40

Размещено на http://www.allbest.ru/

40

Разработка комбинированных методов восстановления и упрочнения изношенных деталей сельскохозяйственной техники на основе железнения

05.20.03 - Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Серебровский Вадим Владимирович

Москва 2008

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Курская государственная сельскохозяйственная академия имени профессора И.И. Иванова» и в ФГОУ ВПО «Российский государственный аграрный заочный университет»

Научный консультант: заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Батищев Алексей Никифорович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Мороз Владимир Петрович

доктор технических наук, профессор Борисов Геннадий Александрович

доктор технических наук, профессор Евграфов Владимир Алексеевич

Ведущая организация: ФГОУ ВПО Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина

Защита состоится «21» января 2009 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 220.056.03 при ФГОУ ВПО «Российском государственном аграрном заочном университете» по адресу: 143900, Московская обл., г. Балашиха.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО Российского государственного аграрного заочного университета.

Автореферат разослан « » 2008 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат технических наук,

профессор Мохова О.П.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Государственная программа развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2008…2012 годы (утверждена постановлением Правительства Российской Федерации от 14 июля 2007 г. № 446) предусматривает инновационное развитие отрасли, ускоренный переход к использованию новых высокопроизводительных и ресурсосберегающих технологий. Однако анализ технической оснащенности сельского хозяйства показывает, что остается низкой обеспеченность сельскохозяйственных товаропроизводителей машинами и оборудованием. Так, например, в 2001 году на 1000га пашни приходилось 7,1 трактор, в 2004 году этот показатель составлял 5,9, а в 2005- 5,5. В настоящее время свой срок службы выработали 71% тракторов, 64% зерноуборочных комбайнов, 68% кормоуборочной, а также 58% почвообрабатывающей техники. Поэтому в материалах и рекомендациях Министерства сельского хозяйства Российской Федерации и Россельхозакадемии большое внимание было уделено направлению повышения технического уровня сельскохозяйственной техники путем ее модернизации при техническом сервисе. Из представленных ГОСНИТИ данных следует, что модернизируемая техника имеет перед новой преимущества по цене (30…50 %), а в ряде случаев и по надежности. Проведение модернизации машин позволит получить экономический эффект в сотни миллионов рублей. Анализ информационных материалов показывает, что за рубежом прослеживается тенденция модернизации техники, бывшей в эксплуатации. Полная модернизация устаревшей техники широко практикуется на ряде ремонтных предприятий Америки. Зарубежные эксперты считают, что быстрый рост цен на природные ресурсы и их истощение, а также принятие законов по охране окружающей среды будут способствовать дальнейшему росту числа компаний, которые будут заниматься модернизацией изношенной техники.

Анализ направлений модернизации техники в России и за рубежом, опрос экспертов и мнений ученых и специалистов показывают, что наиболее перспективными из них являются повышение производительности машин, их надежности, экономичности и комфортности обслуживания. Считаем, что повышение надежности модернизированных машин должно произойти за счет использования более совершенных конструкций агрегатов и новых материалов, в том числе при восстановлении деталей. Большие возможности повышения ресурса восстановленных деталей при модернизации сельскохозяйственной техники открывают технологии нанесения упрочняющих покрытий, в том числе композиционных, которые вошли в перечень критических технологий, который утвердил в мае 2006 года Президент Российской Федерации. Значительный интерес для этих целей представляют процессы нанесения покрытий с применением нанотехнологий. Перспективным направлением повышения износостойкости восстановленных деталей является легирование покрытий, полученных железнением, и применение комбинированных технологий с последующим упрочнением. Одними из наиболее эффективных легирующих элементов являются молибден, вольфрам, титан, кобальт и другие. Однако для использования таких технологий на сервисных предприятиях необходимы рекомендации, как по составу электролитов, так и по режимам нанесения и упрочнения покрытий.

Цель работы. Разработка научно-обоснованных методов повышения технического уровня восстановления и упрочнения изношенных деталей сельскохозяйственной техники на основе железнения

Задачи исследования.

- Проанализировать проблемы управления техническим уровнем технологии восстановления деталей электролитическими покрытиями.

- Теоретически обосновать повышение качества железнения деталей путем их легирования добавками и химико-термической обработкой.

- Разработать программу и методику экспериментальных исследований качества железных покрытий.

- Проанализировать состояние технологии железнения деталей, используемых на сервисных предприятиях.

- Исследовать влияние легирующих добавок на физико-механические свойства железных покрытий.

- Исследовать влияние термообработки покрытий на их физико-механические свойства.

- Оптимизировать режимы нанесения и упрочнения (цианирования) легированных железных покрытий.

- Провести эксплуатационные испытания деталей с легированными железными покрытиями.

- Разработать технологические рекомендации по составу электролитов и по режимам нанесения и упрочнения легированных железных покрытий.

- Определить экономический эффект от использования упрочняющих железных покрытий при ресурсной модернизации сельскохозяйственной техники на сервисных предприятиях.

Объект исследования представляют технологии восстановления и упрочнения деталей сельскохозяйственной техники железнением.

Предметом исследования являются закономерности изменения механических и эксплуатационных свойств железных покрытий от состава и концентрации легирующих добавок в электролит и режимов нанесения.

Научная новизна исследований:

разработаны показатели оценки технического уровня технологий восстановления деталей и теоретически обосновано использование легирующих добавок в технологиях железнения;

установлены закономерности влияния состава электролитов и режимов электролиза на скорость осаждения и физико-механические свойства легированных железных покрытий.

разработаны новые составы электролитов с легирующими добавками и режимы нанесения покрытий (12 патентов);

установлены закономерности влияния режимов цианирования на физико-механические и эксплуатационные свойства легированных покрытий.

разработан рациональный состав азото-науглероживающей среды и режимы упрочнения железо-молибденовых покрытий (1 патент).

Практическая значимость исследований состоит в разработке:

- методики мониторинга технологий восстановления деталей железнением на сервисных предприятиях;

- технологических рекомендаций по применению легирующих добавок в технологиях железнения деталей при ресурсной модернизации сельскохозяйственной техники;

- комбинированной технологии восстановления и упрочнения деталей железо-молибденовыми покрытиями с последующим цианированием.

На защиту выносятся:

- методика и результаты мониторинга технологий восстановления деталей железнением на сервисных предприятиях

- теоретическое обоснование повышения технического уровня технологий восстановления деталей железнением путем использования легирующих добавок;

- методики оценки технического уровня технологий железнения, в том числе по единичным показателям: износостойкость, ударная вязкость;

- закономерности влияния концентрации легирующих добавок в электролит и режимов нанесения на физико-механические свойства железных покрытий;

- закономерности влияния режимов цианирования на физико-механические свойства легированных железных покрытий;

- рациональные составы электролитов с легирующими добавками и режимы нанесения покрытий их них;

- результаты ударных, стендовых и эксплуатационных испытаний легированных железных покрытий;

- рациональные составы среды и режимы цианирования железо-молибденовых покрытий;

- технологии восстановления деталей сельскохозяйственной техники легированными железными покрытиями;

- комбинированная технология восстановления деталей железо-молибденовыми покрытиями с последующим цианированием.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались, обсуждены и одобрены на научно-технических конференциях, семинарах:

международной научно-технической конференции Института геотехнической механики (г. Днепропетровск, 1999 г.);

международной технической конференции «Медико-экологические информационные технологии - 2002» (Курск, 2002 г.);

Российских научно-технических конференциях «Материалы и упрочняющие технологии» (Курск, 2001-2003 гг.);

международных научно-технических конференциях «Распознавание-2001» и «Вибрации-2001» в Курском ГТУ,

Всероссийской научно-технической конференции «Сварка и контроль» в Воронежском государственном архитектурно-строительном университете;

научно-технической конференции «Организация и развитие информационного обеспечения органов управления научных и образовательных учреждений АПК «Информ-Агро-2006» (Москва, ФГНУ «Росинформагротех», 2006 г.);

научно-технической конференции Московского государственного университета леса (г. Мытищи, 2007-2008 г.);

научно-технической конференции «Организация и развитие информационного обеспечения органов управления научных и образовательных учреждений АПК «Информ-Агро-2007» (Москва, ФГНУ «Росинформагротех» 6-8 июня - 2007 г.);

международной научно-технической конференции, посвященной 100-летию профессора И.С.Левитского, РГАЗУ, г. Балашиха,2007.

международной научно-практической конференции «Роль молодых ученых в реализации национального проекта « Развитие АПК», МГАУ, г. Москва,2007.

международном научно-практическом семинаре «Надежность и качество», г.Пенза,2007.

международной научно-практической конференции «Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции», ВИИТиН, г. Тамбов,2007.

Всероссийской научно-практической конференции «Стратегия машинно-технологического обеспечения производства сельскохозяйственной продукции России на период 2008-2012 гг», Москва, ГАО ВВЦ, ВИМ,,2007.

международной научно-технической конференции: «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» (г. Вологда, 2007 гг.);

- научной конференции профессорско-преподавательского состава РГАЗУ, г. Балашиха,2007.

международной научно-технической конференции: «Современные проблемы развития технического сервиса в АПК» (г. Москва, МГАУ, 2007 г);

международной научно-технической конференции: «Научные проблемы развития ремонта, технического обслуживания машин, восстановления и упрочнения деталей» (г. Москва, ГОСНИТИ, 2007 г);

международных и Всероссийских научно-практических конференциях, проводимых в ФГОУ ВПО «Курская КГСХА» в 2001-2008 гг;

Российских конференциях, проводимых в Курском государственном техническом университете 2001-2008 гг.

Реализация результатов исследований проводилась:

Разработана методика мониторинга технологических процессов восстановления деталей на сервисных предприятиях АПК.

Разработаны технологические рекомендации восстановления и упрочнения деталей железными легированными покрытиями.

Технология восстановления и упрочнения деталей железными легированными покрытиями внедрена на предприятиях Курской области: Рыльском авторемонтном заводе, Обоянском авторемонтном заводе,Краснополянской сельхозтехники; предприятии Белгородской области: Томаровском авторемонтном заводе; предприятии Брянской области Унечское РТП.

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 70 научных работах, в том числе 10 в журналах «Механизация и электрификация сельского хозяйства», «Технология металлов», «Упрочняющие технологии», «Аграрная наука», «Международный сельскохозяйственный журнал», рекомендованных ВАК, в 2 монографиях и 13 патентах на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы из 308 наименований и содержит 256 страниц основного текста, 73 рисунка и 29 таблиц.

Основное содержание работы

легированный железный покрытие электролитический

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследования.

В первой главе «Состояние проблемы, цели и задачи исследований» отражено состояние проблемы и обосновано направление работ. Одним из вариантов повышения надежности и коэффициента готовности техники является модернизация машин, находящихся в эксплуатации. Учеными и специалистами ГОСНИТИ совместно с заводами-изготовителями и сервисными предприятиями разработаны основы научного обеспечения проблемы модернизации машин, в том числе концепция и практические рекомендации. Это нашло отражение в работах Хисметова Н.З., Халфина М.А., Черноиванова В.И., Северного А.Э. и других ученых. Следует отметить, что модернизация машин на сервисных предприятиях определена Россельхозакадемией как приоритетное направление технического сервиса в АПК. Повышение надежности модернизированных машин должно произойти за счет использования более совершенных конструкций агрегатов и новых материалов, в том числе при восстановлении деталей. Так как большинство деталей, поступающих на участки восстановления, имеют износ менее 0,3 мм, то эффективным способом их восстановления является нанесение гальванопокрытий. Для восстановления деталей можно применять железнение, хромирование, цинкование, меднение, а также наносить электролитические сплавы металлов (железоникелирование и др.). Однако на ремонтных предприятиях самое большое распространение нашло железнение и хромирование. Большой вклад в развитие технологий восстановления деталей гальванопокрытиями внесли Ачкасов К.А., Батищев А.Н., Косов В.П., Мелков М.П., Митряков А.В., Мороз В.П., Петров Ю.Н., Евграфов В.А, Борисов Г.А. и другие ученые. Работы по совершенствованию процессов нанесения гальванопокрытий в Российской Федерации проводились в ГОСНИТИ, РГАЗУ, Пензенской, Курской и Орловской ГСХА, МГАУ имени В.П. Горячкина, Саратовском техническом университете и др. Анализу технологических процессов восстановления деталей гальваническими покрытиями посвящены многочисленные работы Батищева А.Н., Голубева И.Г., Новикова А.Н., Митрякова А.В., Спицина И.А., Юдина В.М. и др. Для реализации разработанных процессов издана нормативно-техническая документация, а технологические процессы были внедрены на различных ремонтных предприятиях для восстановления большой номенклатуры деталей сельскохозяйственной техники. Однако в последнее десятилетие объемы восстановления деталей гальванопокрытиями в общем объеме резко снизились. Одной из причин является недостаточный технический уровень технологических процессов нанесения гальванопокрытий. Большие возможности повышения ресурса восстановленных деталей при модернизации сельскохозяйственной техники открывают технологии нанесения упрочняющих покрытий. Перспективным направлением повышения износостойкости восстановленных деталей является легирование покрытий, полученных железнением. Одними из наиболее эффективных легирующих элементов являются молибден и вольфрам. Однако такие технологии практически не используются для восстановления и упрочнения деталей на сервисных предприятиях в ввиду малоизученности закономерностей влияния легирующих добавок в электролит на физико-механические свойства покрытий. В литературе практически отсутствуют рекомендации по последующей термической и термо-химической обработке таких покрытий с целью повышения ресурса восстановленных деталей. В изучение этих вопросов большой вклад внесли Гадалов В.Н., Казанцев С.П. и другие учёные. На основе изучения состояния проблем сформулирована цель и определены задачи исследований, которые изложены в общей характеристике работы.

Во второй главе «Теоретические основы повышения технического уровня технологии железнения деталей при модернизации сельскохозяйственной техники на сервисных предприятиях» разработаны научно-методологические основы оценки технического уровня технологических процессов восстановления деталей и теоретически обосновано применение легирующих добавок при восстановлении деталей железнением.

Для оценки технического уровня новых машин, оборудования и технологий разработано множество различных подходов и методов. Большинство моделей, позволяющих оценить технический уровень оборудования или технологического процесса, основаны на сопоставлении единичных показателей образца (новой технологии) и аналога:

(1)

где К_ТУ - коэффициент технического уровня;

g_i - относительный показатель образца и аналога;

n - количество оценочных показателей.

Для оценки технологических процессов восстановления деталей используются и другие критерии, в частности энергетический, предложенный профессором Батищевым А.Н.

(2)

где К_1i, К_ri - коэффициенты энергоемкости и трудоемкости

восстановления деталей i-тым способом;

Kgi - коэффициент долговечности детали, восстановленной

i - тым способом.

Для оценки эффективности различных вариантов восстановления деталей за счет нанесения покрытий с учетом затрат, связанных с обезвреживанием вредных выбросов в окружающую среду, нами предлагается использовать приведенные затраты. При этом наиболее целесообразен вариант с наименьшими приведенными затратами, которые включают в себя практически все значимые затраты на выполнение технологических операций и обеспечение производственного процесса с учетом защиты окружающей среды.

(3)

где П_РВ - приведенные затраты на восстановление деталей, руб/шт (руб/дм²),

С_ЗП - зарплата рабочих, выполняющих технологические операции по нанесению покрытий, руб/шт (руб/дм²);

Э_УД.В. - удельные затраты энергии на нанесение покрытий,

кВт·ч/шт (кВт·ч/дм²);

Ц_Э - цена 1 кВт·ч энергии, руб/кВт·ч;

Рⁱ_В - авансовая стоимость i-го оборудования и оснастки для нанесения покрытий, в т.ч. для обезвреживания сточных вод и выбросов в атмосферу, руб;

Тⁱ_ОБ.В. - ресурс i-го оборудования, ч;

С_В - производительность технологии нанесения покрытий, шт/ч (дм²/ч);

Р_обсум - годовая стоимость обслуживания всего комплекса оборудования по нанесению покрытий и обезвреживания сточных вод и выбросов в атмосферу, руб/год;

Ф_ОБ.В - действительный годовой фонд времени работы оборудования, ч;

Мⁱ - расход i-го вида материалов (включая воду, газ) на нанесение покрытий, кг;

T_i - срок, в течение которого используется Мⁱ-е количество материала, ч;

Цⁱ - стоимость i-го материала, руб/кг;

Сⁱ_PER - стоимость регенерации i-х материалов, используемых при нанесении покрытий, в течение срока их использования, руб;

С_ст - годовые затраты на обезвреживание сточных вод и выбросов в атмосферу, руб/год;

V_n - объем помещения, используемого для нанесения покрытий, м³;

Ц_зд - цена 1 м³ помещений, руб/м³;

Н_а - норма амортизационных отчислений, %;

С_мехуД - удельная стоимость механической обработки перед нанесением и после нанесения покрытия, руб/шт (руб/дм²);

К_д - коэффициент долговечности (отношение ресурсов восстановленной и новой деталей).

Применительно к оценке технологических процессов восстановления деталей гальванопокрытиями нами предложена формула:

(4)

где П_рг - приведенные затраты на нанесение гальванических покрытий при определенной средней толщине покрытий, руб/дм²;

Э_УД.Г - удельные затраты энергии на нанесение гальванических покрытий при определенной средней толщине, кВт ч/дм²;

P_Гi - балансовая стоимость i-го оборудования и оснастки для нанесения покрытий, подготовительно-заключительных операций, вспомогательного оборудования, в т.ч. и обезвреживания сточных вод и выбросов в атмосферу, руб;

Т_ОБ.Гi - ресурс i-го оборудования, ч;

С_Г - производительность технологической линии нанесения покрытий, дм²/ч;

М_А - удельный расход анодов на нанесение гальванических покрытий, кг/дм²;

Ц_А - цена анодов с учетом их подготовки к работе, руб/кг;

С_Эл._i - стоимость приготовления электролита i-й ванны, входящей в состав технологической линии, руб;

Т_элi - срок службы электролита i-й ванны, ч;

С_эл.об - годовая стоимость работ по контролю, фильтрации корректировке электролитов в ваннах, входящих в состав технологической линии, руб/год;

V_b - годовой расход промывочной воды при реализации технологического процесса нанесения гальванических покрытий, м³/год;

С_вп - стоимость промывочной воды, руб/м³.

Как видно из формулы, на технический уровень технологий железнения по критерию приведенных затрат влияет коэффициент долговечности восстановленной детали. Для его повышения теоретически обосновано применение сплавов на основе железа при восстановлении деталей. Специфические свойства, которые приобретает электролитическое железо, объясняются особенностями его структуры и высокой концентрацией дефектов кристаллической решетки. При электрокристаллизации железа создаются условия для формирования мелкоблочной структуры с большой протяженностью субзеренных границ. Это, в свою очередь, приводит к повышенной плотности дислокаций в электроосажденном металле. Другой особенностью гальванических осадков, получаемых электролизом из водных растворов солей, является насыщение металла водородом, ионы которого разряжаются на катоде вместе с ионами металла. Водород в железе образует твердый раствор типа протонных твердых растворов, входя в пустоты кристаллической решетки железа в частично ионизированном состоянии, при этом решетка железа деформируется. В более крупных дефектах решетки (порах и пустотах) водород может существовать в молекулярной форме.

Электролитическое осаждение металлов может рассматриваться как своеобразный способ получения высокопрочного состояния металлов путем формирования высокодисперсных неравновесных структур, насыщенных дефектами и предельно упрочненных. Микротвердость таких структур достигает 6,0...6,5 ГПа, а величина блоков мозаики уменьшается до 100... 120 Е.

Наиболее твердые покрытия обычно пронизаны сеткой трещин и имеют повышенную хрупкость. Вместе с тем, прочность металлов, как известно, определяется не только их твердостью, но и усталостными характеристиками, зависящими от пластичности металла. Оптимальное сочетание этих параметров позволяет получить наибольшее сопротивление материала поверхностному разрушению в процессе изнашивания или от других причин.

Для получения прочных и износостойких железных покрытий целесообразно использовать хлористый электролит, обеспечивающий высокую универсальность и хорошие технико-экономические показатели процесса. Наилучшее качество и высокая скорость осаждения электролитического железа получены при использовании для электролиза асимметричного тока.

При гальваническом осаждении железа и сплавов на его основе структура осадков имеет характерное слоистое строение, в свою очередь осажденные слои состоят из субзерен, размеры которых колеблются в пределах от 500 до 2000 Е, конфигурация которых соответствует конфигурации слоев.

Для анализа прочности материала со слоистой структурой может быть использована теоретическая модель, предложенная Лиу и Гурландом. Эта модель основана на взаимодействии дислокаций, вызванных деформированием кристалла, с трещиной в металле, роль которой в рассматриваемом случае может играть субзеренная граница.

Приняв за основу предложенную модель, можно записать критическое условие разрушения слоя:

(5)

где у -разрушающее напряжение, приложенное к материалу;

у₀ - прочность кристалла бесконечно большого размера;

у_F - прочность матрицы;

с - радиус кривизны концентрата напряжения (ширина межзеренной границы);

d - размер субзерна осажденного материала.

Приняв действительные значения прочности железа у₀=у_F=150 МПа и ширину границы с = 100Е, получили уравнение для расчета твердости осадка в зависимости от размеров блоков (субзерен) кристаллической решетки

Н = 540 + 2956 - d^-1/2 (6)

Экспериментальная проверка твердости, рассчитанная по выражению (6), показала вполне удовлетворительное совпадение результатов (рис.1).

Ужесточение режимов электролиза, которое приводит к образованию в электролитическом железе большого количества дефектов, вызывает уменьшение плотности железного осадка и повышает его твердость и прочность.

Рис. 1 Зависимость твердости гальванического осадка железа от размеров субзерен. Точками показаны экспериментальные результаты 1 - расчетная кривая; 2-область экспериментальных значений

Введение в состав электролитического железа легирующих элементов приводит к возникновению новых факторов, которые могут внести положительные моменты в дальнейшее повышение прочности осадка. Известно, что атомы примеси, содержащейся в дефектном кристалле, активно адсорбируются дислокациями и закрепляют их в решетки, препятствуя скольжению.

Напряжение, необходимое для отрыва дислокации от атмосферы примеси, предлагается оценивать выражением

(7)

где С₀- концентрация легирующих элементов в сплаве.

Расчеты, приведенные по выражению (7), показывают, что введение в состав осадка небольшого количества легирующего элемента (фосфора) повышает предел текучести электролитического железа на 10...12 %. Эти данные хорошо корреллируют с экспериментальными результатами.

При нагревании железо-фосфорных сплавов наблюдается дальнейшее упрочнение электролитического осадка, что связано, по-видимому, с образованием твердых фосфидных фаз по границам субзерен. Поэтому создание электролитических сплавов является перспективным направлением повышения твердости и износостойкости электроосажденного железа. Прогнозные расчеты, проведенные по вышеизложенной методике, дают значения микротвердости железо-фосфорных покрытий, в зависимости от концентрации фосфора и режимов электролиза, от 9127 МПа до 11850 МПа, что вполне согласуется с экспериментальными данными.

В третьей главе «Программа и методика исследований» рассмотрены программа и методики экспериментальных исследований.

Для проведения исследований была разработана программа, блок-схема, которая представлена на рис.2.



Рис. 2 Блок-схема исследований

Организация работ по мониторингу состояния технологических процессов восстановления деталей на сервисных предприятиях предусматривала: сбор данных о структуре технологических процессов, их разработчиках и численном составе; об основной номенклатуре восстанавливаемых деталей и устраняемых дефектах; о длительности использования технологических процессов; о состоянии технологического оборудования и темпах его обновления; о надежности технологических процессов. Было проанализировано около 500 технологических процессов восстановления деталей сельскохозяйственной техники (ТП). Сбор информации по надежности ТП восстановления деталей гальванопокрытиями проводили на операциях нанесения покрытий и их финишной обработки. Надежность технологического процесса нанесения покрытия оценивали коэффициентом технологической надежности (Ктн)

(8)

где n - количество дефектных деталей;

N - общее количество деталей, прошедших данную операцию.

Оценку технического уровня технологических процессов восстановления деталей проводили по единичным показателям и разработанному критерию.

Осаждение легированных покрытий на основе железа проводилось из хлористых электролитов. Состав электролита: хлористое железо 350...400 г/л, соляная кислота 0,7...1,8 г/л. Режимы нанесения: катодная плотность тока 20...40 А/дм², катодно-анодный показатель 1,5...6, температура электролита 293...313 К, кислотность рН 0,8...1,0. Состав добавок в электролит дан в таблице 1.

Таблица 1

Состав добавок в электролит

Покрытие (сплав)	Добавка
Железо-фосфор	гипофосфат натрия
Железо-вольфрам	вольфрамово-кислый натрий лимонная кислота
Железо-молибден	молибдат аммония лимонная кислота
Железо-бор	борная кислота
Железо-титан	титан щавелево-кислый
Железо-кобальт	кобальт хлористый
Железо-алюминий	хлористый алюминий хлористый калий
Железо-ванадий	метаванадат аммония

Кислотность электролита контролировали с помощью прибора рН-340. Концентрация железа поддерживалась за счет растворения анодов, изготовленных из малоуглеродистой стали, а концентрация остальных элементов - за счет периодического введения в электролит соответствующих растворов. Массу осажденного металла определяли на аналитических весах ВЛА-200М с точностью 0,1 мг. Питание лабораторной установки осуществляли асимметричным переменным током промышленной частоты с двумя встречновключенными диодами. Нанесение покрытий производили на плоские и цилиндрические образцы. Перед покрытием образцы тщательно промывали в бензине и ацетоне. После взвешивания их обезжиривали венской известью, промывали в воде и подвергали анодному травлению в 30 % растворе серной кислоты с добавлением 15...20 кг/м³ сернокислого железа. Время травления - 1...2 минуты при плотности тока - 30…70 А/дм². После промывки проточной водой образцы завешивали в рабочую ванну и электрические параметры (плотность тока и показатель асимметрии) доводили до номинальных в течение 4...5 минут. Термообработку образцов с покрытием производили в муфельной печи. Регулировку и поддерживание заданной температуры термообработки производили при помощи электронного автоматического потенциометра ЗДП-12 и платиново-родиевой термопары ППР с точностью ± 5 °С. Для проведения цианирования электроосажденных сплавов применяли состав пасты (%, масс.): К₄Fe(CN)₆ - 70; сажа - 20; CaCO₃ - 5; Na₂CO₃ - 5.

Механическую обработку опытных деталей проводили на оборудовании и режимах серийного производства. Определение микротвердости покрытий производили на приборе ПМТ-3М при нагрузке на индентор 0,1Н. Исследование микроструктуры сплавов проводили при помощи металлографического микроскопа МИМ-8М на поперечных шлифах. Фазово-структурные изменения в осадках сплава исследовали методом структурного анализа на установке УРС-60. Для исследования структуры были выбраны железо-молибденовые, железо-вольфрамовые, железо-титановые и железо-фосфорные покрытия. Для изучения влияния температуры и длительности насыщения на толщину диффузионных слоев при цианировании покрытий использовали пасту на основе сажи с добавлением оптимального количества желтой кровяной соли, соды и мела. Насыщение проводили при температурах 813...973 К, длительность процесса составляла 1...5 ч. После насыщения образцы охлаждали в воде. На цианированных образцах приготовляли микрошлифы, на которых при помощи микроскопа МИМ-8 с окуляр-микрометром измеряли также общую толщину цианированного слоя и глубину карбонитридной зоны в этом слое. Для исследования внутренних напряжений в электролитических осадках использован метод растяжения-сжатия ленточного катода. Прочность сцепления оценивали по степени отслаивания покрытия в месте изгиба. Сцепляемость сплава оценивали как отношение усилия нормального отрыва к площади поперечного сечения. Испытания образцов на усталостную прочность проводили на машине типа УКИ-10М. Для сравнительных испытаний стальных образцов принималась база 5-10⁶ циклов. Основным критерием для определения предела выносливости и построения кривых являлось полное разрушение образца.

Определение сравнительной износостойкости покрытий в лабораторных условиях проводили в сравнении с износостойкостью стали 45, закаленной ТВЧ. Контробразцами служили колодки из серого чугуна и бронзы. Площадь соприкасающихся поверхностей образцов составляла 2 см². Испытанию подвергали следующие серии образцов: ролики, покрытые электролитическим железом; ролики, покрытые электроосажденными сплавами; ролики, изготовленные из стали 45, закаленные ТВЧ и отпущенные при температуре 573 К; ролики, покрытые электролитическими сплавами и упрочненные цианированием. Толщина покрытий составляла 0,3...0,4 мм. Испытания проводили на машине трения СМЦ-2, а часть опытов на модернизированной машине СМЦ-2, в которой реализуются близкие по скоростям и нагрузкам условия работы реальных машин. Производили также испытания покрытий в условиях трения без смазочного материала по схеме «ролик - ролик». Износ определяли по потере массы образцов через каждые 1000 м пути. Взвешивание проводили на аналитических демпферных весах с электрическим подсветом ВЛА-300М с точностью до 0,1 мг. Перед взвешиванием образцы промывали в бензине Б-70 и этиловом спирте с промежуточной и последующей теплой сушкой струей воздуха. Испытания проводили при нагрузке для условий трения без смазочного материала 1МПа, для граничного трения 7,5 МПа и скорости скольжения 1,31 м/с. Длительность одного цикла испытаний составляла 60 минут. Перед началом испытаний образцы прирабатывали в течение 30 минут до стабилизации момента трения и температуры в зоне трения. Удаление продуктов изнашивания осуществляли фетром, уложенным в ванночку, посредством его поджима к ролику. Фетр предварительно обезжиривали в ацетоне и высушивали. Для определения оптимальных условий и режима электролиза были проведены исследования износа покрытий, полученных при различных условиях процесса. При исследовании материалов на износ был принят комплексный метод, при котором основные факторы варьировались на пяти уровнях. В качестве влияющих факторов приняты показатели, обеспечивающие получение качественных электроосажденных сплавов: показатель асимметрии (катодно-анодной показатель) в; катодная плотность тока D_k; температура электролита Т; кислотность электролита рН; концентрация солей легирующего элемента С_лс. Для определения условий электролиза, обеспечивающих получение износостойких покрытий, применяли методику планирования экспериментов.

Для ударных испытаний нитроцементованных и других упрочненных слоев на поверхности деталей был разработан специальный образец квадратного сечения без надреза, размером 1,5x1,5 мм, длиной 20...30 мм и применена схема испытания с односторонним креплением образца. Испытания проводили на сконструированном копре с маятником. По каждому образцу наносили по 6 ударов.

Для изучения работоспособности деталей с легировнными железными покрытиями нами были проведены стендовые испытания дизельных и карбюраторных двигателей на обкаточно-тормозном стенде. На дизель СМД-14 были установлены восстановленные валики коромысел клапанов (дет. NCMД-0644-1) с различными покрытиями (экспериментальные валики). Осаждение сплавов велось на оптимальных режимах. Испытания проводили на стенде КИ-3824. Длительность испытаний составила 800 часов. Аналогичные испытания проведены для двигателя ЗИЛ-130. На них устанавливали упрочненные толкатели и штоки клапанов, распределительные валы, шатуны.

В четвертой главе «Результаты исследований и их анализ» проведен анализ состояния технологических процессов восстановления деталей гальванопокрытиями. Одним из основных недостатков технологических процессов восстановления деталей гальванопокрытиями является недостаточный их технический уровень. Анализ показывает, что для формирования оптимального качества технологических процессов необходимо вмешательство в технологию нанесения покрытий на 54 % предприятий. Нами разработаны новые технологические приемы нанесения гальванических покрытий, повышающие их качество, в том числе путем введения в электролит легирующих добавок. Так с увеличением концентрации хлорида железа в электролите с 200 до 600 кг/м³ микротвердость покрытия снижается почти на 2000 МПа, а добавки в этот электролит небольших количеств молибдена, вольфрама и фосфора способствует увеличению микротвердости на 2500...3000 МПа. При увеличении содержания молибдена, вольфрама и фосфора микротвердость покрытий проходит через максимум, достигая уровня 8000...8300 МПа. В сравнении с электролитическим железом микротвердость сплавов на его основе увеличивается в среднем на 2000...3000 МПа.

Изменение коэффициента асимметрии тока при электролизе в пределах от 1 до 5 оказывает значительное влияние на микротвердость исследованных двухкомпонентных сплавов. При низких значениях показателя асимметрии (в = 1,3...1,5) микротвердость сплава относительно невелика (~ 3500 МПа), осадки малонапряженные, прочно сцепленные с основой. При увеличении значения показателя асимметрии микротвердость сплавов повышается, однако возрастают и внутренние напряжения растяжения в осажденном металле. Структура всех сплавов характеризуется при этом мелкозернистостью и значительным искажением кристаллической решетки железа.

Зависимость микротвердости Fe-P покрытий от параметров электролиза имеет вид:

H _(Fe-P) = 2826 - 30,34C_p² - 310^-3D_k² - 72,8² - 0,54 C_Fe +

+ 480,8 C_p + 1013,44 + 2,03 D_k C_p + 0,06 C_p C_Fe. (9)

Самый высокий уровень внутренних напряжений, достигающий в железо-фосфорных сплавах 350 МПа, имеет место в первых слоях электролитических осадков. При толщине осадков в 10 мкм напряжения снижаются до 250 МПа, а при 20 мкм - до 180 МПа. При дальнейшем увеличении толщины осадков уровень внутренних напряжений в них остается постоянным. Повышение плотности тока при электроосаждении двухкомпонентных покрытий приводит к увеличению напряженности осадков, повышение температуры электролита приводит к обратному эффекту.

Основными причинами, вызывающими внутренние напряжения в покрытиях, могут быть: а) изменения параметров кристаллической решетки; б) форма роста осадка, характер и однородность структуры; в) характер, плотность и устойчивость структурных несовершенств; г) включения и примеси. Эти причины взаимосвязаны и обусловливаются природой, свойствами осаждаемых металлов, составом электролита и условиями электролиза.

При электроосаждении сплавов железа на асимметричном токе прочность сцепления покрытий с основным металлом зависит прежде всего от показателя асимметрии, чем ниже величина этого показателя, тем прочнее связь покрытия с основой. Для повышения прочности сцепления осаждение покрытий начинается при показателе асимметрии 1,2…1,3. Это обеспечивает получение максимальной прочности сцепления, достигающей 300…350 МПа. Через 10…15 минут после начала электролиза показатель асимметрии и плотность тока доводят до номинальных значений. Начало процесса при показателе асимметрии больше двух резко снижает сцепляемость покрытий со сталью, что может повлечь за собой их отслаивание в эксплуатационных условиях.

Нами получены зависимости влияния легирующих добавок на прочность сцепления покрытий (рис. 3).



Рис. 3 Зависимость прочности сцепления электролитических сплавов от концентрации легирующих добавок

Нами установлено, что при повышении концентрации легирующего компонента, увеличивающей поляризацию катода, снижает прочность сцепления покрытий с основным металлом. Эта связь определяется тем, что повышение поляризации катода приводит к осаждению покрытий, имеющих мелкодисперсную структуру, обеспечивающую повышенную твердость и хрупкость слоя, прилегающего к основному металлу.

Сравнительные исследования износостойкости железных покрытий, полученных на постоянном и асимметричном токе, показали, что покрытия, осажденные при нестационарных условиях электролиза, обладают более высокой износостойкостью. Изменение показателя асимметрии от 3 до 6 позволило снизить износ исследуемых покрытий. Основная роль в этом отводится процессу формирования высокодисперсной структуры покрытий с повышенной твердостью.

По данным проведенных исследований наибольшую износостойкость имеют покрытия при следующем содержании легирующих элементов: для сплава Fe-Mo - 1 % Мо; для сплава Fe-W - 2 % W; для сплава Fe-P - 2,5 % (рис. 4).



Рис. 4 Зависимость износа сплавов от содержания легирующих элементов

Зависимости износа двухкомпонентных покрытий от параметров электролиза имеют вид:

И_Fe-P = 16,5 + 53 С_P² + 2,1 10^-3 D_k² + 135 ² - 0,84 С_P -

- 0,12 D_k - 1,78 + 11,8 10^-3 С_P. (10)

И_Fe-W = 27,17 - D_k² 10^-4 + 0,75 С_W² + 0,37 ² - 5,5 С_W -

- 4,6 + 0,14 С_W - C_л² 23 10^-3. (11)

И_Fe-Mo = 25,6 + 130 10^{-3 2} + 13,23 С_Mo² + 0,14 10^-3 D_k² -

- 3,17 рН² - 0,51 С_к + 0,65 С_Мо - 0,05D_k C_Mo - 2 - 27,2 С_Мо. (12)

Таблица 2

Оптимальные режимы и свойства легированных железных покрытий

Покрытие	Состав электролита	Режим нанесения	Скорость осаждения, мм/ч	Свойства покрытий
		Температура электролита, К	Плотность тока, А/дм2	Катодно-анодный показатель		Сцепляемость, МПа	Микротвердость, МПа
железо-фосфор	хлористое железо 350 г/л, соляная кислота 0,7 г/л, гипофосфат натрия 8 г/л	313	40	5	0,3	300	7500
железо-вольфрам	хлористое железо 350 г/л, соляная кислота 1,0 г/л, лимонная кислота 12 г/л, вольфрамово-кислый натрий 8 г/л	313	40	5	0,3	300	8200
железо-молибден	хлористое железо 350 г/л, соляная кислота 1,5 г/л, лимонная кислота 5 г/л, молибдат аммония 0,8 г/л	313	40	5	0,35	300	8300
железо-бор	хлористое железо 350 г/л, соляная кислота 1,0 г/л, борная кислота 50 г/л	313	40	5	0,35	300	9000
железо-титан	хлористое железо 350 г/л, соляная кислота 1,0 г/л, титан щавелево-кислый 2,0 г/л	313	40	5	0,3	300	8200
железо-кобальт	хлористое железо 350 г/л, соляная кислота 1,5 г/л, кобальт хлористый 40 г/л	313	50	6	0,4	350	8500
железо-алюминий	хлористое железо 350 г/л, соляная кислота 1,0, хлористый алюминий 350 г/л, хлористый калий 90 г/л	313	40	6	0,35	350	8000
железо-ванадий	хлористое железо 400 г/л, соляная кислота 1,8, метаванадий аммония 25 г/л.	313	50	5	0,3	300	8500

Для окончательной рекомендации по выбору наиболее износостойких покрытий нами проведены сравнительные исследования их износостойкости.

Большинство ответственных деталей машин изготавливается из стали 45 с последующей термообработкой, поэтому нами в качестве эталона при сравнительных испытаниях материалов на износостойкость была выбрана сталь 45. Материалы исследовались в парах трения с чугуном и бронзой. Результаты представлены на рис. 5.

Рис. 5 Результаты сравнительных исследований покрытий на износостойкость

В результате проведенных экспериментов выявлено, что наименьший износ и лучшую прирабатываемость имели сплавы Fe-Mo, затем сталь 45, закаленная посредством нагрева ТВЧ с последующим низкотемпературным отпуском и электролитическое железо. При испытании в паре с чугуном износ всех покрытий был ниже, чем в паре с бронзой. Износостойкость электроосажденного легированного железа к стали 45 составила: для сплава Fe-Mo - 170 % при работе в паре с чугуном и 156 % - в паре с бронзой; для сплава Fe-W - 165 % при работе в паре с чугуном и 153 % - в паре с бронзой; для сплава Fe-P - 121 % при работе в паре с чугуном и 112 % - в паре с бронзой.

Полученные данные указывают на целесообразность легирования электролитического железа молибденом, поскольку оно при граничном трении имеет недостаточно высокие прочностные показатели. По нашему мнению, при граничном трении увеличивается интенсивность образования окисных пленок при высокой скорости их разрушения. Это подтверждается тем, что при наименьших значениях температуры и коэффициента трения электролитическое железо имеет наибольший износ.

Нами рассмотрены вопросы применения термической и химико-термической обработки для упрочнения электроосажденных двухкомпонентных покрытий на основе железа. Повышение износостойкости и улучшение других прочностных свойств Fe-Mo и Fe-W покрытий может быть достигнуто их цианированием. Установлено, что на толщину диффузионного слоя и на толщину карбонитридной зоны значительное влияние оказывают температура и длительность цианирования. Цианирование сплава Fe-Mo отличается от чистого железа тем, что температура, при которой достигается максимальная глубина карбонитридной зоны, зависит от длительности процесса. Так при длительности процесса 1,5 часа максимум карбонитридов соответствует температуре ~ 873 К, а при длительности цианирования 6 часов этот максимум соответствует уже температурному интервалу 873...973 К. В качестве оптимальной температуры цианирования железного покрытия целесообразно принять температурный интервал 913...933 К, так как при этом наблюдается максимальное значение толщины карбонитридной зоны, которая является наиболее твердой и износостойкой структурной составляющей цианированного слоя. Этот же температурный интервал можно рекомендовать и для железо-молибденового сплава, так как при используемых на практике длительности цианирования 3...5 ч он обеспечивает максимальный размер карбонитридной зоны. При испытании образцов на износостойкость в условиях трения без смазочных материалов установлено, что износостойкость цианированного железа в среднем несколько ниже износостойкости железо-молибденового сплава.

Были проведены сравнительные ударные испытания образцов. Исследовалась ударная вязкость образцов из стали 40Х с железо-молибденовыми покрытиями и упрочненные цианированием. Результаты ударных испытаний показали, что покрытие образцов легированными сплавами практически не приводит к повышению работы излома образцов, их цианирование эту работу снижает. Ударная вязкость образцов с легирующими покрытиями практически не изменилась по сравнению с образцами из стали 40Х после закалки.

Результаты сравнительных стендовых испытаний дизелей СМД-14 с экспериментальными деталями приведены в таблице 3.

Таблица 3

Износ деталей соединения «валик-втулка» коромысел клапанов (после 800 часов работы)

Покрытие	Износ детали, мм
	Валик	Втулка
Серийные детали	0,0650	0,057
Железо-молибден	0,056	0,054
Железо-молибден+цианирование	0,048	0,056

Эксплуатационные испытания двигателя СМД-14 с экспериментальными деталями, восстановленными железо-молибденовым покрытиями были проведены в хозяйствах Курской области.

Результаты эксплуатационных испытаний показаны на рис. 6.

Рис. 6 Износ валика коромысел после эксплуатационных испытаний (недоработка 1500 мото-ч): 1 - серийные; 2 - с железо-молибденовыми покрытиями

Эксплуатационной проверке были подвергнуты также восстановленные железо-молибденовыми покрытиями толкатели и штоки клапанов, распределительный вал двигателей автомобилей ЗИЛ-130 (табл. 4).

Таблица 4

Результаты экспериментальных испытаний деталей

Деталь	Износ, мкм
	серийные	экспериментальные
Толкатель клапана двигателя ЗИЛ-130	30,0	19,0
Шток клапана двигателя ЗИЛ-130	28,0	18,0
Распределительный вал двигателя ЗИЛ-130	14,0	9,0
Нижняя головка шатуна двигателя ЗИЛ-130	13,0	8,0

В пятой главе «Реализация результатов исследований и их экономическая эффективность» разработаны технологические рекомендации по восстановлению деталей железными легированными покрытиями. Нанесение легированных железных покрытий и их цианирование перспективно для восстановления по упрочняющим технологиям деталей типа «вал - втулка», работающих в условиях абразивного изнашивания. К таким деталям можно отнести штоки клапанов двигателей, толкатели клапанов, распределительные валы двигателей, валики коромысел, золотники гидрораспределителей и др.

Технологический процесс предусматривает следующую последовательность операций:

- очистка деталей от загрязнений;

- механическая обработка поверхностей, подлежащих восстановлению;

- химическое обезжиривание деталей венской известью;

- монтаж деталей в подвесное приспособление;

- изоляция поверхностей, не подлежащих покрытию;

- электрохимическое обезжиривание в электролите следующего состава, кг/м³: едкий натр - 50, тринатрий фосфат - 8, растворимое стекло - 4 при плотности тока 6 А/дм². Время электрохимического обезжиривания 6 минут: 5 минут обезжириваемые детали являются катодом и 1 минуту анодом;

- промывка подвески с деталями в горячей воде при 343...363 К;

- промывка подвески с деталями в проточной холодной воде;

- анодное травление в 30 % растворе серной кислоты;

- промывка подвески с деталями в холодной проточной воде;

- электроосаждение сплавов;

- промывка подвески с деталями в горячей воде;

- нейтрализация в 10% растворе едкого натрия в течение 30...40 минут;

- демонтаж деталей с подвески;

- сушка деталей;

- механическая обработка;

- контроль качества покрытия.

Электролит должен быть приготовлен на дистиллированной воде. Доливать в процессе электролиза в электролит следует также дистиллированную воду, чтобы избежать накопления посторонних ионов.

...