки трещин по покрытию с коэффициентом трения контактной поверхности, равном 0,06 и менее, и высокой плотностью, износоустойчивостью. Кроме того, при сохранении упомянутых выше положительных свойствах покрытия этот способ позволяет получать мелкопористую капиллярную поверхность (маслоприемистую), при этом собственно покрытие из-за отсутствия трещин является герметичноплотным, например, для давлений 13,5 МПа и более.

Кроме того, этот способ значительно расширяет технологические возможности по получению композиционного гальваномеханического покрытия, когда в электролите во взвешенном состоянии находятся различные порошковые добавки, получаемые, например, методом размола на встречных воздушных струях с разной дисперсностью частиц - (0,1...60) мкм, предназначенные для придания, например, никелевому покрытию дополнительных свойств - жаростойкости (порошок Со, W дисперсностью (0,1...10) мкм, износостойкости и коррозионностойкости (порошок высокопрочных окислов, например Al₂O₃, дисперсностью (20...40) мкм), «твердой смазки» (порошок дисульфид молибдена дисперсностью (40...60) мкм и др.

Интервал между периодами пластического деформирования прижимами осаждаемого материала выбирают в зависимости от необходимости получения уровня и знака остаточных напряжений в покрытии либо в зависимости от требований толщины и качества слоя наполнителя, вводимого дополнительно в основное металлическое покрытие, получаемого между слоями основного покрытия, которые подвергались пластическому деформированию прижимами.

При выборе минимального значения интервала, равного 0,49·То, когда время пластического деформирования осадка прижимами составит дважды по 0,01·То, получим в покрытии растягивающие остаточные напряжения. Это резко снижает качество гальваномеханического покрытия, что не допустимо.

Для получения в покрытии остаточных напряжений сжатия выбирают минимальное значение интервала, равное 0,01·То. Время пластического деформирования осадка прижимами составит дважды по 0,49·То.

Для достижения нейтральных остаточных напряжений в покрытии выбирают среднее значение интервала 0,24·То. Время пластического деформирования осадка составит дважды по 0,26·То.

В экспериментальном порядке предлагаемый способ был проверен при осаждении хрома на плоские поверхности кольца из стали 30ХГСА. Размеры кольца: наружный диаметр - 114,3 мм, внутренний - 95 мм, толщина кольца - 7 мм. Непараллельность плоскостей - не более 0,005. Кольцо располагалось в ванне на специальной оснастке, обеспечивающей его вращение относительно анода и прижимов (технология гальваномеханического покрытия). Было проведено 9 экспериментов по нанесению размерного твердого мелкозернистого блестящего хрома - по три образца на каждый вариант пластического деформирования осадка прижимами.

1-ый вариант - интервал между пластическим деформированием осадка равен 0,49·То. Заданная толщина покрытия 60 мкм. Плотность тока io=1,0 А/см². Температура электролита 62°С. Время осаждения 60 мин. Покрытие блестящее. Толщина покрытия (63...67) мкм. Шероховатость покрытия Ra=(0,07...0,05). Твердость НКСэ=43...45. На поверхности покрытия (увеличение ×20) имеется сетка трещин, что имеет место при остаточных напряжениях растяжения и характерно для классической технологии хромирования.

2-ой вариант - интервал между пластическим деформированием осадка равен 0,01·То. Заданная толщина покрытия 60 мкм. Плотность тока io=1,0 А/см². Температура электролита 62°С. Время осаждения 60 мин. Покрытие блестящее. Толщина покрытия (59...61) мкм. Шероховатость покрытия Ra=(0,035...0,15). Твердость HR-Сэ=49...53. На поверхности покрытия (увеличение ×20) трещины отсутствуют. Поверхность имеет характерную для гальваномеханического покрытия «муаровую сетку» - следов механического воздействия на осадок, не влияющих на значения шероховатости.

Примечание: через 4 недели наметилось незначительное нарушение сплошности покрытия, что выглядело как «сползание покрытия» с краев кольца.

3-й вариант - интервал между пластическим деформированием осадка прижимами равен 0,24·То. Заданная толщина покрытия 60 мкм. Плотность тока io=1,0 А/см². Температура электролита 62°С. Время осаждения - 60 мин. Покрытие блестящее. Толщина покрытия (61...63) мкм. Шероховатость покрытия Ra=0,04...0,02. Поверхность покрытия (увеличение ×20) - плотная, трещины отсутствуют, с характерной для технологии гальваномеханического покрытия - «муаровой сеткой» - следов механического воздействия прижимов на осаждаемый металл. Твердость покрытия HR-Сэ=45...48. 4 недели выдержки не привели к каким-либо изменениям в покрытии.

Предлагаемый способ был проверен при восстановлении осталиванием (железнение) стальных шатунных пальцев диаметром 80 мм дизельного двигателя, имевших большую местную выработку. Была поставлена задача - одновременно с восстановлением проектных размеров шатунных пальцев повысить износостойкость их контактной поверхности. Восстановление проектного размера шатунных пальцев проводили методом гальваномеханического покрытия с применением порошков окислов алюминия (Al₂O₃-корунд) дисперсностью (30...40) мкм. Осталивание (железнение) проводили из электролита, содержащего 700 кГ/м³ FeCl₂·4H₂O при рН 1 (i_к=2 кА/м²) и t=40°С. В электролит добавляли порошок корунда в соотношении (5...8)% по массе. Включением вращения детали и возвратно-поступательного перемещения прижимов производили перемешивание раствора. Включали технологический ток и создавали воздействие прижимов на осаждаемый металл на период, равный 0,2·То. Эта начальная стадия осаждения - фаза, ответственная за высокий уровень адгезии покрытия к матрице. Затем на время, равное 0,5·То, прекращали механическое воздействие прижимов на осадок и интенсивно осаждали из электролита твердое железо с порошковым корундом - основная масса осаждаемого материала из раствора. Затем следовали операции с интервалом по 0,1·То: осаждение осадка с воздействием давления на него прижимов осаждение без действия прижимов и окончательная фаза - осаждение с воздействием прижимов. В результате полностью восстановили проектный размер 3-х шатунных пальцев - толщина покрытия составила 2,8; 2,5 и 1,75 мм. Внешний вид покрытия - «муаровый» рисунок - характерен для гальваномеханического покрытия, структура плотная, без сетки микротрещин, шероховатость поверхности 0,8 мкм. Стендовая проверка показала 4,5-кратное снижение износа контактной поверхности против матричного материала.

Способ электролитического нанесения покрытия, включающий непрерывное осаждение материала на изделии из раствора и его пластическое деформирование прижимами, отличающийся тем, что пластическое деформирование осаждаемого материала прижимами осуществляют периодически с интервалом, который выбирают из условия

Ti=(0,49...0,01)To,

где Ti - интервал между периодами пластического деформирования осаждаемого материала;

0,49 - максимальное значение интервала в долях общего времени осаждения;

0,01 - минимальное значение интервала в долях общего времени осаждения;

То - общее время осаждения материала.