CC BY
733
УДК 621.313
Д. В. Муравьев, В. В. Максимова
Омский государственный университет путей сообщения
ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОГО ЦИНКОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ ЭЛЕКТРОВОЗОВ ПОСТОЯННОГО И ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Рассмотрены основные способы цинкования колец подшипников электровозов, показаны их преимущества и недостатки, приведен расчет количества металла, осаждаемого на поверхности кольца и площадь оцинкованной поверхности. Выполнена проверка и уточнение силы тока экспериментальным путем. Для обеспечения эффективного восстановления колец подшипников электровозов в работе предложена установка и описан принцип ее работы. Спроектированная установка обеспечивает равномерный подогрев и перемешивание электролита, что позволяет за одну смену обработать 48 колец, достаточное количество для оснащения 6 тележек электровозов ВЛ80т и ВЛ80р.
подшипник, технология цинкования, параметры цинкования
Введение
Ревизия второго объема подшипниковых узлов букс электровозов серии ВЛ предусматривает полную разборку роликовых подшипников со снятием внутренних и лабиринтных колец с шейки оси колесной пары. При последующем монтаже внутренних колец буксовых подшипников по горячей посадке для обеспечения требуемого натяга допускается производить цинкование внутренней посадочной поверхности кольца с толщиной покрытия не более 0,2 мм [1]. Кроме обеспечения натяга, при посадке пластичное цинковое покрытие служит для защиты металла подшипникового кольца от коррозии. Наносимое цинковое покрытие должно быть плотным, однородным, устойчивым и с мелкозернистой структурой.
1 Выбор типа электролита и расчет режимов цинкования
В технологических документах ремонтных локомотивных депо не указываются ни рекомендуемый вид цинкования, ни режимы нанесения цинкового покрытия, в результате чего самостоятельное назначение рабочими режимов цинкования не всегда бывает рациональным и обоснованным, приводит
182
к получению неустойчивого, некачественного покрытия и, как следствие, к ослаблению посадки кольца на оси и разрушению подшипника. Таким образом, исследования в данной работе направлены на обоснованный выбор способа электролитического цинкования колец, расчет режимов обработки и конструирование оборудования для цинкования с целью получения долговечного покрытия, повышения качества ремонта и продление срока служба подшипников качения.
В настоящее время наибольшее распространение получили кислые, цианистые, аммиакатные и цинкатные электролиты цинкования, однако в качестве электролита для цинкования подшипниковых колец буксовых узлов электровозов серии ВЛ рациональнее использовать кислые сульфатные электролиты по следующим причинам:
- 97-процентный выход по току способствует высокой производительности процесса в результате того, что основная часть электрического заряда расходуется на восстановление цинка на катоде-заготовке, а не на восстановление других электроположительных металлов или водорода, по этой же причине снижается наводороживание оцинковываемой поверхности и насыщение ее нежелательными примесями;
- катодный выход по току увеличивается с 86 до 97 % - прямо пропорционально катодной плотности тока, что свидетельствует о повышении производительности процесса электроосаждения цинка с увеличением плотности тока с 0,5 до 5 А/дм2;
- невысокая рассеивающая способность электролитов не влияет на качество покрытия, поскольку покрываемая поверхность обладает простой цилиндрической формой без угловых сопряжений и сложных фасонных поверхностей, в результате чего равномерность покрытия стабильна по всей внутренней поверхности подшипникового кольца;
- дешевизна и доступность основных компонентов и добавок, простота приготовления раствора электролита, более высокая экологичность по сравнению с цианистыми и аммиакатными электролитами.
Сульфатный электролит для цинкования подшипниковых колец состоит из 300-400 г/л сульфата цинка, 100 г/л сульфата натрия и 8-10 г/л серной кислоты [2]. Сущность электролитического цинкования заключается в электроосаждении катионов цинка Zn2+ [3].
В процессе эксплуатации установки для электролитического цинкования колец используются цинковые аноды, изготавливаемые из цинка марок Ц0 и Ц1, с суммарным содержанием примесей железа, кадмия и свинца не более 0,1 % [4]. Аноды применяются прямоугольной формы с маркировкой ГПРХХ 6x75x450 (Ц0, Ц1) ГОСТ 1180-91 [5].
Количество металла, осаждаемого на внутренней поверхности подшипникового кольца при заданной толщине цинкового покрытия, рассчитывается по формулам [6]:
183
m = 0,01 • S Sy;
(1)
m =
IП • tM
Fz
(2)
Использование формул (1), (2) расчета массы осаждаемого на электроде металла по закону электролиза Фарадея позволило получить тождество (3) для определения силы постоянного тока I в анодно-катодной цепи, обеспечивающей получение цинкового покрытия толщиной 5 в течение времени цинкования t:
m = 0,01 • SSy = In 'tM , Fz
откуда
I
П
0,01 • S Sy Fz Mt
(3)
(4)
где S - площадь покрываемой цинком поверхности подшипникового кольца, м2; 5 - толщина слоя покрытия, необходимая для обеспечения требуемого натяга при посадке кольца на шейку оси колесной пары, м; у - плотность цинка, кг/м3 (yZn = 7133 кг/м3); 1п - величина силы постоянного тока при электролизе, А; M - молярная масса вещества (MZn = 0,06539 кг/моль); F = 96485,3383 -постоянная Фарадея, Кл/моль; z - валентное число ионов вещества (zZn = 2); t - продолжительность процесса цинкования, с.
Площадь оцинковываемой поверхности рассчитывается как сумма площадей боковой цилиндрической поверхности и поверхностей двух внутренних фасок кольца по выражению:
S = SB + 2Sф, (5)
где SB = 2'кгк (h - ширина покрываемой поверхности кольца, r - внутренний радиус покрываемой поверхности кольца); Sф = n(2r + Гф)l (Гф - ширина фаски, l - длина гипотенузы фаски, при этом l = Гфл/2, тогда Sф = %Гф V2(2r + Гф)). Таким образом, формула примет вид:
S = 2n(rh + Гф V2 (2r + гф )). (6)
Продолжительность электроосаждения цинка определяется по следующей формуле:
184
(7)
_ 1000у605
DK сц
где Dk - катодная плотность тока, А/дм2; с - электрохимический эквивалент цинка 1,22 г/А-ч; п - выход по току, %, и влияет на производительность процесса цинкования.
Расход цинковых анодов определяется по выражению:
На _ 0,018 -10"3 • tSDKсц. (8)
Анализ построенной по формуле (7) зависимости длительности процесса цинкования от плотности тока на катоде (рис. 1) показал, что при интервале варьирования катодной плотности тока 15-40 А/дм2, учитывая простоту поверхности кольца, рекомендуется использовать плотность тока не менее 25 А/дм 2 для повышения производительности процесса и не более 35 А/дм 2 для обеспечения равномерного рассеивания цинка по обрабатываемой поверхности.
Рис. 1. Зависимость длительности процесса цинкования от катодной плотности тока
При этом длительность процесса цинкования составит 21-29 мин, а необходимая сила постоянного тока в цепи электролита, рассчитанная по формуле (4), /п= 1,624...1,176 А.
185
Однако автором статьи поставлена задача проверки и уточнения полученного расчетного значения силы тока экспериментальным путем. Расход цинка при нанесении на одно кольцо покрытия максимальной толщиной 0,2 мм составит 71,443 грамма, а расход цинковых анодов при этом составит 75,578 граммов, что свидетельствует о низких потерях материала анода и высоком КПД процесса. Масса цинкового анода составляет 1443,825 граммов, таким образом, шесть анодов, расположенных равномерно по окружности внутри кольца, при указанном расходе позволят нанести покрытие на 114 деталей.
2 Применяемое оборудование и этапы технологического процесса цинкования
После выбора типа электролита и расчета режимов цинкования важной задачей является составление алгоритма технологического процесса цинкования подшипниковых колец, который включает в себя такие операции, как подготовка поверхности основы перед нанесением покрытия, непосредственно гальванический процесс цинкования и контроль оцинкованной поверхности на наличие дефектов. Согласно разработанному алгоритму, подготовка основы к нанесению покрытия включает этапы очистки, мойки, протирки, обезжиривания, травления и электрохимического полирования.
Основной технологический процесс цинкования подшипниковых колец составляют следующие операции: изоляция наружных поверхностей подшипникового кольца, не подлежащих нанесению покрытия, установка деталей на подвесах, заполнение электролитом гальванической ванны, подогрев и перемешивание электролита, проработка электролита под током, цинкование, удаление анодного шлама из раствора, пассивирование, промасливание, промывка, сушка, неразрушающий контроль цинкового покрытия [7].
Изоляция осуществляется нанесением на внешние поверхности подшипниковых колец пленочных материалов по ГОСТ 16214-86 из поливинилхлорида, который не растворяется и обладает химической стойкостью к воздействию компонентов электролита [8]. Изоляционная пленка наносится вручную, а после цинкования удаляется.
На рисунке 2 представлена схема предлагаемой установки для цинкования подшипниковых колец, которая состоит из гальванической ванны 1, заполняемой раствором электролита 2, приспособления 3 для подвешивания деталей, механизма вращения 4 гальванической ванны 1 в процессе цинкования для перемешивания электролита 2, приспособления 5 для крепления цинковых анодов 6 с фильтрами для защиты раствора от анодного шлама, источника постоянного тока 7 и высоковольтных проводов 8 для подключения к нему электродов. Конструкция установки модульная и может использовать-
186
Рис. 2. Установка для электролитического цинкования колец буксовых подшипников электровозов серии ВЛ
ся для цинкования деталей различной формы при установке соответствующих узлов и приспособлений для базирования.
После заполнения электролитом 2 ванны 1, которая представляет собой цилиндрическую емкость, сваренную из листовой стали толщиной 5 мм с футеровкой внутренних стенок винипластом для предотвращения электрического пробоя тока на корпус и осаждения цинка на стенках ванны при электролизе, подшипниковые кольца 9 укладываются на подвеску 3. Кроме того, двухслойный корпус ванны 1 снабжен системой змеевиков 10 из освинцованной стали для подогрева электролита 2 и поддержания заданной температуры в процессе цинкования. Подвеска 3 спроектирована таким образом, что позволяет размещать за один цикл цинкования четыре кольца 9 с одной колесной пары электровоза, в результате чего после цинкования обеспечивается равномерный натяг колец на одной оси и снижаетсявеличина перекоса колец и деталей подшипника при сборке. Каждое кольцо 9 последовательно устанавливается на горизонтальные извлекаемые штифты 11 внутри цилиндрического корпуса подвески 3, который вставляется совместно с резиновой прокладкой 12 в отверстие консоли поворотного кронштейна 13, подведенного к ванне 1, и закрепляется при помощи винтов 14.
После погружения подшипниковых колец 9 в электролит 2 к ванне 1 подводится поворотный кронштейн 15 с консолью, на которой устанавливает-
187
ся и фиксируется корпус приспособления 5 с закрепленными и соединенными последовательно в электрическую цепь цинковыми анодами 6 для обеспечения одинаковой силы и плотности тока на всех шести анодах. Приспособление 5 занимает такое положение, при котором, аноды 6 перекрывают по ширине все кольца 9. Перемешивание электролита может производиться постоянно в процессе цинкования или с перерывами в зависимости от качества получаемого покрытия и необходимо для равномерного растворения компонентов электролита по объему ванны, увеличения рабочих плотностей тока за счет уменьшения толщины диффузионного слоя и повышения производительности.
Механизм перемешивания 4 электролита 2 состоит из электродвигателя 16, тихоходного червячного редуктора 17 и зубчатой передачи 18, одна из зубчатых шестерен которой жестко закреплена при помощи шпоночного соединения на вале поворотного стола 19, на котором закреплена гальваническая ванна 1. Вращение с вала электродвигателя 16 передается через редуктор 17 на шестерню 18 поворотного стола 19, который вращает гальваническую ванну 1. При этом приспособление 3 для базирования колец 9 располагается с эксцентриситетом в половину радиуса ванны 1 относительно оси ее вращения, что способствует перемешиванию электролита 2, а опорами вала вращающегося стола 19 и вала редуктора 17 являются опорные подшипники качения 20. Цинкование подшипниковых колец в соответствии с выбранными режимами и заданной продолжительностью процесса производится при подаче постоянного тока силой 1,15-1,675 А от источника питания на последовательно соединенные в цепи аноды и заготовки после погружения колец в электролит.
Особенностями цинкования подшипниковых колец на данной установке являются:
- подача перед цинкованием тока силой 2,25-3,15 А в течение 0,51 мин для образования на оцинковываемой поверхности кольца мелких кристаллов, сцепленных с подложкой и между собой, что способствует улучшению сцепления и структуры цинкового покрытия;
- реверсирование тока в процессе цинкования продолжительностью 1-2 мин с периодичностью 5-6 мин для улучшения структуры и уменьшения шероховатости покрытия вследствие периодического анодного растворения микронеровностей катодного покрытия подшипникового кольца при изменении полярности постоянного тока от источника питания.
Заключение
Проведенный анализ и исследования позволили получить следующие результаты.
Обоснованы рациональные режимы цинкования (значение плотности тока, продолжительность, расход анодов, температура электролита), которые
188
позволили повысить производительность процесса цинкования в 1,66-2,29 раза.
Рассчитано оптимальное значение силы постоянного тока в 1,1761,624 А при электролизе, которое позволяет получить покрытие максимальной толщины 0,2 мм за 20-30 мин.
Спроектирована установка для цинкования колец буксовых подшипников , которая обеспечивает равномерный подогрев и перемешивание электролита, что позволяет за одну смену обработать 48 колец - достаточное коли -чество для оснащения шести тележек электровозов ВЛ 80т и ВЛ80р.
Библиографический список
1. ЦТ-330. Инструкция по техническому обслуживанию и ремонту узлов с подшипниками качения локомотивов и мотор-вагонного подвижного состава. - 1995. - 72 с.
2. Гальванические покрытия: справочник по применению / Ю. Д. Гамбург. - Москва : Техносфера, 2006. - 216 с.
3. Технология нанесения гальванических покрытий : учеб. пособие / А. И. Коро-тин. - М. : Высшая школа, 1984. - 200 с.
4. ГОСТ 3640-94. Цинк. Технические условия. - Минск : Изд-во стандартов, 1994. - 8 с.
5. ГОСТ 1180-91. Аноды цинковые. Технические требования. - Москва : Изд-во стандартов, 1991. - 11 с.
6. Спутник гальваника / Л. Г. Зальцман, С. М. Черная. - Киев : Техника, 1989. -
191 с.
7. Цинкование, кадмирование, оловянирование и свинцевание / В. А. Ильин. -Ленинград : Машиностроение, 1983. - 87 с.
8. Гальванические покрытия в машиностроении : справочник. В 2-х томах / отв. ред. М. А. Шлугера, Л. Д. Тока. - Москва : Машиностроение, 1985. - Т. 2. 1985. - 248 с.
© Муравьев Д. В., Максимова В. В., 2014
189
