3. Расчет режимов технологического процесса восстановления деталей гальвано контактным методом.
3.1. Расчет электрических и химических параметров
При выполнении работ, направленных на создание слоя гальванического хрома, предназначенного для восстановления геометрических и эксплуатационных характеристик деталей, приходится по заданной режимом катодной плотности тока определять величину тока, проходящего через электролит.
Ее рассчитывают по формуле:
(3.1)
где Dk — катодная плотность тока, А/дм2;
Sk —площадь покрываемой поверхности (катода), дм2.
Площадь поверхности вычисляют по данным чертежа или измерений размеров детали. При этом площади поверхностей деталей, имеющих форму простых геометрических тел (цилиндр, конус, призма и др.), определяют по известным из геометрии формулам. Поверхность деталей сложной конфигурации условно разделяют на более простые элементы, площади которых можно вычислить отдельно, а затем сложить. В этом случае участки поверхности, имеющие неправильную форму, приближенно приравнивают к более простым правильным фигурам — цилиндру, кругу, призме, конусу и т. п. Необходимо учитывать всю поверхность, подлежащую покрытию (наружную и внутреннюю, лицевую и оборотную).
Площадь поверхности резьбовой части детали принимают в два раза больше, чем соответствующую ей площадь цилиндра. Поверхностью малых участков детали, таких, как фаски, радиусы закруглений, пренебрегают.
Для выражения площади поверхности в квадратных дециметрах (дм2) полученные при измерении или по чертежу размеры в миллиметрах нужно разделить на 100.
При вычислении площадей поверхностей чаще всего приходится иметь дело с деталями (или их элементами) цилиндрической формы. Это обусловлено тем, что технология восстановления деталей методом ГМО базируется на специальном оборудовании и инструменте, применимом пока лишь для деталей типа тел вращения. Площадь цилиндрической поверхности определяют по формуле:
(3.2)
где d — диаметр детали, дм;
l — длина (высота) цилиндрической части детали, дм.
Обычно при расчетах задание заключается в восстановлении исходной геометрии детали, что достигается нанесением на деталь слоя металла определенной толщины. Поэтому нужно рассчитать продолжительность электролиза для получения заданной толщины покрытия или определить толщину покрытия, полученную за определенное время.
Продолжительность электролиза определяют по формуле:
(3.3)
где — плотность осаждаемого металла, г/см3;
h — заданная толщина покрытия, мм;
Dk — катодная плотность тока, А/дм2;
С — электрохимический эквивалент металла, г/А-ч;
— выход металла по току, %.
Из этой же формулы можно определить и толщину покрытия, полученного за определенное время:
(3.4)
Однако, учитывая то, что в рассматриваемом технологическом процессе восстановления деталей путем нанесения покрытия по технологии ГКО участвуют как минимум три фактора, влияние двух из них, а именно температуры и давления инструмента на обрабатываемую поверхность будет рассмотрено позже.
Так как эквивалент С и плотность зависят от природы осаждаемого металла и для каждого металла являются постоянными, то скорость осаждения будет тем больше, чем выше плотность тока и выход металла по току. Следовательно, значение выхода по току заключается не только в том, что он является показателем эффективности использования тока, но и в том, что от него зависит скорость осаждения металла. Поэтому для повышения производительности процесса необходимо выбирать такие условия электролиза, которые обеспечивали бы осаждение металла с максимальным выходом по току, и применять, возможно, большую плотность тока. При этом следует обеспечить получение требуемых свойств покрытий, которые ухудшаются при чрезмерном увеличении плотности тока.
Следует иметь в виду, что полученные по формулам толщина покрытия и скорость его осаждения являются средними величинами. В действительности вследствие неравномерного распределения тока по поверхности детали на одних ее участках толщина покрытия и скорость осаждения металла больше, а на других — меньше, чем средние.
При гальванопроцессах часто приходится приготовлять и корректировать различные электролиты и растворы. Количество вещества, которое необходимо растворить в воде, определяют различными методами в зависимости от способа выражения концентрации электролита.
Чаще всего в рецептурных составах электролитов приводятся концентрации веществ в граммах на литр. В этом случае необходимое для растворения количество каждого компонента электролита определяют умножением его концентрации на рабочий объем ванны;
(3.5)
где q — концентрация компонента в электролите, г/л;
Vp — рабочий объем ванны (объем электролита), л.
Если концентрация вещества задана в процентах по массе, то необходимое количество его можно определить по специальным таблицам.
В процессе работы гальванической ванны концентрация входящих в электролит веществ обычно уменьшается. Поэтому периодически по результатам анализа концентрацию электролита корректируют. Количество вещества, которое необходимо добавить в электролит для доведения его до требуемой концентрации, определяют по формуле:
(3.6)
где q — требуемая концентрация вещества, г/л;
q1 — фактическая концентрация вещества, г/л.
При составлении и корректировании растворов кислот изменяют их концентрацию добавлением воды или более крепких кислот. Для приготовления растворов кислоты требуемой концентрации обычно концентрированную кислоту разбавляют водой. Необходимое для разбавления количество воды определяют несколькими методами.
Для этого можно воспользоваться правилом разведения: количество частей (по массе) добавляемой воды равно частному отделения высшего процентного содержания кислоты на низшее минус единица.
Расчеты, связанные с приготовлением и корректированием растворов кислот, облегчаются, если их проводить при помощи графического построения, по так называемому методу креста. Сущность этого метода заключается в следующем. Проводят две перекрещивающиеся линии, в точке пересечения которых записывают требуемую концентрацию раствора. У левых концов линий пишут данные концентрации смешиваемых жидкостей. Затем на каждой линии вычитают одно число из другого (требуемую концентрацию из данной или наоборот) и результат пишут у свободного конца той же линии. Результаты вычитаний, записанные у правых концов линий, показывают соотношение частей смешиваемых жидкостей. При этом цифры в верхней строке соответствуют одной жидкости, а в нижней — другой. Метод креста применяют в тех случаях, когда смешивают две кислоты разной концентрации для получения смеси заданной концентрации, а также при корректировании растворов.