Одним из обязательных домашних заданий для слушателей Московского общественного института технического творчеств, является чтение старых журналов "Изобретатель и рационализатор". Начав с 1967 года, слушатели постепенно доходят до "новой эры", то есть до конца 80-х годов. Мы полагаем, что изучение славного инженерного наследия, оставленного прошлыми поколениями, является важной культурологической компонентой воспитания хорошего разработчика.

Не исключено, что отдельные моменты, "поднятые" в процессе такой работы из прошлого, могут представлять интерес и для широкой аудитории разработчиков. Поэтому мы начинаем новый проект в рамках рубрики НТИ - "Из старых журналов". Его создателями будут слушатели МОИТТ, и, конечно же, все примкнувшие к ним желающие.

Сегодня вниманию читателей предлагается статья, рассказывающая о способе покрытия изделий металлическим слоем. Когда-то слушателям школ ТРИЗ предлагалась аналогичная задача. Интересно ознакомиться с материалом в первоисточнике? Тогда читайте.

Редактор

Из старых журналов

Новый способ покрытия изделий металлической пленкой

Сильфоны, лопатки турбин, электроарматура, типографские клише - да мало ли что еще в современной технике соперничают причудливостью своих форм и поверхностей с кленовым листом и морской раковиной. Изобретен способ, который позволяет теперь покрывать самую o замысловатую деталь педантично ровным, защитным слоем, чего не удается не только искусному инкрустатору-моллюску, но и всемогучей гальванопластике.

На многих машиностроительных заводах применяется процесс химического никелирсвания. И почти повсеместно сливают в канализацию тысячи литров рабочих растворов из-за преждевременного выхода их из строя.

Замена формулы "горячий раствор - холодная деталь" на противоположную (по а.с. № 186246) в 10-12 раз увеличивает скорость процесса, позволяет наносить многие металлопокрытия с помощью одной несложной установки на самые сложные детали, во много раз увеличивает срок службы раствора.

Еще в годы войны Семен Аркадьевич Вишенков видел, как во время обеденного перерыва один рабочий оригинально использует сподручные средства для приготовления чая. Опустив в стеклянную колбу с водой стальную гайку, он помещал ее в индуктор ТВЧ. Через несколько минут вода вскипала.

Много лет спустя эта рационализация натолкнула Семена Аркадьевича на мысль применить токи высокой частоты для интенсификации процессов нанесения металлопокрытий.

Примерно четверть века назад был открыт новый эффективный способ нанесения металлопокрытий, так называемый бестоковый. В результате химической реакции восстановления металла из его соли он осаждается на деталь. Это напоминает процесс крашения ткани: необходимо лишь разогреть в сосуде, например эмалированной кастрюле, раствор, содержащий соответствующие химикаты. За короткий срок эта технология, которая решает многие задачи, непосильные "классической" гальванотехнике, получила широкое распространение. Нет почти ни одной отрасли промышленности, где бы не применяли в том или ином масштабе химическое никелирование, кобальтирование, палладирование, золочение, меднение. Но несмотря на все увеличивающееся распространение этого процесса, его технология остается несовершенной.

Во время химического никелирования, например, в ванне скапливаются побочные продукты реакции - фосфиты, замедляющие скорость процесса, а при определенной их концентрации реакция вовсе прекращается. Перегретый раствор начинает интенсивно "саморазряжаться" -порошкообразный никель осаждается на стенках ванны и на деталях. Поверхность деталей загрязняется, становится шероховатой. Такие детали непригодны к использованию. Поэтому через каждые 2-3 часа раствор обычно сливают и заменяют свежим. Выбрасывается до 75 процентов неиспользованных дефицитных и дорогих химикатов! Значительно, а главное, неоправданно завышается стоимость покрытий.

Чтобы продлить жизнь раствора, применяют стабилизирующие добавки. С некоторыми стабилизаторами растворы живут дольше. Но все же процесс остается дорогим.

Второй недостаток химических способов-сравнительно низкая скорость осаждения металла.

Кандидат технических наук С. А. Вишенков был одним из первых, кто стал внедрять химическое никелирование в практику отечественной промышленности. Он понимал, однако, что нагрев всего раствора, объем которого в сотни и тысячи раз преышает объем обрабатываемых деталей, нерационален: процесс ведется часами, а при незначительном перегреве раствор быстро разлагается. Разумно было бы греть лишь зону контакта детали с раствором. Но как?

Вишенков вспомнил смекалистого рабочего и провел такой эксперимент. Стеклянный стакан с холодным раствором для химического никелирования и погруженную в него холодную деталь установил в кольцевой индуктор обычного закалочного генератора ТВЧ. Деталь быстро нагрелась и прогрела близлежащие слои раствора. На деталь стал интенсивно осаждаться металлический слой; оказалось, что в этом случае скорость осаждения покрытия в несколько раз превышает скорость, достигаемую при обычном способе. Так формула "горячий раствор - холодная деталь" была перекроена на противоположную и весьма эффективную.

Схема установки

1 - ванна; 2 - детали; 3 - индуктор; 4 - холодильник; 5 - насос; 6 - бак с раствором.

Очищенные, обезжиренные, протравленные, промытые, как обычно, детали завешивают в ванну (стеклянную, фарфоровую или фторопластовую) с холодным рабочим раствором. Раствор может быть как кислым, так и щелочным.

Генераторы ТВЧ используются как машинные, так и ламповые.

Детали внутри ванны нужно завешивать, максимально заполняя ее объем: чем полнее загружена ванна, тем меньше(!) расходуется электроэнергии.

Как только температура станет оптимальной, автоматически включается насос, с помощью которого через горячие детали прокачивается охлажденный, отфильтрованный и откорректированный по составу рабочий раствор.

Так как время пребывания раствора при рабочей температуре мало, предотвращается опасность его саморазложения. Раствор может использоваться длительное время. В одной установке можно наносить различные покрытия: промыл ванну и заливай другой раствор для другого процесса. Это особенно целесообразно для тех предприятий, где ощущается нехватка производственных площадей.

"Холодный раствор - горячая деталь". На принципиально новый способ нанесения металлопокрытий выдали авторское свидетельство № 186246.

В деталях, по которым блуждают вихревые токи (токи Фуко), тепло выделяется преимущественно на поверхности. (В свое время это явление выдающийся советский ученый В. П. Вологдин использовал для поверхностной закалки и плавки стали токами высокой частоты.) На горячую поверхность, около которой создан нужный "микроклимат", осаждается металл, а остальной объем раствора может оставаться холодным. Чтобы жидкость благодаря теплопроводности прогревалась еще меньше, рационально вести процесс в проточном охлажденном растворе, тогда продолжительность его жизни возрастет в несколько раз.

С. А. Вишенков совместно с И. В. Козловым, А. Ф. Левченко, С. И. Корольковым, С. С. Тюриным и другими коллегами изготовил лабораторную установку и разработал проект полупромышленной установки, которая позволяет охлаждать, фильтровать и корректировать раствор по составу и прокачивать его. Установка несложна и подключается к любому генератору ТВЧ. По сравнению с обычным химическим никелированием новый процесс протекает в 10- 12 раз быстрее. Можно наносить никель-фосфорные, кобальт-фосфорные, кобальт-вольфрамовые, короче говоря, все металлоокрытия, которые наносят химическим путем на детали из различных металлов и неметалалов и, что особенно важно, на арматуру для тепловых электростанций, лопатки турбин, вентили, дроссели, сильфоны, золотники, шестерни, поршневые кольца - детали особо сложной конфигурации. Долгое время, например, камнем преткновения для заводских технологов были топливные форсунки. Никак не удавалось нанести антикоррозионное покрытие на внутренние полости форсунок. Плохо обстояло дело и с сильфонами из различных бронз, применяемых во многих отраслях техники. Как обработать эту сложную гармошку, чтобы защитное покрытие осело равномерным слоем на всех труднодоступных участках? Выход из положения был найден с помощью формулы "холодный раствор - горячая деталь".

Новой технологии доступны даже узлы и целые приборы из разнородных материалов! Поверхности покрываются равномерно, красиво, слоем любой толщины.

Гальваники бьются над проблемой нанесения сплавов. По новой технологии решена и эта задача. Составив раствор из солей различных металлов, можно получить покрытия-сплавы с различными эксплуатационными свойствами.

Второй этап технологии - термообработка нанесенных покрытий (обычно это часовой нагрев при температуре 350-450°). Она повышает твердость покрытий, прочность их сцепления с основным материалом, но... одновременно снижает пластичность. Особенно это опасно для деталей, работающих в условиях циклических контактных нагрузок: покрытие разрушается и отслаивается. У никелированных деталей, работающих в условиях знакопеременных нагрузок, процентов на 30-40 снижается предел выносливости.

С. А. Вишенков использует те же токи высокой частоты и для термообработки металлопокрытий, полученных химическим восстановлением (а. с. № 185356). Скорость процесса повысилась в 600-800 раз: секунды - вместо часового нагрева!

Поскольку структурные превращения протекают быстрее, нанесенный слой приобретает необходимую твердость и в то же время покрытие остается достаточно пластичным. Резко возрастает адгезия (связь) покрытия с основой. Предел выносливости не только снижается, а, наоборот, возрастает. Покрытия становятся работоспособными, и в условиях циклических контактных нагрузок защитные свойства их улучшаются. Тем самым расширяется и сфера применения металлопокрытий, решаются новые технические задачи.

Некоторые машиностроительные заводы начали осваивать новую технологию, которая особенно выгодна при массовом производстве.

Организовать процесс несложно. Достаточно иметь установку ТВЧ и приставку, принципиальная схема которой показана на рисунке. Было бы, однако, хорошо, чтобы, наряду с такой самодеятельностью, этим вопросом занялся институт, имеющий опыт в использовании ТВЧ. например, ВНИИ ТВЧ имени В. П. Волошина. Надо сконструировать комплексный агрегат, включающий малогабаритный генератор и устройство для нанесения покрытий. Желательно также поставить заводам хорошие ванны из нейтрального материала, например фторопласта.

Разработчики уверены, что дальнейшее исследование в области использования токов высокой частоты для нанесения металлопокрытия принесет новые интересные результаты.

***

В данном примере разрешено техническое противоречие вида (раствор действует на изделие полезно, но при этом создает для себя вредное действие- разрушается при высокой температуре). Планируем увеличить производительность процесса, но ухудшаются вредные факторы самого объекта Согласно таблицы разрешения технических противоречий 01-14 находим варианты решения 01, 21, 06, 23. Выбираем 21-"обратить вред в пользу". Использовать вредные факторы (вредное воздействие среды) для получения положительного эффекта. Возможно применение принципа №11 "наоборот" вместо действия, диктуемого условиями задачи, осуществить обратное действие, не охлаждать объект, а нагревать. В данном примере показан прием разрешения физических противоречий в пространстве. Захаркин А.П.