Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Факультет механізації сільського господарства
Кафедра “Надійності та
ремонту машин”
“Вивчення технології відновлення спрацьованих деталей машин електролітичним осадженням металу”
Факультет механізації сільського господарства
Кафедра “Надійності та
ремонту машин”
“Вивчення технології відновлення спрацьованих деталей машин електролітичним осадженням металу”
Наведено технічні характеристики електролітів та методів нанесення електролітичних покриттів. Розглянуто технології відновлення зовнішніх та внутрішніх поверхонь деталей.
Розроблені для бакалаврів очної і заочної форм навчання вищих аграрних навчальних закладів освіти зі спеціальності 6.100202 „Процеси, машини та обладнання агропромислового виробництва”.
Укладач: ст. викладач Калганков Є.В.
Рецензент: к.т.н. ,
доцент Мельянцов П.Т.
Затверджені на засіданні кафедри “Надійність та ремонт машин”
Протокол № ___ від ___________
Схвалені науково – методичною радою факультету механізації сільського господарства
Протокол № ___ від ____________
Вивчення технології відновлення спрацьованих деталей машин електролітичним осадженням металу
1. Мета роботи:
2. Завдання
У процесі самостійної підготовки до роботи письмово відповісти на такі запитання: суть електролітичного нарощування металів (заліза, хрому); сфера застосування гальванічних покриттів; склад універсальних електролітів для залізнення і хромування; режим електролізу.
У лабораторії. Ознайомитися з охороною праці при проведенні залізнення, вибрати та розрахувати параметри електролізу для нарощування конкретної деталі. Провести залізнення деталі, дати висновки про якість покриття і оформити операційну технологічну карту процесу залізнення.
3. Оснащення робочого місця
Установка для залізнення 0013-040 «Ремдеталь»; ванна для миття деталей гарячою водою; ванна для миття деталей холодною водою; ванночка з віденським вапном; ванночка з бензином; клей БФ-6; підвісний пристрій для вивішування деталей; аналітичні ваги з різновагами; важільний мікрометр 0 – 25 мм; секундомір (годинник); пензлі; гайкові ключі; деталі (зразки), що підлягають нарощуванню; залізні щітки; напилок; наждачна шкурка; ареометр; термометр; індикаторний папір; деталі для відновлення.
4. Охорона праці при виконанні лабораторної роботи
1. Перед роботою ввімкнути поточно – витяжну вентиляцію. До роботи приступити тільки при справно – діючій вентиляції.
2. Приготування та корегування електролітів необхідно виконувати при вімкненій вентиляції. Для захисту очей від випадкового попадання кислоти або інших хімікалій необхідно застосовувати захисні окуляри.
3. Очищення шланг, підвісок та анодів слід виконувати тільки вологим способом, змочуючи металічні щітки водою, так як пил кольорових металів отруйна і вдихання її може привести до отруєння.
4. Випадково пролиту додолу або на обладнання кислоту необхідно швидко змити водою, а потім її нейтралізувати сухою кальційованою содою до зупинення реакції.
5. При потраплянні кислоти, основи або електроліту на шкіру або в око, пошкоджене місце потрібно негайно промити струменем води. Потім пошкоджені кислотою місця промивають 3%-вим розчином харчової соди, а пошкоджені основою - 1%-вим розчином оцтової кислоти. Потім знову промивають водою. При попаданні кислоти або основи на одяг необхідно його промити під струменем води.
6. У всіх випадках отримання пошкоджень, опіків, отруєнь потерпілому необхідно надати першу медичну допомогу – негайно направити його в медичний пункт.
7. На робочому місці забороняється вживати їжу.
5. Загальні положення і вказівки щодо виконання роботи
5.1.Фізична суть процесу електролітичного осадження металу
В основі електролітичного осадження металів лежить явище електролізу - такого хімічного процесу, який проходить на електродах при проходженні через електроліт електричного струму.
Схему процесу показано на рисунку 1.
Рис.1 Схема процесу електролізу
1 – деталь; 2 – електроліт; 3 – джерело струму.
Електроліт це розчин солей, кислот та основ, що при розчинені речовини в воді її молекули дисоціюють (розпадаються) на негативні і позитивні іони, які знаходяться в хаотичному русі в розчині. При зануренні в електроліт провідників (електродів) підключених до дже рела постійного струму, в електроліті виникає направлений рух іонів і починає проходити струм. При цьому позитивно заряджені іони (іони металів та водню) переміщуються до негативного електроду - аноду і називаються аніонами.
Таким чином, процес електролізу зводиться, головним чином, до того, що іони металів які знаходяться в електроліті, розряджаються на катоді, переходячи в атомарний стан і осідають на ньому утворенням кристалічної решітки, покриваючи поверхню деталі шаром металу. Катодом являється відновлювальна деталь. Анод при цьому розчиняється з утворенням нових іонів металу замість тих, які виділилися на катоді, підтримуючи задану концентрацію електроліту під час електролізу.
Кількісно процес електролізу підкоряється закону Фарадея, який в загальному вигляді виражається формулою:
Q = ЭІt (1)
де Q – маса осадженого на катоді металу, г;
Э – електрохімічний еквівалент осадженого металу;
І – сила струму, який проходить через електроліт, А;
t – тривалість електролізу, год.
Електрохімічний еквівалент показує, яка кількість речовини виділяється на катоді при пропусканні через електроліт однієї ампер-години струму.
Відомо, що для виділення з електроліту одного грам-еквіваленту речовини, потрібно затратити 26,8 Ач.
Для визначення електрохімічного еквіваленту будь якого металу потрібно еквівалентну масу металу (атомна маса поділена на валентність) поділити на 26,8.
Електрохімічний еквівалент для хрому
ЭCr = 51,996/(26,86) = 0,324 г/Агод (2)
Електрохімічний еквівалент для заліза
ЭFe = 55,85/(26,82) = 1,042 г/Агод (3)
При електролізі одночасно з осадженнями металу на катоді виділяється водень за рахунок води, а також проходять інші побічні, процеси, на які затрачається частина струму. Тому дійсна кількість осадженого металу буде менша теоретичної, розрахованої по формулі (1). Відношення маси практично осадженого металу до теоретичної називається виходом метала по струму і виражається в процентах.
(4)
де Qп – маса практично осадженого металу;
Qт – маса теоретично осадженого металу.
Фізичний зміст виходу металу по струму заключається в тому, що він являє собою коефіцієнт витрачення електричного струму. При хромуванні = 10-18 %, при залізненні - = 80-95 %.
Досить суттєвим показником електролітичних покриттів являються їх структура та фізико - механічні властивості, які залежать від підготовки деталі перед покриттям та від режиму електролізу.
Основними параметрами електролізу являються:
а). зміст та концентрація електроліту виражена кількістю грамів речовини розчиненої в 1 літрі електроліту, г/л;
б). кислотність електроліту, виражена в г/л або в одиницях водневого показника рН, який визначається за допомогою індикаторного паперу;
в). температура електроліту, °С;
г). катодна густина струму дорівнює відношенню сили діючого струму до площі поверхні, що покривається.
, А/дм2 (5)
де Ісер – середнє значення струму, А;
Sк – площа катоду, дм2.
д) коефіцієнт асиметрії:
, (6)
, – середні значення (рис. 3) за період відповідно катодного і анодного імпульсів струму, А.
Тривалість електролізу залежить від потрібної товщини покриття та режиму електролізу і визначається формулою:
, год (7)
- питома вага осадженого металу, г/см3 (для стали 7,8 г/см3 ,1 кг/м³=0,001 г/см³);
h – потрібна товщина покриття, мм.
З цієї формули може бути визначена середня товщина покриттяпри відомій тривалості електролізу.
Швидкість осадження металу, тобто продуктивність процесу електролізу визначається за формулою:
, мм/год (8)
5.2. Технологічний процес відновлення деталей гальванічним покриттям
Технологічний процес відновлення деталей електролітичним осадженням металу складається з трьох операцій:
Міцне зчеплення покриття і деталі може бути отримано тільки у випадку досконалої підготовки деталі перед нанесенням покриття - вилучення з її поверхні забруднень, в тому числі масляних та окисних плівок.
Технологічний процес виконується в наступному порядку:
Знежирювання можливо виконувати як на катоді, так і на аноді.
Знежирювання на катоді більш продуктивне, але приводить до наводнювання поверхні деталі, в зв’язку з чим підвищується їх крихкість. Тому деталь знежирюють на катоді, а потім на 1...2 хв. перемикають деталь на анод.
Начіплювання деталей на катодний шланг і витримування без струму протягом 0,5 – 1 хв.
Технологічний процес нанесення гальванічних покриттів може змінюватися в залежності від типу покриття та конструктивно-технологічних особливостей окремих деталей і їх призначення.
Так, наприклад, при малому (соті долі мм) рівномірному спрацюванні деталі не використовують попередню та послідуючу механічну обробку (розмірне хромування, залізнення та ін.). При відновленні деталей хромуванням (прецизійні деталі та ін.), перед кінцевою механічною обробкою застосовують термічну обробку при температурі І80 – 220°С на протязі 1,5 – 2 годин з метою зневоднювання.
Залізнення
Хімічний склад, основні фізико – механічні та експлуатаційні якості залізних електролітичних покриттів (структура, твердість, пластичність, зовнішній вигляд та ін.) змінюються в залежності від складу заданих матеріалів та особливостей електролізу.
Електролітичне залізо по хімічному складу нагадує маловуглецеву, а по таким якостям, як твердість, стійкість проти спрацювання, міцність – середньовуглецеву сталь. Тому процес отримання на деталях твердих покриттів називають „осталювання”.
Осталювання має гарні техніко – економічні показники: матеріали являються дешевими; високий вихід по струму (0,85...0,95); висока продуктивність – швидкість осадження заліза складає 0,2...0,5 мм/год; товщина покриття майже 0,8...І,2 мм; здатність в широких межах регулювати властивості покриттів (мікротвердість – 1600...1800 МПа); достатньо висока стійкість проти спрацювання покриття, яка наближається до стійкості загартованої сталі.
Маючи високі технічно – економічні показники осталювання мас широке застосування при відновленні спрацьованих автотракторних деталей; для зміцнення робочих поверхонь деталей з маловуглецевої сталі.
Електроліти для залізнення
По складу електроліти ділять на три групи в залежності від аніона солі заліза:
- хлористі;
– сірчанокислі;
– змішані (сульфатно-кислі).
Сірчанокислі електроліти, на відміну від хлористих, мають меншу хімічну агресивність і мають меншу кислотність. Але вони мають порівняно з хлористими електролітами меншу продуктивність та якість покриття. Тому потребам ремонтних робіт найбільше відповідають прості хлористі електроліти, які і отримали найбільше застосування при відновленні деталей.
Для покращення електричної провідності електроліту в нього вводять солі натрію та марганцю, густина яких не перевищує 100 г/л.
По температурному режиму електроліти діляться на гарячі (60...90 С) та холодні (20...50°С). Гарячі електроліти дають змогу проводить насталювання при більшій густині струму та високій продуктивності. Холодні електроліти в більшості допускають застосування малих густин струму і тому мало продуктивні. Але висока температура електроліту приводить до загазованості приміщення і потребує додаткових затрат енергії, тому в ремонтному виробництві застосовують холодні електроліти.
Склад такого електроліту та умови його застосування такі:
- залізо хлористе 200...300 г/л;
- натрій хлористий 100 г/л;
- кислотність 0,5...0,9 рН;
- густина струму 10...30 А/дм2;
- вихід по струму 85...92 %.
При осталюванні застосовують аноди з маловуглецевої сталі, які розчинюються.
Холодне залізнення періодичним (асиметричним) струмом
Суттєві недоліки процесу гарячого осталювання визнали необхідність розробити спосіб холодного осталювання періодичним струмом з незалежним регулюванням амплітуд прямого (катодного) та зворотного (анодного) імпульсів.
Рис. 2. Схема установки для залізнення на асиметричному
змінному струмі:
1 – знижувальний трансформатор; 2 – діоди ВК – 500; 3 – реостати;
4 – амперметри; 5 – гальванічна ванна.
Рис. 3. Форма асиметричного струму:
, – середні значення катодного і анодного струму; , – амплітудний струм відповідно катодний і анодний.
Живлення ванни періодичним струмом здійснюється від понижуючого трансформатора. Зустрічно-паралельне включення діодів В1 і В2 дає змогу за допомогою реостатів R1 і R2 незалежно один від іншо го регулювати прямий (від'ємний) та зворотний (додатний) імпульси змінного струму, даючи їм різні амплітуди.
Осадження металу на деталі відбувається тільки під час про ходження прямого імпульсу, тобто коли деталь заряджається негативно. Під час проходження на деталі зворотного імпульсу відбувається розчинення осадженого металу, але так як амплітуда прямого імпульсу в декілька разів більша амплітуди зворотного, в результаті чого на деталі нарощується покриття.
При осаджені металу періодичним струмом режим електролізу ха рактеризується двома електричними параметрами: катодною густиною струму Dк та катодно-анодним показником .
Катодна густина струму це відношення середнього значення прямого імпульсу (по свідченню амперметра А1) до площі покриваємої поверхні
(8)
Катодно-анодний показник визначають як відношення середніх значень прямого та зворотного імпульсів
(9)
Оптимальне значення цих параметрів слідуюче Dk = 20-30 А/дм2, = 6…10.
При менших значеннях катодно-анодного показника знижується швидкість осадження, при більших - залишається приблизно постійною. При осталюванні періодичним струмом необхідно дотримуватися слідуючого режиму розгону. Після витримки деталі без струму (ЗО...60 с) включають задане значення густини струму (20...ЗО А/дм2), встановлюють початкове значення катодно-анодного показника - 1,2..1,5 і здійснюють осадження на протязі І,0...І,5 хвилин. Після цього, зменшуючи величину зворотного імпульсу, поступово за 5-6 хвилин, збільшують катодно-анодний показник до заданого значення (6...10), при якому ведуть осадження до необхідної товщини покриття. Електроліт ванни осталювання повинен бути необхідної концен трації і кислотності.
Кислотність електроліту визначають рН-метром або індикаторним папером, зрівнюючи колір паперу після вимочування його в електроліт з еталоном рН.
Концентрацію основного компоненту (заліза) в електроліті можна визначити по густині електроліту, виміряємо ареометром таблиця 1.
Таблиця 1
Концентрація основного компоненту (заліза) в електроліті
|
Питома вага електроліту (густина) |
1,1 |
1,11 |
1,15 |
1,17 |
1,2 |
|
Концентрація заліза г/л |
180 |
200 |
260 |
300 |
350 |
5.3. Порядок виконання роботи
5.3.1. Ознайомитись с оснащенням робочого місця і установкою для електролітичного осадження заліза;
5.3.2. Виміряти мікрометром розмір деталі у місці зносу;
5.3.3. Залежно від потрібного виду покриття (пористе або без тріщин) і застосованого електроліту (гарячий або холодний) за рис. 5 вибрати катодну щільність струму Dk, уточнивши її значення з викладачем.
Рис. 4. Залежність якості покриттів при залізненні від щільності струму і температури
5.3.4. Визначити площу нарощуваної поверхні S, після чого розрахувати значення струму за залежністю:
, (10)
де І – сила струму, А;
Dk – катодна щільність струму, А/дм2;
S – площа поверхні покриття, дм2.
5.3.5. Визначити тривалість процесу залізнення за залежністю (7);
5.3.6. Провести підготовку деталей до нарощування: знежирити бензином, промити у гарячій воді, а потім у холодній, після чого ізолювати місця, які не підлягають покриттю клеєм БФ – 6. Поверхні, які підлягають нарощуванню, повторно знежирити віденським вапном, а потім промити проточною водою. Завести деталі на підвісний пристрій і провести анодне травлення у ванні для залізнення, при цьому деталь є анодом, тривалість травлення 5 – 10 хв. Після анодного травлення деталі промити холодною, а потім гарячою водою і швидко перенести у ванну залізнення.
5.3.7. Нанести покриття, попередньо встановивши режими електролізу. Процес залізнення починати при невеликій щільності струму (10 – 25 % номінальної) і поступово (протягом 5 – 10 хв) довести її до заданого значення.
5.3.8. При необхідності виявлення на поверхні осадження тріщин провести анодне травлення (деталь – анод) у 25 – 30 % – вому розчині Н2SO4 при t = 18 – 20 °С і анодній щільності струму Dа = 20 – 25 А/дм2. Тривалість травлення – 10 – 15хв.
5.3.9. Провести кінцеву обробку деталей: вийняти підвісне обладнання з деталями із ванни, промити деталі у гарячій воді (t = 70– 90 °С), демонтувати їх з підвісного обладнання, зняти ізоляцію, провести контроль якості осадження, використовуючи дані табл. 2.
Таблиця 2
Дефекти залізнення, причини їх утворення і способи усунення
|
Дефект |
Причина виникнення |
Способи усунення |
|
Хвилясте покриття із нерівностями круглої форми |
Висока щільність струму, недостатня чистота поверхні покриття |
Знизити щільність струму, поліпшити чистоту обробки перед покриттям |
|
Шорсткий осадок з нерівностями голчастої форми. |
Забруднення електроліту анодним шлаком. Надлишок тривалентного заліза в електроліті (окислений електроліт) |
Відновити електроліт за допомогою струму, профільтрувати електроліт |
|
Відшарування покриття |
Неякісне знежирювання |
Поліпшити якість знежирювання і травлення |
|
Лущення осадку |
Те ж |
Те ж |
|
Надмірний ріст дендритів на вістрях і кромках деталі |
Надзвичайно велика площа анодів і неправильне їх розміщення, незадовільне екранування і захист деталі |
Правильно вибрати площу і конфігурацію анодів, забезпечити правильне екранування деталі |
|
Підтікання, часткове відшарування осаду на кінцях деталі і наявність непокритих ділянок |
Неякісне промивання деталі після анодного травлення |
Ретельно промити деталь після анодної обробки |
Виміряти за допомогою мікрометра розмір деталі після залізнення і визначити товщину нарощеного шару за залежністю:
, (11)
де d – діаметр деталі після нарощування, мм;
d0 – діаметр деталі після нарощування, мм.
Визначити фактичну швидкість осадження заліза за залежністю (8).
Швидкість нарощування необхідна при визначенні продуктивності процесу, нормуванні технологічних операцій тощо.
Зміст звіту:
1. Мета роботи.
2. Відповіді на запитання самостійної підготовки, розрахункові формули і результати розрахунків.
3. Технологія процесу залізнення.
Контрольні запитання
Рекомендована література