Powłoka chromowa nakładana galwanicznie
Etapy procesu nakładania powłoki chromowej na pierścienie eksperymentalne monto-wane na stanowisku silnikowym są następujące:
Przygotowanie pakietu pierścieni w formie walca, czyli z zamkniętymi zamkami, których ułożenie w pakiecie nie tworzy linii prostej.
Kontrola po pakietowaniu, czy zapakietowane pierścienie nie mają uszkodzeń powierzch-niowych, takich jak rysy, wynikające z procesu pakietowania.
Obróbka hydrościerna bądź piaskowanie (śrutowanie) na sucho. Rodzaj stosowanej metody rozwinięcia powierzchni oraz usunięcia powstałych samoczynnie na powierzchni materiału tlenków uwarunkowany jest typem materiału, z jakiego został wykonany pierścień.
Aktywowanie powierzchni przed procesem chromowania odbywa się w 5−10−procento-wym kwasie siarko5−10−procento-wym. Proces trawienia przeprowadzany jest w temperaturze pokojowej, przez 20 – 25 sekund.
Płukanie wodą demineralizowaną w temperaturze pokojowej przez ok. 20 – 25 sekund. Etap ten ma na celu usunięcie nadmiaru kwasu siarkowego z aktywowanej powierzchni za-wieszki, a tym samym, aby nie przenosić go do kąpieli chromowej.
Wkładanie do kąpieli chromowej przygotowanego pakietu pierścieni.
Proces chromowania odbywa się w kąpieli chromowej o następującym składzie chemicz-nym:
Bezwodnik kwasu chromowego CrO3 stanowiący główny składnik kąpieli. Stężenie bezwodnika kwasu chromowego podlega kontroli i utrzymywane jest w zależności od rodzaju asortymentu w przedziale stężeń 180 – 290 g/l kąpieli.
Kwas siarkowy jako katalizator w procesie chromowania utrzymywany jest w prze-dziale stężeń 1,0 – 3,0 g/l kąpieli. Właściwe stężenie i jego stosunek do bezwodnika
183 kwasu chromowego mają istotny wpływ na poprawność prowadzonego procesu. Przy niskim stężeniu kwasu siarkowego w kąpieli można zaobserwować na chromowanej powierzchni powstawanie porów.
Trójtlenek chromu Cr2O3 jest tworzony w procesie elektrolizy prowadzonej w kwasie chromowym. W zależności od jego stężenia w kąpieli może pełnić rolę katalizatora lub inhibitora. Przyjmuje się, że odgrywa on rolę katalizatora w przedziale stężeń 3 – 15 g/l kąpieli, natomiast przy wartościach powyżej 15 g/l kąpieli staje się on inhibitorem pro-cesu. Przy specjalnych procesach takich jak nakładanie powłoki chromowo-ceramicz-nej czy chromowo-diamentowej jego stężenie silnie zależy od stężenia żelaza w kąpieli i przyjmuje się jego graniczną wartość ok. 7 g/l kąpieli. Wzrost jego stężenia powoduje zachwianie równowagi chemicznej tuż przy chromowanej powierzchni.
Stężenie żelaza wpływa na opór kąpieli podczas elektrolizy. Przyjmuje się, że dla chro-mowania klasycznego dopuszczalne jego stężenie nie powinno przekraczać 20 g/l ką-pieli. W przypadku procesów specjalnych, w których wytarzana jest powłoka mieszana jego dopuszczalne stężenie nie powinno przekraczać 10 g/l.
Fluorokrzemian sodu (Na2SiF6) w procesie chromowania pełni rolę katalizatora, a jego stężenie w kąpieli wynosi od 3 do 10 g/l. Nie uczestniczy on w samym procesie chro-mowania, a jedynie je wspomaga. Jego niskie stężenie w kąpieli może objawiać się mleczną powłoką chromową.
Czynnikami, które mają istotny wpływ na dobór parametrów procesu chromowania są wiel-kość powierzchni, jej kształt oraz materiał, z jakiego wykonano pierścienie. Informacja o materiale oraz kształcie powierzchni decydują o dopuszczalnych granicach gęstości prądo-wej, a to z kolei przy, uwzględnieniu wielkości powierzchni, umożliwia określenie natężenia prądu. Znając zależność gęstości prądowej od szybkości narostu chromu na powierzchni w klasycznym procesie chromowania, która wynosi około 1 µm/min przy gęstości prądowej 60 A/dm3, można ustalić orientacyjnie czas chromowania dla zakładanej grubości warstwy chromu. Przyjmuje się, że zależność ta w pewnym przedziale gęstości prądowej utrzymuje charakter liniowy. Proces chromowania odbywa się w temperaturze od 55 – 65 C; ma ona istotny wpływ na wygląd oraz właściwości fizyczne nałożonego chromu.
Proces chromowania inicjuje się, stosując wstępnie tzw. uderzenie prądowe o dużym natę-żeniu rzędu 70 – 120 A/dm3 przez około 2 – 5 min. Największy ładunek elektryczny wystę-puje na krańcach elementów chromowanych, a także przy zamkach pierścieni, co powoduje tworzenie się w tych miejscach grubszej powłoki. Zawieszka, czyli pakiet pierścieni pełni rolę katody, natomiast anodę stanowią walcowe odlewy składające się z około 93 – 95%
ołowiu i w pozostałej części z cynku. Katoda umieszczona jest centralnie względem anod, które tworzą okrąg. Czas procesu uwarunkowany jest zastosowaną gęstością prądową oraz rozwinięciem powierzchni do chromowania, a także oczekiwaną grubością warstwy chromu, która może wahać się od 10 – 600 µm.
184
Po procesie chromowania pakiety są płukane gorącą wodą demineralizowaną w celu usunię-cia nadmiaru kąpieli z zawieszki, a następnie odstawiane do wyschnięusunię-cia.
Z pakietów pierścieni, przed ich rozkręceniem, usuwane są narosty w procesie obróbki me-chanicznej na tokarce. Ma to na celu ułatwienie w późniejszym procesie produkcyjnym po-nownego zapakietowania pierścieni.
Rozkręcone zawieszki poddawane są procesowi odwodorowania, aby zapobiec korozji w mikrospękaniach warstwy chromu. Proces ten standardowo przebiega w temperaturze 180 – 200 °C przez ok. 200 minut.
Powłoka fosforanowa − metoda zanurzeniowa
Etapy procesu nakładania powłoki fosforanowej na pierścienie eksperymentalne mon-towane na stanowisku silnikowym są następujące:
− Przygotowanie powierzchni pierścieni tłokowych do fosforanowania:
Kąpiel odtłuszczająco-trawiąca:
Skład: glukanian sodu w wodorotlenku sodu Temperatura: 80 – 90 C
Czas: 140 – 150 sekund
Płuczka z gorąco wodą demineralizowaną:
Temperatura: 40 – 60 C Czas: 140 – 150 sekund
− Aktywator zależy od typu kąpieli fosforanowej: alkaiczny lub kwaśny.
Tworzy on rodzaj cienkiego filmu na powierzchni pierścienia, co ułatwia w później-szym etapie fosforanowania szybsze zakończenie procesu, a także uzyskanie powłoki o róż-niej ziarnistości. Jeśli aktywatory są kwaśne, może on ułatwiać wypłukiwanie olejów (chło-dziw) z porów żeliwa.
Temperatura: 18 – 25 C Czas: 70 – 75 sekund
− Kąpiel do fosforanowania cynkowego o kwasowości całkowitej 35 – 45 punktów, co od-powiada stężeniu soli fosforanowych ok. 9 – 12%.
Temperatura: 65 – 82 C Czas: 70 – 75 sekund
W zależności od zastosowanego preparatu do fosforanowania, a także od pokrywa-nego materiału uzyskuje się różną wgłębność, ziarnistość, barwę oraz trwałość powłoki.
Skład preparatu do fosforanowania Donphos Z 501: kwas fosforanowy (V) 25 – 50%, chloran (V) sodu 10 – 25%, tlenek cynku 2,5 – 10%, pH 2,6.
Ankofos A 20: kwas azotowy (V) 10 – 20%, kwas fosforanowy (V) 20 – 40%, azotan (V) cynku, sole cynku.
− Płukanie gorącą wodą demineralizowaną.
Temperatura: 40 – 60 C Czas: 70 – 75 sekund
185
− Płukanie wodą demineralizowaną.
Temperatura: 18 – 25 C Czas: 70 – 75 sekund
− Wypieranie wody w środku wypierająco-konserwującym.
Temperatura: 18 – 25 C Czas: 70 – 75 sekund
Powłoka molibdenowa nakładana plazmowo
Powłoki wytwarzane klasycznymi technologiami natryskiwania cieplnego, tj. natryski-wanie płomieniowe i natryskinatryski-wanie łukowe, nie zapewniają odpowiedniej jakości uzyskiwa-nych powłok przeznaczouzyskiwa-nych na powierzchnie ślizgowe pierścieni uszczelniających pracują-cych w bardzo wysokich temperaturach. Wykorzystanie do tego zjonizowanego gazu (plazmy), czyli technologii natrysku plazmowego umożliwia na uzyskanie nieznacznych chropowatości powierzchni i lepszej struktury powierzchniowej w stosunku do innych metod wytwarzania powłok molibdenowych, np. z drutu molibdenowego. Źródło ciepła niezbędne do stopienia i przyspieszenia ziaren proszku molibdenowego stanowi strumień niskotemperaturowej plazmy.
Atomy gazu absorbują w łuku wymaganą porcję energii niezbędną do oderwania elektronów walencyjnych i ulegają jonizacji. Jeżeli gaz zawiera cząstki dwuatomowe, to proces ten poprze-dzony jest rozpadem cząstek związku chemicznego na mniejsze cząstki lub pojedyncze atomy pod wpływem temperatury. Im słabsze jest wiązanie chemiczne w cząsteczce danego związku wykorzystywanego w procesie wytwarzania powłoki, tym niższa jest temperatura, w której za-chodzi dysocjacja termiczna. Strumień zjonizowanych atomów i swobodnych elektronów w części wylotowej dyszy ulega silnemu przyspieszeniu, a jego temperatura, w zależności od przyjętych dodatków w proszku, mieści się w zakresie od 15 000 do 30 000 °C. Temperatura ta obniża się wraz z oddaleniem od dyszy wylotowej, ale jest na tyle wysoka, że umożliwia stopienie każdego proszku dowolnego materiału bazowego. Katoda i anoda są chłodzone cie-czą. Jako gaz plazmotwórczy przyjmuje się argon lub azot z dodatkiem wodoru albo helu jako dodatków zwiększających entalpię strumienia. W skład urządzenia do natryskiwania plazmo-wego wchodzą: generator plazmy, układ sterowania przepływem gazu i parametrami prądo-wymi, układy chłodzenia i podawania proszku oraz elementy osprzętu elektrycznego. Proces natrysku jest realizowany w warunkach otoczenia.
Proszek molibdenowy wykorzystany do utworzenia powłoki molibdenowej dla pier-ścieni eksperymentalnych z dodatkową połówką fosforanową zawierał:
materiał bazowy 75%: molibden Mo – 98%, dodatki 25%: węgiel C – 0,60 – 1,20%, siarka Si 4,0 – 5,0%, chrom Cr – 13-17%, bor B – 3,0 – 4,0%, żelazo Fe 3,0 – 5,0% i nikiel Ni – 65 – 65%.
186 Powłoka molibdenowa wytwarzana z drutu molibdenowego
Powłoka molibdenowa natryskiwana płomieniowo stosowana na pierścieniach ekspe-rymentalnych, na podłożu z żeliwa sferoidalnego, była nakładana metodą klasyczną. W natry-skiwaniu płomieniowym tego typu źródłem ciepła jest płomień gazowy ze spalania acetylenu.
Temperatura płomienia wynosi około 3000 °C, a natryskiwane cząstki są rozpędzane do pręd-kości od 100 do 350 m/s. Drut molibdenowy wykorzystany do wyrobu powłoki molibdenowej pierścieni eksperymentalnych zawiera 97 − 99% molibdenu, najczęściej 98,5%. Zastosowanie drutu wymaga użycia specjalnej konstrukcji palnika. Drut jest dostarczany przez otwór cen-tralny dyszy gazowej. Przez dodatkowe otwory gazowe, otoczone dyszą powietrza, zlokalizo-wane na obwodzie dyszy, zbieżne do osi drutu doprowadzany jest strumień powietrza z dużą prędkością i pod dużym ciśnieniem do 1 MPa. Drut przesuwany jest przez mechanizm napę-dowy do strefy płomienia gazowego, co prowadzi do jego stopienia i rozdrobnienia na kropelki, które za pośrednictwem strumienia powietrza doprowadzane są na podłoże bazowe. Natryski-wana powierzchnia ulega nagrzaniu do temperatury około 150 °C, co w celu zmniejszenia róż-nicy rozszerzalności cieplnej nakładanej warstwy i podłoża wymaga uprzedniego podgrzania podłoża do temperatury około 100 °C. Taki zabieg także wspomaga usuwanie wilgoci z łoża. Palnik przez okres nakładania powłoki musi znajdować się w tej samej odległości od pod-łoża, aby nałożyć równą warstwę na całym odwodzie pierścienia. Przeciętnie odległość ta wy-nosi od 100 do 250 mm, w zależności od wymagań wywy-nosi od 0,15 do 0,25 mm i musi być tak dobrana, aby nie doszło do nadmiernego podgrzania podłoża. Wymagania technologiczne do-tyczące tego procesu uzależnione są przede wszystkim od wymagań co do twardości powłoki oraz chropowatości warstwy wierzchniej.
11.10. Wyniki pomiarów momentu oporu ruchu silnika i strat tarcia w zależności od