Катодно-механическое хромирование или гальванохонингование?

Сравнение процесса катодно-механического нанесения покрытий с процессом гальванохонингования демонстрирует существенное принципиальное различие между этими процессами и технологическими параметрами, благодаря чему можно сделать правильный выбор технологии для решения конкретных производственных проблем.

В работе [3] мы рассмотрели процесс катодно-механического хромирования [1, 2] и провели сравнение с процессом гальванохонингования [5]. Была показана существенная, принципиальная разница между этими процессами, приведены параметры процессов, позволяющие произвести правильный выбор технологии для решения конкретных производственных задач. Однако, общение с широкими кругами специалистов показывает, что до настоящего времени распространено ошибочное мнение, что катодно-механическое хромирование тождественно гальваническому хонингованию. Это мнение отражено, например, в работе [4].

В связи с изложенным, считаем целесообразным еще раз провести сравнение процессов катодно-механического хромирования (КМХ) и гальванохонингования (ГХ) и привести дополнительные сведения по этому вопросу.

Рассмотрим принципиальные отличия способов ГХ и КМХ. Процесс ГХ (прототип при первой заявке на изобретение КМХ [5]) осуществляется при механическом воздействии на хромируемую поверхность в процессе хромирования.

При этом производится резание покрытия в процессе нанесения, происходит загрязнение электролита продуктами износа инструмента и покрытия. Вследствие частичного растворения продуктов износа в электролите растет содержание железа и хрома, качество электролита снижается.

Процесс КМХ осуществляется при механическом воздействии на хромируемую поверхность полированным токонепроводящим инструментом. Отличительным признаком способа КМХ является скольжение полированного инструмента по жидкой (или полужидкой) катодной пленке электролита на хромируемой поверхности. Износ хромируемой поверхности и инструмента в процессе КМХ отсутствует, загрязнения электролита продуктами износа инструмента и покрытия нет. Более того разработан акустический способ установления оптимального давления инструмента при процессе КМХ. Первоначально устанавливают давление инструмента заведомо выше требуемого и плавно снижают давление инструмента до исчезновения звука, возникающего при прорыве катодной пленки инструментом. Так добиваются скольжения инструмента по жидкой (или полужидкой) катодной пленке.

При процессе ГХ усилия в системе станок- инструмент- деталь намного выше, чем в процессе КМХ.

Основой для осуществления процесса ГХ являются хонинговальные станки. Удельное давление хонов на хромируемую поверхность в процессе ГХ устанавливают в широком диапазоне, в зависимости от целей процесса - предварительное хонингование для исправления формы обрабатываемого изделия и большого съёма металла, или чистовое хонингование. Часто применяют удельное давление в интервале 0,3 -1,0 Мпа. Но специфика процесса ГХ такова, что количество хонов, их размеры и площадь контакта хонов с обрабатываемой деталью весьма велики, в связи с чем силы в системе станок-инструмент – деталь в процессе ГХ намного больше, чем такие силы в процессе КМХ. Большое значение имеет и характер взаимодействия инструмента и хромируемой поверхности - резание, тогда как в процессе КМХ - скольжение по полужидкой пленке электролита.

Процесс КМХ осуществляется без значительного силового воздействия на хромируемую поверхность, оборудованию не требуются высокие прочность и жесткость, что значительно упрощает и удешевляет процесс КМХ в сравнении с процессом ГХ.

Процесс ГХ, как и процесс хонингования, позволяет изменять и исправлять дефекты формы хромируемых деталей. Процесс КМХ только повторяет форму хромируемых деталей. Исправить дефекты формы (эллипсность, бочкообразность, конусность) способом КМХ невозможно.

Отсутствие реального силового контакта инструмента с хромируемой поверхностью в процессе КМХ дает и другие важные свойства процесса. Если процесс ГХ можно эффективно осуществлять только инструментом с твердостью выше твердости хромового покрытия, то процесс КМХ можно проводить инструментом более мягким, чем хром и сталь. Более того, можно проводить процесс КМХ неметаллическими, в частности, полимерными инструментами.

Полезно вспомнить, что известен и способ электрохимического хонингования (ЭХХ), при котором на механическое воздействие брусков накладывается эффект электрохимического (анодного) растворения металла. Распространение получила схема со специально установленными в хонинговальной головке катодами и токонепроводящими или изолированными абразивными брусками. Конструкция станка для электрохимического хонингования мало отличается от конструкции обычного хонинговального станка. Число оборотов, скорость возвратно-поступательного движения хонов, механизм радиальной подачи хонинговальных брусков примерно одинаковы. Некоторые различия, обусловленные особенностями электрохимического процесса, состоят в том, что от отрицательного полюса источника ток медно-графитовыми щетками с помощью коллектора на вращающемся шпинделе подводится к хонинговальной головке. Приспособление с обрабатываемой деталью подключено к положительному полюсу. Естественно, процесс ЭХХ не позволяет наносить на обрабатываемую деталь гальванические покрытия. Процесс ЭХХ осуществляется при плотности тока 2-5 А/дм2, давлении инструментов 0,2-0,6 МПа.

Для исследования процесса КМХ была проведена серия экспериментов. Исследовали величину трения между инструментом и образцом на различных режимах процесса для ответа на вопрос: сохраняется ли катодная плёнка на хромируемой поверхности при воздействии на поверхность полированным инструментом. Величина трения оценивалась косвенным методом по мощности, потребляемой приводом вращения образца. Катодная плёнка имеет высокую вязкость и высокие антифрикционные свойства. На трущихся поверхностях катодная плёнка проявляет себя как смазка, снижающая работу сил трения.

Эксперимент проводился при плотности катодного тока 100А/дм2, температуре электролита 60оС, давлении инструмента 0,8 МПа.

Начинали процесс без подачи рабочего тока. При включении рабочего тока мощность,  потребляемая приводом вращения, снижалась на 35-39% по сравнению с её величиной при трении инструмента по образцу, не покрытому катодной пленкой.

Интерес представляет и скорость формирования катодной пленки.  Она оценивалась по изменению величины тока привода вращения.

Было установлено, что после включения рабочего тока хромирования ток привода вращения уменьшается не мгновенно. В нашем эксперименте по результатам фиксации шлейфовым осциллографом ток привода устанавливался за 0,26 с.

Были проведены эксперименты по хромированию специального образца, представляющего фторопластовый цилиндр с участком стальной поверхности на поверхности размером 5 х 5 мм и внутренним подводом тока к нему. К образцу прижимался инструмент шириной 5 мм. При вращении образца с катодным участком поверхности соприкасался инструмент с частотой 1 оборот – одно касание. Параметры процесса фиксировались шлейфовым осциллографом.

Хромирование производилось при плотности тока 100 А/дм2 и начиналось без вращения образца.

При включении вращения вследствие перекрытия поверхности катодного участка инструментом ток падал до ноля. После прохождения инструмента по катодному участку происходил бросок тока.

Пиковые значения плотности тока на элементарном катодном участке достигали 300 - 350А/дм2. Далее при восстановлении катодной пленки ток быстро снижался до установленного заранее – в нашем эксперименте 100 А/дм2. Именно в краткий период до восстановления обычной катодной пленки при хромировании с высокой плотностью тока и возникает эффект КМХ - образование гладкого, зеркального покрытия.

Экспериментально установлено, что катодная плёнка восстанавливается за время не более 0,7 с, далее процесс хромирования становится обычным.

Таким образом, мы рассмотрели технологические преимущества процесса КМХ в сравнении с процессом ГХ. Но для потребителя важнее всего - есть ли разница в качестве покрытия способами КМХ и ГХ? И здесь покрытие, полученное способом КМХ, имеет решающие, важные преимущества в сравнении с покрытием, полученным способом ГХ.

При механической обработке хромового покрытия способами шлифования, хонингования (да и при термообработке хромированного изделия для удаления водорода из покрытия), всегда происходит разрушение хромового покрытия на микроуровне. В покрытии образуется множество микротрещин, покрытие разуплотняется, снижается его стойкость к ударным нагрузкам, трению. Такие же дефекты являются существенными недостатками покрытий, полученных способом гальванохонингования.

Покрытия, полученные способом КМХ, никогда не имеют таких изъянов. В покрытии, полученном способом КМХ, отсутствуют микротрещины, поры. В процессе хромирования способом КМХ шероховатость покрытия не растет, как при стандартном хромировании, а снижается. В пределе она достигает Ra 0,025 мкм при исходной чистоте Ra 0,125 мкм. Процесс выравнивания поверхности хромового покрытия можно объяснить различиями уровня воздействия инструмента на впадинах и выступах рельефа поверхности. С выступов поверхности инструмент удаляет катодную пленку более эффективно, вследствие чего во впадинах рельефа скорость осаждения покрытия выше, чем на выступах. Таким образом, возникает эффект КМХ - получение зеркального, абсолютно гладкого покрытия.

Предполагается, что катодная пленка, образующаяся при электролизе хромовокислотных электролитов, состоит из двух слоёв, различных по составу и свойствам.

Внешний слой образован продуктами восстановления хромовой кислоты, имеет коллоидный характер и диффузную структуру с наименьшей плотностью на границе с электролитом. Внутренний слой, прилегающий к катоду, намного тоньше и плотнее наружного, значительно прочнее его. Возможно, он состоит их оксидов, хроматов, их ассоциатов, с различными уровнями полимеризации. Можно предположить, что при процессе КМХ удаляется основная часть наружного слоя и полностью сохраняется внутренний прочный слой.

Существенно изменяются условия проникновения хрома во внутренний слой, изменяется кислотность в приэлектродном слое, электропроводность, условия выделения твердой фазы – атомов хрома. В результате образуется хромовое покрытие с мелкозернистой структурой, с исключительно низкой шероховатостью, практически зеркальное. Технология КМХ позволяет получать покрытия с полезными напряжениями сжатия, вместо характерных для обычного хромового покрытия вредных напряжений растяжения.

К инструментам, для осуществления процесса КМХ предъявляются следующие требования:

  • неэлектропроводность;
  • химическая стойкость в электролите;
  • низкая шероховатость поверхности.

Дополнительное существенное практическое требование – приемлемый уровень износостойкости.

Хотя при процессе КМХ нет жесткого механического контакта инструмента и хромируемой детали, все-таки износостойкость для инструментов необходима. Это связано с тем, что возможны краткие периоды контакта инструмента с вращающейся деталью без подачи рабочего тока (например, при установлении оптимального давления инструмента на деталь, как это указано выше).

Для выбора материала инструментов были проведены эксперименты по КМХ с инструментами из следующих материалов:

  • фторопласт;
  • поливиниловый пластикат;
  • полиуретан термостойкий группы С;
  • капролактам;
  • эльбор на керамической связке;
  • бруски алмазные на органической связке;
  • фарфор;
  • электрокорунд белый;
  • электрокорунд серый;
  • минералокерамика В3 или ВОК-60.

Эксперименты показали, что процесс КМХ можно осуществлять инструментами, изготовленными из разных материалов. Непригодны все материалы, химически нестойкие в электролите хромирования. К ним относятся: поливиниловый пластикат, полиуретан, капролактам,  абразивные бруски на нестойких в электролите связках.

Наилучшие результаты дали полированные инструменты из минералокерамики В3 и ВОК-60, имеющие высокие электроизоляционные свойства. Следует указать, что минералокерамические пластинки в условиях их серийного производства имеют значительный разброс по электропроводности. При заказе таких пластинок необходимо особо оговаривать контроль электропроводности всех пластинок.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Богорад Л.Я., Кнопова Л.К., Цветков А.М., Цветкова Л.А. и др. А. с. 875888 СССР. Способ хромирования.
  2. Жеско Ю.Е., Зубер Д.Л. Патент РФ № 2215830. Способ хромирования. // Б.И. 2003. №31.
  3. Жеско. Ю.Е. Катодно-механическое хромирование. Мир гальваники (Galvanicworld) 2 (27) 2014, июль (с. 50-57).
  4. Ким В.Е., Макеенко Е.Я., Васильевский В.В. Исследование процесса хромирования способом гальванохонингования. Мир гальваники (Galvanicworld) 2 (06) 2008 (с.14-17).
  5. Патент США, кл.С2 5d5/22 №4274925. Способ одновременного нанесения электролитического покрытия и механического хонингования.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРЕ

Жеско Юрий Евгеньевич, заслуженный химик Российской Федерации. Zhesko_Y@mail.ru.