Материал деталей конструктор подбирает исходя из конструктивных (и стоимостных) соображений. С помощью гальванического покрытия он придает детали необходимые поверхностные свойства. Для получения покрытия требуемого качества проектирование деталей следует проводить с учетом возможностей и ограничений, присущих процессу нанесения гальванических покрытий.
Основные аспекты при выборе гальваникического покрытия
Гальваническая отделка имеет химический, электрохимический, физический и металлургический аспекты, которые могут изменять размеры детали, структуру ее поверхностных слоев, физико-механические свойства и в итоге влиять на работоспособность, увеличивая срок службы детали или уменьшая его ниже допустимых пределов. В этой связи выбор гальванического покрытия имеет важное значение и требует серьезного подхода.
При выборе покрытия (материала и толщины) обычно руководствуются ГОСТ 9.303—84, ориентируясь на материал детали* назначение детали и покрытия и условия эксплуатации (климатические условия). Этих данных для выбора покрытия, вне всякого сомнения, недостаточно. Государственный стандарт не в состоянии учесть специфику всех отраслей техники и народного хозяйства, имеет ограниченный объем, является ориентирующим документом и включает параллельные, не всегда равнозначные, рекомендации Для реализации выбора оптимального варианта покрытия при проектировании детали необходимо располагать большим объемом информации о функциональных гальванических покрытиях.
Необходимо иметь в виду, что выбор покрытия неизбежно носит компромиссный характер, т. е. приходится поступаться какими-то отдельными параметрами в пользу эффективного решения основной задачи обеспечения требуемой функциональности детали в конкретных условиях хранения и эксплуатации.
Разнообразие и взаимозависимость этих факторов говорит о том, что выбор должен производиться конструктором совместно с технологом по изготовлению изделия и специалистом па гальванопокрытиям (с привлечением при необходимости металловедов и других специалистов по обработке металлов) во избежание назначения покрытия, которое не сможет обеспечить требуемой работоспособности, окажется невыполнимым на производстве или излишне трудоемким, дорогостоящим и т. п.
Отсутствие необходимой информации затрудняет работу гальваника проведение оптимального выбора (и технологии получения) покрытия базируется в основном иа личном опыте и экспе-риментальном материале, накапливаемом в течение многих лет работы. Накопленная информация отчасти находит отражение в отраслевой технической документации. Это еще больше подчеркивает необходимость участия гальваностега в выборе покрытия. Совместная работа по комплексному решению вопроса выбора покрытий приносит практическую пользу и уменьшает расходы.
Выбор покрытия начинается с рассмотрения функциональности детали, условий ее работы с точки зрения механических, тепловых и электрических нагрузок, среды, ресурса и т. д.
После подбора материала покрытия по функциональным и экс¬плуатационным свойствам необходимо оценить другие факторы, учет которых может изменить материал предварительно намечен¬ного покрытия. Так, не всегда габариты детали могут обеспечить получение выбранного покрытия (например, в цехе может не быть ванны соответствующего размера). В таких случаях конструктор может уменьшить покрываемую деталь или сделать ее сборной, состоящей из нескольких деталей, покрываемых до сборки, может остановиться на локальном покрытии или изменить материал детали, изготовив ее из другого материала, не требующего покрытия.
На практике не для всех покрытий можно реализовать размер после его нанесения, который может потребоваться конструктору по тем или иным соображениям. Необходимо предусматривать занижение размеров деталей (посадочных мест, резьб) до получения покрытия. Иногда целесообразно доводить размеры после нанесения покрытия заведомо повышенной толсцииы. В отдельных случаях нарезку мелкой резьбы, сверление узких глухих отверстий приходится производить после нанесения покрытия, например при получении покрытий анодным окислением деталей из магниевых сплавов. Приемов существует много, и их необходимо учитывать и рассматривать при выборе покрытия.
Форма деталей связана с возможностью их монтирования на подвесочных или в специальных приспособлениях. Иногда бывает целесообразно произвести конструктивные изменения детали для правильного монтирования и получения покрытия требуемого качества.
От формы и геометрии детали зависят толщина и равномерность покрытия. Общеизвестна зависимость толщины покрытий от профиля и размеров всевозможных углублений, отверстий, вырезов, каналов и т. д. С точки зрения приемлемости для покрытия конструкция детали должна обеспечивать максимально возможный доступ электролита к внутренним углубленным рабочим поверхностям. Это необходимо для равномерного осаждения металла по поверхности детали. Достичь идеального распределения металла практически невозможно даже на ровной плоской поверхности из-за специфики электрохимического процесса осаждения, связанной с распределением силовых линий тока. Сведение к минимуму разброса по толщине во многом зависит от формы детали.
Толщина покрытия в отверстиях, на острых кромках, поверхностях сложной формы значительно отличается от толщины покрытия на плоских участках (иногда во много раз). Покрытие узких отверстий на определенную глубину зависит от соотношения диаметра отверстия и его глубины. Еще сложнее прокрывать глухие отверстия, где нет протока электролита и обмена раствора. Все это создает определенные требования к детали, острые кромки должны быть скруглены, предпочтение следует отдавать тупым, а не острым углам, отверстиям, форма которых обеспечивает сливание раствора при нанесении покрытия. Иногда выгодно делать дополнительные технологические отверстия для обеспечения протока электролита через внутренние полости детали.
Гальванические покрытия и шероховатость поверхности
С покрытием увязана шероховатость поверхности детали— в смысле несопоставимости толщины покрытия, которая не может быть сколь угодно большой, и высоты неровностей поверхности, а также с точки зрения функциональности покрытия.
Придание поверхности детали перед покрытием необходимой шероховатости (если только не требуется блестящее покрытие) зачастую вызывает споры - затраты времени, труда и средств технологам по механической обработке кажутся ненужными и непроизводительными, а между тем нередко от шероховатости исходной поверхности зависит работоспособность деталей и изделий в целом. В отдельных случаях (при изготовлении деталей контактных устройств, узлов трения, паяемых лепестков и т. п.) получение необходимой шероховатости должно быть обязательным.
Иногда требуется придать поверхности детали микрошероховатость, например при осаждении поглощающих свет оптических покрытий или для обеспечения адгезии покрытия к основному материалу. Для этого в арсенале гальвапостега имеются необходимые средства, например обработка абразивными материалами определенного калибра.Способ получения необходимой шероховатости — шлифование, полирование, обработка абразивными материалами — сказывается на изменении структурного поверхностного слоя металла детали, приводит к включению абразивов, паст и других веществ, которые не обязательно исчезают при термической или химической обработке деталей перед покрытием. Это тоже надо учитывать в процессе выбора покрытия.
Механически обработанные или полированные электрохимическим способом поверхности формируют структуру покрытий, особенно тонких. Один из лучших способов создания надлежащей поверхности перед нанесением покрытия — электрохимическое полирование — пригоден не для всех металлов. К таким материалам относятся, например, многофазные сплавы с разной анодной растворимостью фаз. При установлении шероховатости, а также учете дефектов поверхности детали, ее геометрии, специалист по гальванопокрытиям, разумеется, принимает во внимание собственные возможности — использование выравнивающих покрытий, электролитов с той или иной кроющей способностью, применение профилирующих или дополнительных анодов, подбор способа перемешивания растворов и другие, но эти факторы лишь дополняют конструкционное решение.
Для гальванической отделки большое значение имеет состояние поверхности основного материала, которое еще усугубляется от наложения дополнительной нагрузки, например, внутренних напряжений самого покрытия. К концентрации напряжений приводят царапины, трещины, неровности от обработки материала. Известно, что гальваническое покрытие не в состоянии перекрыть значительные поверхностные дефекты — поры, трещины — оно скорее выявляет их и при этом ухудшается само. Срок службы покрытия, нанесенного иа дефектную поверхность, снижается, каким бы ни был внешний вид покрытия после соответствующей обработки покрытой детали.
При механической обработке и определенных способах изготовления деталей по-разному деформируются поверхностные слои материала, например при больших давлениях резания обрабатываемая поверхность подвергается холодной обработке и наклепу, что тоже неизбежно внесет свой вклад в структуру последующего покрытия. Для деталей, изготавливаемых холодной штамповкой или гидравлическим прессованием, рекомендуется выбирать наименее наводораживаемые покрытия.
Материал детали, выбираемый конструктором на основании конструкционных и эксплуатационных соображений, не безразличен с точки зрения состава, способа получения заготовки и способа обработки детали. Для гальванической отделки более всего подходят чистые металлы (железо, медь, алюминий) и гомогенные сплавы, например альфа-латуни. Но из соображений прочности и других механических параметров, а иногда и из экономических соображений приходится использовать неоднородные по своему строению металлы и сплавы.
В настоящее время гальванотехника справляется с отделкой большинства применяемых в промышленности металлов и сплавов. Для этого разработаны специальные способы предварительной подготовки материалов. Тем не менее выделяется группа труднопокрываемых материалов — сплавов алюминия, магния, титана, высоколегированных сплавов и т. д Иногда и такие традиционные материалы, как сплавы меди или стали могут вызывать определенные трудности. Гальваностег должен быть знаком с поведением материалов покрываемых деталей — поведением химическим (отношением к растворам, внешней среде, способностью к диффузии и т. п.), металлургическим (при термической обработке) и механическим.
Выбор гальванического покрытия
При выборе вида гальванической отделки имеет значение химический состав основного материала. Так, стали с высоким содержанием углерода или легирующих элементов приходится подвергать специальной предварительной обработке. Необходимо учитывать свойства материала, обусловливаемые различными способами его изготовления — отливкой, ковкой, прессованием, прокаткой. Трудности вызывают термически обрабатываемые стали. когда, помимо закалочных трещин, действующих на покрытие весьма отрицательно, негативную роль играет и состояние сильного перенапряжения структурной решетки. Такое состояние покрываемого материала ухудшает характеристики последующего покрытия На процессе осаждения покрытия отрицательно сказываютси ошибки в процессе цементации (переуглероживание и слишком низкие температуры процесса).
С точки зрения равномерного строения структуры основного материала, по возможности свободной от пор, пустот и инородных включений, предпочтительнее кованые материалы. Известно, что литейные и изготовляемые методом порошковой металлургии материалы обладают высокой нерегламентированной пористостью, что требует совершенно иного к ним отношения, чем к обычным деформируемым материалам. Последние могут иметь свои дефекты — слишком холодное обжатие, неправильный отпуск между стадиями холодной обработки, чрезмерное травление, обезуглероживание поверхности, прокатка на грязных валках создают предпосылки для получения некачественного покрытия.
Метод литья существенно упрощает изготовление деталей, особенно массовых, однако литейщики при этом никак не заботятся о последующих гальванохимических операциях. Кислоты, щелочи, соли, проникая в поры металла и оставаясь в них, в дальнейшем вызывают коррозию, особенно в условиях повышенной влажности, даже если деталь перекрыта после гальванического покрытия лакокрасочными материалами. Остаток раствора в порах служит электролитом гальванического элемента, образуемого материалом покрытия и литейного сплава. При работе такого элемента происходит растворение основного материала и образование газов, которые являются причиной вздутия и пузырения покрытия.
Для получения качественных гальванических покрытий самое главное — качество литья, в котором заключены все предпосылки нанесения бездефектных покрытий. На гальванохимическую обработку, строго говоря, должны поступать только высококачественные отливки.