Основные виды гальванических покрытий и области их применения

Способ нанесения покрытия	Толщина покрытия, мкм	Область применения
Хромирование	Многослойное: 15 в легких условия, 30 в средних условиях, 45 в тяжелых условиях	Хромовое покрытие стойко против действия окружающей среды, азотной и щелочной кислот, большинства газов и органических кислот; горячая концентрированная серная кислота и галоидные кислоты растворяют хром; хромовое покрытие хорошо выдерживает равномерно распределенную динамическую нагрузку, но разрушается при сосредоточенном ударе
Цинкование	7 – 12 в легких условиях, 13 – 20 в средних условиях, 25 – 30 в тяжелых условиях	Для защиты от коррозии деталей, работающих во влажной окружающей среде, главным образом деталей из стали и чугуна; детали машин, стальные листы, детали ширпотреба, работающие на открытом воздухе, для повышения защитных свойств подвергают фосфатированию
Кадмирование	7 – 10 в легких условиях, 10 – 15 в средних условиях, 20 – 50 в тяжелых условиях, 35 – 45 в специальных условиях	Для защиты от коррозии конструкций, работающих в контакте с морской водой; защиты от коррозии пружин, резьбовых крепежных деталей, работающих в легких условиях
Меднение	5 – 35	Медное покрытие не может служить защитой от коррозии для железа, поэтому применяют как подслой при никелевом и хромовом покрытиях
Свинцевание	75 – 100 в средних условиях, 10 – 200 и даже 400 в тяжелых условиях	Защита от коррозии металлических конструкций, работающих в условиях контакта с серной кислотой, растворами солей серной кислоты и сернистыми газами. Свинцеванию подвергают детали из стали, чугуна, меди, медных сплавов, алюминия и его сплавов. Для надежности защиты не должно быть пор
Никелирование	Никель без подслоя: 12 в легких условиях, 24 в средних условиях, 36 в тяжелых условиях	Для защиты от коррозии и получения декоративной поверхности; как подслой при хромировании никелем покрывают также детали приборов, аппаратов, автомобилей
Лужение	3 – 5 консервная тара, 20 – 25 пищевые котлы и посуда, 1 – 2 контакты приборов	Лужению подвергают детали из железа, стали, чугуна, меди, латуни, широко применяют в пищевой промышленности для покрытия контактов приборов, для защиты медных кабелей от серы, находящейся в резине, для защиты деталей специальной аппаратуры. Защитные свойства покрытия на деталях из стали, железа, чугуна надежны только при отсутствии пор, беспористость достигается увеличением толщины покрытия
Латунирование	3 – 5	Латунные покрытия хорошо сцепливают с различными покрытиями, обладают хорошей сцепляемостью с каучуком, применяют как подслой при серебрении, никелировании, лужении и других покрытиях

Гальваническое хромирование может быть декоративным или служить средством повышения коррозионной стойкости и износостойкости деталей. Если хромирование применяют для защиты от коррозии, то стальные детали предварительно покрывают слоем меди толщиной 0,03 - 0,04 мм и слоем никеля толщиной 0,015 - 0,02 мм или только слоем никеля, после чего наносят слой хрома толщиной 0,01 - 0,2 мм. Подслои необходимы также, когда детали работают на износ в коррозионных средах.

Для повышения износостойкости деталей слой хрома толщиной до 0,1 - 0,2 мм наносят непосредственно на стальную поверх­ность. В этих случаях часто применяют электролитическое хроми­рование. Электролитический хром обладает высокой коррозион­ной стойкостью, низким коэффициентом трения, высокой твердо­стью (НВ 1000 - 1100) и жаростойкостью. Хромовые покрытия снижают коэффициент трения сопряженных пар, что уменьшает тепловыделение при трении. Износостойкость хромированных де­талей возрастает в 5 - 15 раз. При тщательной подготовке поверхности прочность сцепления хрома со сталью, чугуном, никелем, медью и латунью при испытании на сдвиг достигает 300 МПа. Од­нако стали с высоким содержанием вольфрама и кобальта, а также высокоуглеродистые стали и высококремнистые чугуны хромиро­вать нельзя. Трудно получить хорошее сцепление хрома с поверх­ностью деталей, испытывающих значительные внутренние напря­жения (например, в результате неправильной закалки).

В качестве электролита для хромирования обычно применяют хромовый ангидрид с добавками серной кислоты. Не­растворимые аноды изготовляют из свинца или сплава с сурьмой. Электролиты с более низкой концентрацией хромового ангидрида позволяют получить повышенную твердость хромового слоя. Од­нако при работе с ними нужно чаще корректировать состав ванны и применять более высокое напряжение.

Физико-механические свойства электролитических осадков хрома зависят от режима хромирования и толщины покрытия. Раз­личают три основных типа хромовых покрытий: молочные, бле­стящие и матовые. Для декоративных целей применяют хромиро­вание при плотности тока 10-50 А/дм² и температуре электролита 45 - 50 °С. При этом получают гладкие блестящие поверхности.

Молочные хромовые покрытия получают при температуре электролита 65 - 72 °С и плотности тока более 15 А/дм². Их при­меняют главным образом для защиты деталей от коррозии. Для повышения износостойкости деталей используют матово-блестящие, молочно-блестящие осадки хрома, имеющие высокую твердость. Их получают при плотностях тока 30 - 100 А/дм² и температуре электролита 55 - 65 °С.

Для повышения износостойкости деталей применяют также пористое хромирование, отличающееся от твердого введением операций травления (анодной обработки) после наращивания бле­стящего, матово-блестящего или молочно-блестящего хрома, дающего сетку тончайших трещин. Травление ведут в той же ван­не, что и хромирование, причем анодом служат обрабатываемые детали, а катодом - свинец. Глубина пор может быть 0,5 - 1,0 мм, а их площадь 20 - 50 %.

Оптимальная плотность тока для получения покрытий с тон­чайшими первичными трещинами 40 - 60 А/дм² при температуре электролита 50 - 75 °С. С повышением температуры пористость уменьшается, а ширина каналов (пор) увеличивается (сетка пор становится редкой).

В зависимости от режимов обработки пористость может быть канальчатой (с сечением каналов примерно 0,05 ´ 0,05 мм) или точечной. При плотности тока 40 А/дм² и температуре электролита 45 - 60 °С для получения канальчатого пористого покрытия анод­ную обработку ведут в течение 7-8 мин, для получения точечного покрытия 11-12 мин. В первом случае травят молочные и молочно-блестящие осадки, во втором - матовые и матово-блестящие с последующей притиркой. Точечная пористость обладает большей маслоемкостью, поэтому ее применяют для упрочнения деталей, работающих в особо тяжелых условиях, например для верхних компрессионных поршневых колец двигателей. Точечная порис­тость характеризуется быстрой прирабатываемостью, но износо­стойкость покрытия с точечной пористостью несколько ниже из­носостойкости канальчатого покрытия. Канальчатое покрытие применяют для гильз цилиндров. Износ пористохромированных гильз и поршневых колец меньше нехромированных в 4 - 7 раз, причем износ сопряженных стальных деталей уменьшается в 3-5 раз.

Наряду с пористыми покрытиями для повышения износостой­кости деталей применяют плотные покрытия, наносимые по на­катке. Срок службы их в 1,5-2 раза больше пористых покрытий, а расход хрома меньше (30-50 % от расхода при канальчатом хро­мировании).

После хромирования детали часто подвергают шлифованию и доводке. При снятии большого слоя хрома для сохранения порис­тости после механической обработки шлифование иногда выпол­няют в два этапа: предварительное после хромирования и оконча­тельное после анодной обработки. Шлифование хромированных деталей рекомендуется выполнять шлифовальными кругами СМ1-С2 зернистостью 36 - 46 или СМ1-С1 зернистостью 60 - 80 при скорости вращения круга 20-35 м/с, скорости вращения дета­ли не менее 10 м/мин, глубине резания 0,005 – 0,015 мм/дв. ход, подаче 0,2 - 0,5 (в долях круга) и расходе охлаждающей жидкости 15 л/мин. При обработке, особенно анодной, у выхода из каналов появляются бугорки высотой до 0,8 мкм, поэтому отделочное шлифование, хонингование или доводку рекомендуется выполнять после анодной обработки.

Качество хромового покрытия контролируют дважды: после хромирования и после шлифования. При предварительном кон­троле наружным осмотром выявляют наросты, непокрытые места, отслаивание, чешуйчатость, раковины, следы шелушения и другие дефекты.

Упрочнение хромированием широко применяют в машино­строении и приборостроении для повышения износостойкости ци­линдров и двигателей, поршневых колец, плунжерных пар топ­ливных насосов дизелей и других деталей, а также при изготовле­нии и ремонте режущего, измерительного инструмента и штампов.

При хромировании калибров, пробок, скоб, крепежных дета­лей, арматуры толщина слоя хрома 3-10 мкм; деталей, работаю­щих при давлении выше 2,5 МПа с динамическими нагрузками и нагревом [пресс-форм для литья под давлением, пуансонов, мат­риц для алюминия, режущего инструмента (развертки, фрезы, прошивки, зенкеры)], 15 мкм; деталей, у которых хромированная поверхность соприкасается с металлом, парами и газами под дав­лением и покрытие подвергается нагреву (пресс-форм для пласт­массы, формовочных штампов, сопел), 30-50 мкм; деталей, рабо­тающих при средних давлениях (0,5 - 2,5 МПа), например шеек роторов, шпинделей, пальцев и валиков в шарнирах, соединитель­ных пальцев, поверхностей шеек и кулис, 50 - 60 мкм; деталей, работающих на изнашивание поверхности при давлении 0,5 МПа, например измерительных инструментов (калибров, пробок, скоб, направляющих валиков и втулок), до 80 мкм; деталей, работающих без динамических нагрузок и без перемещений хромированной поверхности (гнезд подшипников; деталей, требующих доводки), до 100 мкм; трущихся деталей станков, машин и механизмов (шеек валов и зубчатых колес, соединительных пальцев, валиков, щек кулис, шпинделей, шеек осей, реек, червяков) - 10 - 15 мкм; дета­лей, требующих восстановления размеров, прессовых и плотных соединений, гнезд шарикоподшипников - до 1000 мкм; цилиндров двигателей внутреннего сгорания - 20 - 50 мкм; вытяжных и обрубных штампов - 3 - 10 мкм; пресс-форм для пластмасс, резины и стекла - 40 - 60 мкм; пресс-форм для литья металла под давле­нием - 10-20 мкм.

Качество хромирования зависит от выбора подвесного уст­ройства, расположения анодов по отношению к покрываемой по­верхности и защиты мест, не подлежащих покрытию. Подвесные устройства нужно конструировать так, чтобы между анодом и ка­тодом (покрываемой поверхностью) было одинаковое расстояние по всему объему ванны, а электролит был ограничен непроводя­щими ток поверхностями, предотвращающими отклонение сило­вых линий. Утечка устраняется полной изоляцией одного из элек­тродов. Для выхода газов, образующихся между анодом и като­дом, можно делать отверстия в аноде. Равномерности отложения хрома, особенно при размерном хромировании, способствует ус­тановка в ванне экранов. Нехромируемые места обычно изолиру­ют листовым целлулоидом, целлулоидными лаками (цапонлак, эмалит), полихлорвиниловым пластикатом.

Для покрытия небольших участков крупных деталей (напри­мер, шеек длиной до 200 мм трансмиссионных и других валов длиной 5 - 10 м) целесообразно применять местное хромирование, без погружения в ванну всей детали.

Большой интерес представляет хромирование деталей, рабо­тающих в условиях кавитационного разрушения. Стойкость мо­лочного хромового осадка к кавитационному разрушению не зави­сит от основного материала детали. Кавитационное разрушение молочного хрома в 13 раз меньше износа стали 45; в этом отноше­нии он не уступает высокохромистым сталям 9X13, Х9С2, а также сталям У8, ШХ15, ХВГ, обработанным на высокую твердость.

Твердое никелирование

Для повышения износостойкости трущихся поверхностей де­талей и восстановления их размеров часто применяют твердое ни­келирование. Никелевые покрытия имеют меньшую твердость, чем хромовые, и обладают следующими преимуществами: они сравнительно легко обрабатываются, имеют большую вязкость при толщине слоя до 2 мм; коэффициент линейного расширения никеля близок к коэффициенту линейного расширения стали, в то время как у хрома он в несколько раз выше.

При твердом никелировании требуется в 3 - 4 раза меньше мощность источников постоянного тока, чем при хромировании, а расход энергии примерно в 20 раз меньше.

Электролиты твердого никелирования имеют различные со­ставы. На приборостроительных заводах рекомендуется использо­вать электролит следующего состава: 140 г/л сернокислого никеля и 300 г/л щавелевокислого аммония с кислотностью Н 7,5 - 8 при плотности тока 10 А/дм² и температуре электролита 75 - 80 °С. Скорость осаждения никеля в таком электролите 50 - 60 мкм/ч; получаемые осадки имеют микротвердость 5500-6500 МПа.

Для повышения твердости и улучшения сцепляемости с ос­новным металлом детали, покрытые твердым никелем, желательно в течение 1 ч подвергать термической обработке в муфельных пе­чах при температуре 300 - 400 °С. Это на 2000 - 2500 МПа увели­чивает микротвердость покрытия и повышает коррозионную стой­кость деталей.

Технологический процесс твердого никелирования обычно включает следующие операции: механическую обработку для придания точности формы; устранение дефектов с поверхности, подлежащей покрытию, и получение необходимой чистоты; изо­ляцию мест, не подлежащих покрытию; обезжиривание деталей венской известью; промывку в холодной воде; электролитическое травление в серно-фосфорном электролите; промывку в горячей воде; осаждение на рабочую поверхность сплава никель - фосфор; термическую обработку при температуре 400 °С в течение 1 ч (она увеличивает твердость слоя и прочность его сцепления с основа­нием на 20 - 30 %); механическую обработку и окончательный контроль.

Травление ведут в электролите, состоящем из одной части H₂S0₄ и четырех частей Н₃Р0₄, при плотности тока 20 А/дм² в те­чение 2,0 - 2,5 мин. При выборе твердого никелирования как спо­соба восстановления размеров и повышения износостойкости де­талей следует учитывать, что в зависимости от состава электроли­та и режимов обработки физико-механические свойства осажден­ного сплава никель - фосфор резко изменяются. Так, с увеличени­ем содержания фосфора в покрытии его твердость возрастает: при отсутствии фосфора она составляет HRC_э 32, а при содержании 1,5 % фосфора HRC_э 57. Количество фосфора в сплаве регулируют путем изменения концентрации гипофосфита в электролите; уве­личение концентрации от 0,08 до 10 г/л повышает содержание фосфора в покрытии.

Коррозионная стойкость фосфористо-никелевых покрытий в условиях окружающей среды и в водопроводной воде выше хро­мовых и обычных никелевых покрытий. Прочность сцепления с мало- и среднеуглеродистыми сталями 120 - 140 МПа, с легиро­ванными 70 - 90 МПа. Коэффициент трения стали по чугуну на 30 % ниже коэффициента трения стали по хрому; коэффициент трения хрома по бронзе несколько выше. При трении без смазоч­ного материала износостойкость покрытия в 2,5 - 3 раза выше, чем износостойкость закаленной стали 45, и на 10 - 20 % ниже, чем износостойкость хрома. Покрытия из фосфористого никеля мень­ше снижают усталостную прочность, чем хромовые и обычные никелевые. Изнашиваемость сопряженных деталей из различных металлов при работе по фосфористо-никелевым покрытиям в 4 - 5 раз меньше, чем при работе по стали, и на 20 - 40 % меньше, чем при работе по хрому.

Упрочнять и восстанавливать твердым никелированием мож­но детали типа коленчатых валов, шпинделей металлорежущих станков, поршневых пальцев, гильз цилиндров, поршней гидрав­лических машин, направляющих втулок. Твердое никелирование можно применять также при ремонте неподвижных посадок и деталей приборов. При восстановлении таких деталей, как шпиндели металлорежущих станков, шейки коленчатых валов, гильзы ци­линдров, осаждают слой твердого никеля толщиной 0,75 - 1,25 мм.

Борирование

Электролитическое борирование заключается в том, что в ре­зультате электролиза расплавленной буры Na₂B₄0₇ создается эле­ментарный бор, который в момент выделения диффундирует в ме­талл, образуя на его поверхности бориды железа, а при наличии углерода - карбиды бора. При электролитическом борировании плотность тока 0,20 - 0,25 А/дм². Температуру электролита регу­лируют с помощью реле и контактного терморегулятора. Питается установка постоянным током.

Основные технологические факторы, влияющие на физико-механические и эксплуатационные свойства борированного слоя: температура электролита, время выдержки и химический состав материала обрабатываемых деталей.

Толщина борированного слоя на низколегированных сталях при температуре до 950 °С составляет около 0,3 мм. При дальней­шем повышении температуры она увеличивается мало, но значи­тельно возрастает хрупкость слоя. С увеличением времени вы­держки t толщина слоя возрастает по параболическому закону:

y²=2Pt,

где 2Р - параметр, характеризующий скорость роста слоя.

Среднее значение параметра 2Р можно определить как тан­генс угла наклона параболических кривых, построенных в коорди­натах у² = t. При выдержке более 8 ч сильно увеличивается хруп­кость слоя. Твердость борированного слоя HV 2000 - 2500. Наи­большую твердость имеет борированная поверхность деталей из сталей 55С2А и 30ХГСА, несколько меньшую - из сталей 12ХН2А и 12XН3 А, еще меньшую - из сталей 40Х и 35.

При любой температуре (прочие условия одинаковые) макси­мальная толщина борированного слоя получается на деталях из стали ЗОХГСА и последовательно уменьшается на деталях, изго­товленных из сталей 50С2А, 12ХНЗА, 12ХН2А, 35 и 40Х. Реко­мендуется детали из указанных сталей борировать при температу­ре 950 °С и выдержке 6 ч. При этих условиях получается слой наи­лучшего качества и достигается высокая износостойкость борированных деталей. Из сталей, подвергнутых сравнительным испыта­ниям, после борирования наиболее износостойкой оказалась сталь 12ХН2А, а затем стали 12ХНЗА и 40Х.

Слой бора не изменяет своих свойств при нагреве до темпера­туры

950 °С и обладает повышенными кислотостойкостью и жаро­стойкостью при температуре до 800 °С. Прочность его сцепления с основным металлом такая же, как и прочность цементованного слоя. Высокая твердость слоя бора сообщает поверхности деталей хорошую износостойкость. Вот почему борированием упрочняют детали машин, работающие в тяжелых условиях (при наличии аб­разивной среды и ударных нагрузок); к таким деталям можно от­нести втулки буровых насосов. Как показал опыт, борирование рабочей поверхности втулок позволяет увеличить их износостой­кость почти в 4 раза по сравнению с износостойкостью втулок, закаленных ТВЧ.