Способ нанесения покрытия

 

Изобретение относится к гальванотехнике и может быть использовано для восстановления и упрочнения внутренних поверхностей деталей, например, для цинкования корпусных деталей запорного газового оборудования. Нанесение покрытия осуществляют методом электролитического натирания обрабатываемой поверхности вращающимся инструментом, на боковой поверхности которого расположены электроды в виде секторов из пористого материала, к которым радиально подводят электролит, при этом линейную скорость наружной поверхности электродов V_mex выбирают из диапазона: где α_н - эквивалент газовыделения водорода, г/мин; ρ_н - плотность газа водорода, г/см³; Q_н - количество водорода, выделяющегося с единицы площади обрабатываемой поверхности в единицу времени, см³; α_мс - химический эквивалент осаждения металла покрытия, г·см²/A·мин; J_к - катодная плотность тока, А/см²; c - концентрация активного компонента металла покрытия в электроде, г/см³; Q_э - количество подводимого электролита к единице площади пористого материала в единицу времени, см³; L - ширина сектора пористого материала электрода, см; R_э, R_н - водо- и газопроницаемость пористого материала электрода соответственно (безразмерен). 1 табл., 1 ил.

Изобретение относится к гальванотехнике и может быть использовано для восстановления и упрочнения внутренних деталей, например для цинкования корпусных деталей запорного газового оборудования.

Известен способ электрохимического нанесения покрытий на поверхность сложнопрофильных изделий (патент РФ N 2004634, МКИ 5 C 25 D 21/12), согласно которому осуществляют электрохимическое натирание обкаткой изделия анодом -инструментом при вращении изделия вокруг своей оси, при этом регулируют напряжение между изделием и инструментом с учетом текущего значения площади натирания. Данный способ позволяет выровнять толщину слоя покрытия по профилю изделия. Однако данный способ имеет тот недостаток, что в нем не учитываются процессы непрерывного осаждения металлического покрытия и своевременного удаления образующегося при этом газа с упрочняемой поверхности, что в конечном итоге приводит к снижению качества покрытия по пористости и шероховатости.

Известен способ нанесения покрытия методом электрохимического натирания, описанный в а.с. N 685727, МКИ 2 C 25 D 5/04, который взят в качестве прототипа. По данному способу нанесение покрытия осуществляют методом электролитического натирания вращающимся относительно изделия инструментом, на внешней поверхности которого секторами расположен пористый материал, а электролит подводят к пористому материалу через отверстия. Данный способ позволяет повысить производительность процесса с обеспечением равномерного по толщине слоя покрытия. Однако в данном способе стремление повысить производительность одновременно снижает качество покрытия по пористости и шероховатости, так как не нормируется скорость относительного вращения детали и инструмента с учетом технологических и конструкционных параметров процесса натирания.

Задачей изобретения является повышение качества гальванического покрытия по пористости и шероховатости при сохранении высокой производительности за счет регламентации скорости относительного вращения электрода-инструмента и обрабатываемой детали исходя из технологических и конструктивных параметров процесса натирания.

Задача решается тем, что в способе нанесения покрытия, включающем электролитическое натирание обрабатываемой поверхности цилиндрическим инструментом, вращающимся вокруг своей оси, на боковой поверхности которого с равномерным шагом расположены электроды в виде секторов из пористого материала, к которому радиально подводят электролит, линейную скорость наружной поверхности электродов V_mex выбирают из диапазона где α_н эквивалент газовыделения водорода, г/мин; ρ_н плотность газа водорода, г/см³; Q_н количество водорода, выделяемого с единицы площади обрабатываемой поверхности в единицу времени, см³; α_мс химический эквивалент осаждения металла покрытия ; J_к катодная плотность тока, А/см²; c концентрация активного компонента металла покрытия в электролите, г/см³; Q_э количество подводимого электролита к единице площади пористого материала в единицу времени, см³;
L ширина сектора пористого материала электрода, см;
R_э, R_н водо- и газопроницаемость пористого материала электрода соответственно (безразмерен).

При нанесении местного гальванического покрытия на внутренние кольцевые поверхности методом натирания вращающимся инструментом с несколькими рабочими анодами-тампонами (электродами), каждый из них представляет собой электролизную ячейку, которая непрерывно скользит с мягким прижимом по упрочняемой поверхности. При этом на участке поверхности шириной L, перекрываемой электродом, осуществляется гальванический процесс. С одной стороны, для обеспечения заданного качества наносимого покрытия по шероховатости требуется выполнять условие достаточности времени процесса для воспроизведения времени процесса для воспроизведения элементарного эффекта гальванического массопереноса

где
скорость нарастания слоя покрытия, определяемая электрохимическими процессами;
скорость подвода к обрабатываемой поверхности активного вещества в электролите;
при этом ,
где
α_мс -химический эквивалент осаждения металла покрытия ;
J_к катодная плотность тока;
а
где
Q_э количество подводимого электролита к единице площади пористого материала в единицу времени, см³;
R_э водопроницаемость пористого материала электрода (безразмерен);
c концентрация активного компонента металла покрытия в электролите, г/см³;
t_mex технологическое время контакта участка обрабатываемой поверхности с сектором электрода, мин;

тогда
так как
где α ширина сектора пористого материала;
V_mex линейная скорость наружной поверхности электродов
то
С другой стороны, в процессе осаждения покрытия на упрочняемой поверхности выделяется водород, который необходимо непрерывно удалять с целью повышения стабильности процесса массопереноса и формирования минимальной пористости. Вследствие этого технологическое время контактирования тампона (электрода) с участком обрабатываемой поверхности должно быть ограничено возможностью удаления образующегося газа через пористый материал тампона:

где
скорость выделения газа водорода с поверхности обрабатываемой детали, см³/мин;
скорость отвода газа пористым материалом тампона, см³/мин;
при этом
где
α_н эквивалент газовыделения водорода, г/мин;
ρ_н плотность газа водорода, г/см³;
a
гдe
Q_н количество водорода, выделяющегося с единицы площади обрабатываемой поверхности в единицу времени, см³;
R_н газопроницаемость пористого материала электрода (безразмерен);
тогда
так как
то
Избыток выделяющегося газа, который пористый материал не в состоянии вывести из зоны электролитического осаждения по механизму вытеснения электролитом, удаляется при вращении инструмента путем механического съема избыточных пузырьков водорода пористым материалом электрода в межэлектродное пространство.

Таким образом, для обеспечения качества по шероховатости и пористости технологическую линейную скорость наружной поверхности электрода необходимо выбирать из диапазона:

Сущность изобретения поясняется чертежом. Внутреннюю поверхность детали 1 обрабатывают инструментом, имеющим цилиндрический корпус 2 из материала покрытия. На боковой поверхности корпуса инструмента равномерно расположены электроды в виде секторов 3 из пористого материала, образующего тампон. В корпусе выполнены радиальные отверстия 4 для подвода электролита к секторам 3.

Для обеспечения процесса гальванического натирания инструмент вращают с обеспечением равномерного легкого касания пористого материала электродов 3 с обрабатываемой поверхностью. Пористый материал пропитывают электролитом путем подачи его через радиальные отверстия 4. При подаче постоянного электролитического тока на деталь и инструмент, сектора 3 пористого материала, пропитанного электролитом, образуют электролитические ячейки.

Пример. Осуществляли нанесение коррозионностойкого цинкового покрытия на нижний и верхний полукорпуса запорного газового оборудования, выполненного из cтали 09ГС.

Выбор покрытия из цинка обусловлен обеспечением непрерывности анодной защиты поверхности стали, так как оно "залечивает" открытые поры в покрытии в процессе эксплуатации оборудования.

Требования к качеству покрытия верхнего полукорпуса более толстый слой с допустимой пористостью до 5%
Требования к качеству покрытия нижнего полукорпуса менее толстый слой, но более жесткие условия по пористости исходя из специфики эксплуатации нижнего полукорпуса запорного оборудования.

Нанесение покрытия осуществляли инструментом с корпусом из цинка и диаметром 70,0 см. На боковой поверхности инструмента равномерно механически были закреплены четыре сектора электродов из пористого материала фетра из стекловолокон ГОСТ 4659-72 шириной L 15 см и толщиной слоя 0,5 см с водо- и газопроницаемостью R_э≈R_н≈0,8.

Для нанесения покрытия использовали электролит следующего состава: окись цинка ZnO 10 г/л (C 10^-2 г/см³); едкий натр NaOH 152 г/л; вода дистиллированная 1 л; температура электролита регулировалась в пределах 30±5^oC.

Для заданных конструктивных и технологических параметров процесса предварительно определяли предельные значения технологической линейной скорости наружной поверхности электродов.

для заданных значений:

J_k 2·10^-2 А/см²;
c 10^-2 г/см³;
Q_э 2 см³;
L 15 см;
R_э 0,8;


для заданных значений:
α_н= 10^-7г/мин;
ρ_н= 0,9·10^-7г/см³;
Q_н 2 см³;
R_н 0,8;

Для нанесения цинкового покрытия на верхний полукорпус технологическая скорость выбиралась равной
для нижнего полукорпуса
Время всего цикла обработки в обоих случаях равнялось 20 мин.

В таблице приведены результаты по покрытиям для верхнего и нижнего полукорпуса.

Как видно из таблицы, заявленный способ нанесения покрытий позволяет повысить качество гальванического покрытия по пористости и шероховатости, что в конечном итоге увеличивает срок службы упрочняемых деталей, в первую очередь за счет значительного повышения их коррозионной стойкости.

Формула изобретения

Способ нанесения покрытия, включающий электролитическое натирание обрабатываемой поверхности вращающимся вокруг оси цилиндрическим инструментом, на боковой поверхности которого с равномерным шагом расположены электроды в виде секторов из пористого материала, к которым радиально подводят электролит, отличающийся тем, что линейную скорость наружной поверхности электродов V_max выбирают из диапазона

где α_н эквивалент газовыделения водорода, г/мин;
ρ_н плотность газа водорода, г/см³;
Q_н количество водорода, выделяющегося с единицы площади обрабатываемой поверхности в единицу времени, см³;
α_мс химический эквивалент осаждения металла покрытия, г·см²/А·мин;
I_к катодная плотность тока, А/см²;
C концентрация активного компонента металла покрытия в электролите, г/см³;
Q_э количество подводимого электролита к единице площади пористого материала в единицу времени, см³;
L ширина сектора пористого материала электрода см;
R_э, R_н водо- и газопроницаемость пористого материала электрода соответственно, безразмерн.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2