Монтаж и эксплуатация оборудования нефтегазового комплекса (стр. 2 )

19. Вычислить коэффициент полезного действия ванны х.

20. Вычислить среднюю толщину слоя металла, осажденного на катоде h.

Практическое занятие № 3.

Хромирование деталей, шеек валов, штоков насосов.

Цель работы: изучить процесс гальванического наращивания хромированием шеек валов, штоков насосов; пористое и твердое хромирование; электролитическое хромирование.

Приборы и материалы: ванны для хромирования из листового железа и облицованная внутри сплавом свинца 5-6 % сурьмы или керамическими плитками, электролиты (CuO3 и H2SO4), аноды – гладкий и пористый хром.

Электролитическое хромирование применяют для восстановления размеров изношенных деталей и получения декоративных, коррозионностойких и износо­стойких покрытий. Электролитический хром обладает высокой коррозионной стойкостью, низким коэффициентом трения, высокой твердостью, жаростой­костью, высоким пределом текучести. При тщательной подготовке поверхности прочность сцепления хрома со сталью, чугуном, медью и латунью достигает при сдвиге 30 кгс/мм2. Однако стали с высоким содержанием вольфрама и кобальта, а также высокоуглеродистые стали и высококремнистые чугуны хромировать нельзя, вследствие низкой прочности сцепления.

Прочность сцепления резко снижается с увеличением толщины покрытия, в связи с ростом остаточных напряжений. При увеличении толщины от 0,1 до 0,5 мм предел прочности покрытия уменьшается в 2—3 раза.

После хромирования снижается также усталостная прочность деталей вследствие значительной величины остаточных напряжений в покрытии. С уве­личением толщины покрытия усталостная прочность снижается более значи­тельно. Усталостная прочность углеродистых сталей в результате хромирования снижается на 25—40%. Для ее повышения применяют высокотемпературный отпуск и наклеп поверхности перед хромированием с целью создания напряже­ний сжатия, обратных по знаку напряжениям, возникающим в покрытии при его формировании.

Различают следующие виды износостойкого хрома: гладкий по накатке и пористый. Гладкий хром следует применять в условиях достаточной смазки при небольших скоростях скольжения.

Пористый хром имеет хорошую изно­состойкость в условиях граничного трения, так как смазка, находящаяся в по­рах покрытия, препятствует развитию процессов схватывания.

Пористый хром по сравнению с гладким прирабатывается значительно легче. В промышлен­ности применяют как гладкие, так и пористые хромовые покрытия.

Электрохимическое осаждение хрома отличается от других процессов как по составу электролита, так и по условиям протекания процесса. В большинстве случаев осаждение хрома осуществляется в электролите, содержащем хромовый ангидрид с добавкой серной кислоты.

Хромовый ангидрид растворяют в дистиллированной воде и после отстаивания переливают в ванну, в которую затем добавляют необходимое количество серной кислоты.

На процесс осаждения хрома большое влияние оказывает соотношение между концентрациями хромового ангидрида и серной кислоты, которое дол­жно находиться в пределах 90-120; при этом выход хрома по току наибольший.

Концентрацию хромового ангидрида в электролите можно изменять в довольно широких пределах. Однако с ее увеличением при прочих равных условиях выход по току падает. Поэтому на практике получили распространение горячие электролиты с концентрацией СгО3 от 150 до 350 г/л.

Составы электролитов приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Электролиты для хромирования

Концентрация электролита (СгОз)	Состав электролита, г/л	Назначение
СгОз	H2SO4
Низкая......... Средняя......... Высокая.........	150 200—250 300-400	1,5 2,0-2,5 3,0-4,0	Для повышения износостойкости Для повышения износостойкости и защитно-декоративных це­лей Для защитно-декоративных це­лей

При хромировании применяют нерастворимые аноды из свинца или сплава свинца с сурьмой. Ванны для хромирования изготовляют из листового железа и облицовывают внутри сплавом свинца с 5-6% сурьмы или керамическими плитками. Величина зазора между хромируемыми деталями и анодом должна быть не менее 30 мм, а между деталью, дном и зеркалом ванны не менее 50 мм. Электролиты с меньшей концентрацией СгО3 позволяют получить более высокую твердость хромового покрытия и больший выход по току, однако подобные электролиты необходимо чаще корректировать в процессе электролиза и применять большее напряжение.

Физико-механические свойства хромового покрытия зависят от режима хромирования и толщины покрытия. Условно хромовые покрытия разделяют на три вида: молочные, блестящие и матовые. Блестящие покрытия отличаются высокой твердостью, достаточно высокой износостой­костью и хрупкостью, имеют на поверхности мелкую сетку трещин. Молочные осадки наиболее мягкие и вязкие, без трещин, по сравнению с блестящими обладают большей износостойкостью. Матовые осадки имеют повышенную твердость и хрупкость, характеризуются низкой износостойкостью, наличием сетки трещин на поверхности.

В таблице 3 приведены данные о влиянии режимов хромирования на вид осадка хрома. В зависимости от условий работы деталей выбирают оса­док с требуемыми свойствами; например, для изнашиваемых деталей, работа­ющих при небольших удельных нагрузках (до 5 кгс/см2), следует рекомендо­вать блестящие осадки, а при больших контактных давлениях и знакопеременных нагрузках — молочные осадки.

Наиболее высокие физико-механические свойства хромового покрытия достигаются при толщине слоя h < 0,25 мм.

Таблица 3 - Влияние режимов хромирования на вид и свойства электролитического осадка

Режим хромирования	Осадок	Толщина слоя хрома, мм	Механические свойства хромового покрытия
температура электролита, °С	плотность тока, А/ДМ*	прочность покрытия при сдвиге, кгс/мм2	прочность сцеп­ления с основным металлом при сдвиге, кгс/ммг
65 55 45	25 35 40	Молочный Блестящий Матовый	0,1 0,3 0,5 0,1 0,3 0,5 0,1 0,3 0,5	50,5 27,6 16,3 62,5 39,8 30,8 60,0 36.6 25,7	30 30 30

Если деталь работает при статических удельных нагрузках q ≤ 80 кгс/мм2, рекомендуется толщина слоя h = 0,11—0,13 мм и цвет покрытия матово-блестящий.

При динамических удельных нагрузках q ≤ 5 кгс/мм2 толщина слоя должна быть h = 0,05—0,11 мм, а при q ≤ 20 кгс/мм2 и повышенных темпера­турах рекомендуемая толщина слоя h = 0,03—0,05 мм. В последнем случае применяется покрытие молочное или молочно-блестящее.

Для повышения износостойкости применяют пористое хромирование. В покрытии создаются микропоры и каналы, которые обеспечивают большую его маслоемкость. что особенно важно при работе в условиях недостаточной смазки.

Пористое хромирование отличается от твердого дополнительной анодной обработкой (дехромирование) после наращивания хромового покрытия. При дехромировании растворение хрома происходит неравномерно и преимущест­венно по трещинам, которые расширяются и углубляются. Анодная обработка ведется в той же ванне, что и хромирование, причем анодом служит обрабатываемая деталь, а катодом — свинцовые пластины. Режим дехромирования также играет важную роль в создании пористости.

Пористость хрома бывает двух типов: канальчатая и точечная. Характер пористости определяется в основном режимом хромирования. Для получения точечной пористости рекомендуется следующий режим: температура 50— 52° С, плотность тока 45—55 А/дм2, для канальчатой — температура 60° С и плотность тока 55—60 А/дм2. Режим анодной обработки: температура 50— 60° С, плотность тока 40—45 А/дм2, время 5—10 мин.

Для получения канальчатого хрома анодной обработке подвергают молоч­ные и молочно-блестящие осадки, для получения пористого хрома — матовые и матово-блестящие осадки.

Точечная пористость обладает большей маслоемкостыо и поэтому приме­няется для деталей, работающих в особо тяжелых условиях. Покрытия с точеч­ной пористостью характеризуются быстрой прирабатываемостью, но изно­состойкость их несколько ниже, чем канальчатых. Канальчатым хромом покрывают, например, гильзы цилиндров, а точечным — поршневые кольца двигателей.

Для повышения качества покрытия и увеличения выхода по току при­меняют хромирование в саморегулирующихся электролитах, струйное и про­точное хромирование, а также хромирование на токе переменной полярности. Применение саморегулирующихся сульфатно-кремне-фторидных электролитов обеспечивает высокую стабильность работы ванны и дает возможность полу­чить значительную толщину покрытия (до 1 мм) без ухудшения механических свойств. При этом выход по току составляет 17—24%.

Рекомендуется следующий состав саморегулирующегося электролита (в г/л): 225—300 хромового ангидрида (СгО3), 5,5—6,5 сульфата стронция (SrSO4) и 18—20 кремнефторида калия (K2SiF6). Температура хромирования 50—70° С, а плотность тока 50—100 А/дм2.

Хромирование струйное и в проточном электролите заключается в постоян­ной подаче электролита в зону электролиза, что обеспечивает перемешивание его в межэлектродном пространстве. При этом возрастает поток подводимых ионов и облегчается разряд ионов на катоде. Кроме того, постоянное обновление электролита способствует повышению проводимости электролита, быстрому отводу газов, выделяющихся в процессе электролиза, уменьшению степени насыщения деталей водородом и улучшению качества хромовых покрытий.

Наиболее интенсивное перемешивание может быть достигнуто при анодно-струйном хромировании, при котором подача электролита в зону электролиза осуществляется одновременно по всей наращиваемой поверхности через про­рези или отверстия в аноде. При этом снижаются остаточные напряжения, возрастает твердость и повышается равномерность покрытия, увеличивается прочность сцепления.

Периодическое изменение направления тока (реверсирование) в процессе хромирования, т. е. хромирование на токе переменной полярности, позволяет улучшить качество осадка и интенсивность процесса более чем вдвое. Осадки имеют более совершенную мелкокристаллическую структуру, достигается более равномерное распределение хрома по всей поверхности, вследствие частичного удаления газов из осадков при электролизе, шероховатость поверхности умень­шается на 1—2 класса. При этом можно получить как пористый, так и гладкий хром. Рекомендуемый режим реверсивного хромирования: плотность тока 60— 150 А/дм2, температура 45—60° С, продолжительность каждого катодного цикла 10—15 мин, анодного — 10—15 с. При увеличении анодного цикла до 15—20 с появляется более густая сетка трещин; дальнейшее увеличение этого периода вызывает ухудшение структуры пористого хрома.

Схема технологического процесса ремонта деталей электролитическим хро­мированием приведена на рис. 7/.

Операции, предшествующие хромированию, являются подготовительными. Шероховатость поверхности под хромирование должна соответствовать девя­тому классу. Окончательное обезжиривание деталей выполняется венской известью, представляющей собой сухую смесь окиси кальция и окиси магния в соотношении 1:1. Известь разводят водой до кашицеобразного состояния и при помощи волосяной щетки протирают поверхность детали. Для удаления окисных пленок применяют химическое или анодное декапирование. Химическое декапирование — слабое протравливание детали (продолжительность до 2 мин) в 3—5%-ном растворе серной или соляной кислоты (для деталей из чер­ных металлов) или в растворе, содержащем 3% азотной и 2% серной кислот (для деталей из цветных металлов).

Анодное декапирование выполняется в электролите того же состава, кото­рый применяется для хромирования; при этом деталь является анодом, а като­дом служат свинцовые пластины. Часто анодное декапирование проводится в той же ванне, в которой хромируется деталь, а полюсность ванны изменяют с помощью рубильника. Анодное декапирование производится в течение 0,5— 1 мин при плотности тока 25—30 А/дм2.

После хромирования деталь промывают, термически обрабатывают (нагрев в масляной ванне до 150—200° С с выдержкой до 3 ч с целью удаления из покрытия водорода, вызывающего хрупкость слоя, а затем шлифуют до получения необходимых размеров.

При анодной обработке у выхода из каналов появляются бугорки высотой до 0,8 мкм. Поэтому отделочные операции рекомендуется выполнять после анодной обработки.

Для сохранения пористости при снятии большого слоя хрома механиче­скую обработку иногда выполняют в два этапа: предварительную после хроми­рования и окончательную после анодной обработки. Для обработки пористого хрома рекомендуется применять анодно-механическое шлифование.

Контроль хромового покрытия осуществляется путем наружного осмотра с целью обнаружения чешуйчатости, шелушения с последующим простукива­нием медным молотком (покрытие не должно отслаиваться).

К преимуществам электролитического хромирования относятся:

1) высокая прочность сцепления покрытия с основным металлом;

2) возможность получения покрытия с высокой износостойкостью, а также с химической и тепловой стойкостью.

Недостатки - длительность, сложность и трудоемкость технологического процесса, особенно вспомогательных операций, ограниченная толщина покры­тия, низкий выход по току и высокая стоимость.

Хромирование применяют при ремонте штоков насосов, гильз цилиндров двигателей и насосов, гнезд подшипников, шеек валов и других деталей. Следует учитывать, что при хромировании можно получить покрытия небольшой толщины. Поэтому восстановление изношенных поверхностей деталей хромиро­ванием применяют, когда необходимо нарастить изношенную поверхность в долях миллиметра или когда надо увеличить износостойкость трущейся части детали.

Задание:

1. Очистить от загрязнений деталь.

2. Провести механическую обработку для придания нужного геометрического размера.

3. Промыть деталь в бензине.

4. Очистить от загрязнений деталь.

 

Рисунок 7 - Схема технологического процесса ремонта деталей элек­тролитическим хромированием

Задание:

5. Провести механическую обработку для придания нужного геометрического размера.

6. Промыть деталь в бензине.

7. Изолировать участки, не подвергаемые меднению.

8. Монтировать деталь втулки на подвеске, шлифовать.

9. Обезжирить деталь в щелочи.

10. Промыть в холодной воде.

11. Провести процесс хромирования при t = 50-70 °С, а плотность тока 50-100 А/.

12. Промывка в воде дистиллированной.

13. Промывка в воде холодной.

14. Промывка в воде горячей.

15. Демонтаж с подвески и снятие изоляции.

16. Сушка.

17. Термическая обработка.

18. Предварительный контроль.

19. Механическая обработка.

20. Окончательный контроль.

21. Вычислить теоретическое количество вещества, выделяющегося при электролизе на катоде Gт.

22. Вычислить коэффициент полезного действия ванны х.

23. Вычислить среднюю толщину слоя металла, осажденного на катоде h.

Практическое занятие № 4.

Ремонт деталей гальваническим наращиванием. Электролитическое осталивание втулок и валов под запрессовку

Цель работы: изучить процесс электролитического осталивания, виды электролитов, преимущества процесса осталивания и недостатки, технологический процесс.

Приборы и материалы: электролиты – хлористое железо, хлористый натрий, хлористый марганец; аноды – малоуглеродистая сталь или железо Армко, ванны с внутренним нагревом и внешним нагревом электролита через масляную рубашку из химически стойких материалов с невысокой теплопроводностью (фаялит, кислотоугарный бетон, силикатные плиты на кислотоупорном цементе).

Гальваническое наращивание металла на поверхность детали основано на процессе электролиза. Под действием постоянного электрического тока, поступающего в электролит через проводники-электроды, положительно заряженные ионы (катионы) движутся к катоду, а отрицательно заряженные ионы (анионы) к аноду (рисунок 8).

Рисунок 8. Схема процесса электролиза

При достижении катода положительными ионами и анода отрицатель­ными образуются нейтральные атомы. В результате на катоде, в качестве которого используется восстанавливаемая деталь, выделяются металл и водород, а на аноде — кислотные и водные остатки.

Электролиз металлов может осуществляться с растворимыми и нерастворимыми анодами. Растворимые аноды изготовляют из железа Армко, меди или никеля в зависимости от вида электролитического процесса; нерастворимые — из свинца, платины и других металлов.

При электролизе с нерастворимыми анодами пополнение электролита ионами металла осуществляется за счет добавления в электролит вещества, содержащего ионы осаждаемого металла.

Теоретическое количество вещества, выделяющегося при электролизе на катоде, согласно закону Фарадея определяется по формуле:

GT = CIT,

где Gr — количество вещества, осаждаемое на катоде, г; С — электрохимиче­ский эквивалент, г/(А·ч); / — сила тока, А; Т — время протекания электри­ческого тока через электролит, ч.

Фактическая масса осажденного металла Gф всегда меньше теоретической, так как в электролите одновременно протекают другие процессы, на что расходуется часть энергии.

При электроосаждении металлов, стоящих в ряду напряжений выше водорода, одновременно с ними происходит выделение водорода, который в большинстве случаев ухудшает качество покрытий, придавая им хрупкость, и увеличивает продолжительность электролиза, так как часть электрической энер­гии расходуется на его выделение.

Отношение фактической массы осажденного металла к теоретической назы­вается выходом по току и характеризует коэффициент полезного действия ванны:

100%.

При хромировании выход по току составляет 12—18%, для других про­цессов гальванического наращивания — 60—90%.