Ресурсосберегающая технология восстановления внутренних поверхностей деталей сельскохозяйственной техники скоростным железнением тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.03, кандидат технических наук в форме науч. докл. Веселовский, Николай Иванович

• Веселовский, Николай Иванович
• кандидат технических наук в форме науч. докл.
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук в форме науч. докл. Веселовский, Николай Иванович

Актуальность работы» Более половины затрат при ремонте машш связано с приобретением запасных частей. Основным направлением снижения себестоимости ремонта машин, экономии материально-сырьевых и энергетических ресурсов является восстановление изношенных деталей. Одним из эффективных способов восстановления деталей является железнение.

При нанесении гальванических покрытий на внутренние поверхности корцусннх и других деталей объем гальванической ванны и источник тока используются малоэффективно, т.к. площадь покрываемой поверхности невелика, а объем, занимаемый деталями, большой. В этом случае повысить эффективность использования гальванического оборудования можно за счет увеличения рабочей плотности тока, что позволит также повысить скорость нанесения покрытия. В современных условиях технология нанесения покрытий должна оказывать минимальное отрицательное воздействие на окружающую среду. Поэтому разработка малоотходной ресурс ©сберегающей технологии восстановления внутренних поверхностей деталей сельскохозяйственной техники скоростным железнением является актуальной задачей.

Актуальность темы диссертации подтверждается и. тем, что она являласьставной часть» координационного плана НИР ГОСНИТИ на 1981.85 гг. по решению научно-технической проблемыздания и освоения прогрессивных технологических процессов и оборудования для технического обслуживания, ремонта я восстановления изношенных деталей тракторов, автомобилей и-х. машш (задание 04.07 "Разработка малоотходной технологии восстановления деталей желез-нением"), а также общесоюзной Программы 2.6 "Разработать и освоить прогрессивные методы организации, технологические процессы и оборудование, обеспечивающие повышение уровня использования, технического обслуживания, ремонта и восстановления изношенных деталей тракторов, автомобилей и-х. машин" на 1986.1990 г г. (тема 20.1, » ГР 018600Э6999).

Целью работы является разработка ресурсосберегающей малоотходной технологии скоростного железнения внутренних поверхностей восстанавливаемых деталей.

Объектом исследований является технологический процесс восстановления внутренних поверхностей деталей скоростным железнением.

Научная новизна. Теоретически и экспериментально обоснована возможность значительного повышения рабочей плотности тока и скорости нанесения покрытий за счет применения вращающейся перфорированной токонепроводадей перегородки. Показано, что при вращении перегородки электролиз проходит при более низком катодном потенциале. Установлены зависимости катодного выхода по току, скорости нанесения покрытий и их Микротвердости от условий электролиза. Определены рациональные режимы электролиза. Научная новизна подтверждена двумя авторскими свидетельствами на изобретения.

Практическая ценность работы состоит в разработке малоотходной ресурсосберегающей технологии скоростного железнения внутренних поверхностей деталей.

Реализация результатов исследований. Технологические и технические разработки внедрены на трех ремонтных предприятиях. Результаты исследований включены в учебные пособия и используются в учебном процессе-х. вузов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на международной конференции яРемдеталь-88", г. Пятигорск; на четырех всесоюзных и ресцубликанских конференциях (г. Минск, 1983 г.; г. Рязань, 1986 г.; г. Кишинев, 1986 г.; г. Рига, 198? г.); на конференциях ВСХЙЗО (РГАЗУ).

Технология и установки экспонировались на ВДНХ СССР ("НТТМ-84И, 1988 г. - третья премия выставки "Изобретательство и рационализация - 88") и на международной выставке "Ремдеталь-88" (г. Пятигорск).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 26 работ, в т.ч. 2 авторских свидетельства на изобретения.

На защиту выносятся:

- теоретическое обоснование необходимости и возможности повышения рабочих плотностей тока при железнении внутренних поверхностей деталей;

- результаты исследований влияния режимов электролиза на производительность процесса и свойства гальванических покрытий при использовании вращающейся между анодом и катодом - деталью перфорированной токонепроводящей перегородки;

- ресурсосберегающая технология восстановления внутренних поверхностей деталей сельскохозяйственной техники екоростнш же-лезнением.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССВДОВАНИЙ

Важным резервом снижения себестоимости ремонта машин и расхода запасных частей является восстановление деталей. До 80% деталей имеет износ не более 0,3 мм. Себестоимость их восстановления не превышает 60% ценн новых при практически равных сроках службы. На ремонтных предприятиях для восстановления деталей с небольшими износами недостаточно широко используют малоотходные технологии, такие как полимерные, гальванические покрытия, газотермическое напыление и др. Джя восстановления деталей с малыми износами часто применяют наплавочные процессы, сопровождающиеся большим расходом дорогостоящих материалов (порошок, проволока, газы) и требующие значительных объемов механической обработки.

Технологические процессы восстановления внутренних поверхностей деталей вызывают дополнительные сложности: увеличиваются тепловложения из-за уменьшения теплоотвода в окружающую среду, усложняются приспособления, йце с большими трудностями сталкиваются при восстановлении внутренних поверхностей чугунных деталей.

Одним из аффективных способов восстановления внутренних поверхностей деталей является электролитическое железнение, обладающее следующими преимуществами.

По сравнению с хромированием достигается более высокая скорость нанесения покрытия, снижается расход электроэнергии, улучшается распределение металла на поверхности изделий сложной формы, ниже стоимость используемых материалов, вше экологическая безопасность.

По сравнению с металлизацией обеспечивается высокая прочность сцепления покрытия с основой, экономней расход материалов, возможность наращивать тонкие работоспособные покрытия.

По сравнению с наплавкой отсутствует термическое влияние на металл основы, не происходит коробление деталей, возможно одновременное восстановление большого числа изделий, что повшает производительность

Однако при нанесении гальванических покрытий на внутренние поверхности крупных и корпусных деталей объем гальванической ванны и источник тока используются малоэффективно,т.к. площадь покрываемой поверхности невелика, а объем, занимаемый деталями в ван

- б не, большой. Повысить эффективность использования гальванического оборудования можно за счет усложнения состава электролита или за счет подбора режимов электролаза. В современных: условиях высоких требований к экологической безопасности важно использовать простые по составу электролиты. Нами выбран хлористый электролит с концентрацией 580.620 г/л Feilz • , рН = 0,5.0,8 [3, 4, 5, 6]

Увеличение рабочей плотности тока я скорости нанесения покрытия можно достигнуть за счет интенсивного перемешивания электролита вблизи поверхностей электродов, а также использования различных форм тока, что подтверждается многими исследователями (школы Петрова D.H., Батищева А.Н. и др.).

Практическое применение получили струйный, анодно-струйный, проточный способы нанесения гальванических покрытий.

Эти способы применяют для восстановления посадочных мест под подшипники крупногабаритных корпусных деталей, шеек коленчатых валов двигателей и т.п. Они позволяют вести электролиз при плотностях тока до 160 А/дм^. Недостатками этих способов интенсификации электролитического осаждения металлов являются: потребность в специальном кислотостойком оборудовании и материалах (насосы, трубы, шланги, уплотнения,.). Это усложняет конструкцию установки и ее эксплуатацию. Технологическая схема этих процессов предусматривает подачу в электролитическую ячейку последовательно разных электролитов (для обезжиривания,, травления, нанесения покрытия), что неизбежно ведет к постепенному взаимному загрязнению и, как следствие, требует частой замены электролитов, повышенному расходу материалов я снижению экологической безопасности.

В связи с вышеизложенным целью настоящей работы является разработка малоотходной технологии скоростного железнения внутренних поверхностей деталей, обеспечивающей повдаение производительности труда, экономив материально-сырьевых и энергетических ресурсов, снижение вредного воздействия на окружающую среду.

При этом предусматривается решение следующих задач:

- определить геометрические параметры электролизера;

- исследовать влияние режимов электролиза на скорость осаждения железа, микротвердость покрытий и их структуру;

- определить условия, обеспечивающие получение высокой прочности сцепления покрытий с основой;

- разработать ресурсосберегающую малоотходную технологию восстановления внутренних поверхностей скоростным железнением и определить ее технико-экономическую эффективность.

2. ТЕЮРЕТИЧЕСКИЕ ЩДДОСШКИ ПОВЫШШ СКОРОСТИ ЭЛЕКТРО-ЖГКЧВ2К0Г0 ЖЕШНЕНШ

Решающее влияние на скорость нанесения покрытий оказывает катодная плотность тока: С«Б*-Як

I) 1000 Г где V - скорость осаждения покрытий, мм/ч;

С - электрохимический эквивалент, г/А*я;

Рк- катодиая плотность тока, А/даг; катодный выход металла по току, %; р - плотность осаждаемого металла, г/см3 Поскольку С и у1 - величины постоянные, и при желез-нении составляет более 80%, те основной цуть резкого повышения скорости осаждения покрытий - увеличение катодной плотности тока.

Известно, что существенное увеличение плотности тока возможно при перемешивании электролита. Движение электролита вблизи катода, особенно в турбулентном режиме, обеспечивает значительную интенсификацию массообменных процессов. При этом уменьшается за-щелачивание электролита вблизи катода и его поляризация ["£I] . Возникает реальная возможность увеличения катодной плотности тока, а следовательно, и скорости нанесения покрытия. Особенно это важно при восстановлении внутренних поверхностей корцусных и других деталей с относительно небольшой покрываемой поверхностью, загрузка которых в ванне железнения занимает большой объем. В этом случае при стационарных условиях электролиза ванна железнения и источник тока используются малоэффективно.

Вместимость ванны для нанесения гальванических покрытий подбирают, исходя из объемной плотности тока и рабочей силы тока, которая необходима для нанесения покрытий и по которой подобран источник тока: отсюда. (2) где Уь - вместимость ванны для нанесения покрытий, м3; % - рабочая сила тока при нанесении покрытий, А; Бу- объемная плотность тока, А/м3 Количество деталей в загрузке ванны составит: , (4) где N - количество деталей в загрузке, вт;

Вк- катодная плотность тока, А/д»г;

5 к - площадь покрываемой поверхности детали, дм^

Фактическое количество деталей в загрузке ( N9 ) может быть значительно меньше расчетного Ы

Существующие способы перемешивания электролита малоэффективны применительно к железнению внутренних поверхностей деталей. Нами предложено использовать для этого токонепроводящую перфорированную перегородку, которая вводится в межэлектродное пространство и приводится во вращение £2, 3, 4,

Анализ работы электролизера с вращающейся перфорированной токонепроводящей перегородкой (рис. I) показывает, что перегородка действует как турбинка центробежного насоса, электролит в межэлектродном пространстве при этом вращается и под действием центробежных сил прижимается к наружному электроду, обтекает его поверхность в турбулентном режиме и удаляется в основной объем ванны. На его место засасывается свежий электролит из основного объема ванны, который движется вдоль оси вращения перегородки, омывая поверхности электродов. За счет этого обеспечивается интенсивный обмен электролита в межэлектродном пространстве.

15** О"!

Рис. I. Схема работы электролизера

I - анод; 2 - катод-деталь; 3 - перфорированная токонепроводящая перегородка; 4 - электролит.

При железнении из хлористого электролита ограничение катодной плотности тока может быть связано с достижением предельного тока диффузии ионов из-за резкого понижения концентрации разряжающихся ионов в прикатодном слое, а также с повышением рН в црисатодном слое и образованием гидрооксида железа. В этих случаях нарушаются условия электролиза и образуются шероховатые или губчатые осадки железа низкого качества. На основе формулы Нернста катодная плотность тока составляет

Со" Сз к- , ^ср £

23ц - катодная плотность тока, А/м^ 2. - количество ионов, г-экв/моль; р - число Фарадея, Кл/г-экв; Д,- коэффициент диффузии, *Г/с; Со - концентрация в глубине раствора, моль/м3; Сз - приэлектродная концентрация раствора, моль/м3; 3 - толщина диффузионного слоя, м.

Предельный ток диффузии достигается при такой катодной плотности тока, когда Сэ приближается к нулю. При высокой концентрации разряжающихся на катоде ионов железа, имеющихся в выбранном электролите железнения, достижение предельного тока диффузии, на наш взгляд, может быть при очень большой катодной плотности тока, значительно превышающей обычно применяемые рабочие плотности тока. Поэтому мы считаем, что катодная плотность тока при же-лезнении из концентрированного хлористого электролита ограничивается значительным увеличением рН в прикатодном слое и образованием гидрооксида железа.

Общая катодная плотность тока ( Юк. ) складывается из парциальных плотностей тока железа двухвалентного (Б ) и трехвалентного ( Вр/5 ), а также парциальной плотности тока выделяющегося на катоде совместно с железом водорода ( Бн+ )

0н+ (7)

Наилучшие условия для получения качественных железных покрытий обеспечиваются при отсутствии ионов трехвалентного железа. Однако в производственных условиях они всегда содержатся в ванне из-за" окисления двухвалентного-железа кислородом воздуха, диффундирующим в электролит через его свободную поверхность.

Концентрация ионов водорода Н+ в электролите в основном определяется рН электролита и по сравнению с концентрацией ионов железа во много раз меньше. В условиях применения высокой катодной плотности тока ( С к ) также составляет существенное значение. При этом скорость восстановления ионов Н+ на катоде настолько велика, что их убыль из прикатодного слоя не успевает восстанавливаться за счет притока из объема электролита. В результате рН электролита в прикатодном слое, становится значительно больше, чем в общем объеме электролита. Происходит защелачивание прикатодного слоя. Кислотность прикатодного слоя может снизиться до такого значения, при котором начнется образование практически нерастворимого гидрооксида железа, который входит в состав покрытия и ухудшает его свойства или приводит к нарушению всего процесса нанесения покрытий.

С помощью вращающейся токонепроводящей перфорированной перегородки (рис. I) обеспечивается интенсивный подвод "свежего" электролита из объема ванны в межэлектродное пространство и отвод из прикатодной зоны электролита с повышенной концентрацией ОН » а также образовавшегося гидрооксида железа. За счет этого создаются условия для. значительного повышения катодной плотности тока, при которой не происходит аащелачивания прикатодиого слоя и образования гидрооксида железа. Кроме того, на наш взгляд, существенно снижается вероятность включения водорода и гидрооксида железа в железное покрытие из-за наличия высокоскоростных потоков электролита вблизи поверхности катода.

Рис. 2. Принципиальная схема установки железнения внутренних поверхностей деталей I - переключатель рода тока; 2 - переключатель полярности тока; 3 - хвостовик; 4 - перфорированная токонепроводящая перегородка; 5 - катод-деталь; 6 - анод.

3. МЕТОдаА ИССЛЕДОВАНИЙ

На основании предварительных экспериментов по нанесению железных покрытий с введением в пространство между анодом и катодом вращающейся перфорированной токонепроводящей перегородки установлена возможность значительного повышения катодной плотности тока и, как следствие этого, скорости нанесения покрытий [2, 3, 4]

При выполнении исследований применены методики, основанные на существующих теоретических исследованиях, к современное лабораторное оборудование. Для проведения экспериментов была разработана и изготовлена установка для скоростного железнения [2, 4, 9]. Электрическая схема (рис. 2) обеспечивает возможность получения асимметричного переменного и постоянного тока от одного источника питания, переходить от одной формы тока х другой, изменять полярность, плавно регулировать постоянный ток, катодную и анодную составляющие асимметричного переменного тока [4, 9J

Для нанесения покрытий изготовлена ванна вместимостью двадцать литров. Образцы в виде колец устанавливали с помощью клиньев в специальное приспособление, которое помещали в ванну. Перегородка 4 (рис. 2) соединяется с хвостовиком 3 и крепится в шпинделе сверлильного станка модели 2118A. Изменение скорости вращения перегородки осуществляли за счет изменения передаточного отношения ременной передачи.

Для исследований выбрали хлористый электролит состава FeCfc*' - 580.620 г/л и рН » 0,5.0,8. Выбранный электролит позволяет осуществлять в нем анодную обработку и нанесение покрытий.

Содержание соли железа в электролите определяли химическим анализом и контролировали плотность ареометром. Общее содержание железа определяли прямым титрованием раствором бихромата кадия в присутствии дефиниламина в сернокислой среде, а трехвалентного железа - титрованием аскорбиновой кислотой.

Корректировку электролита по соли железа осуществляли добавлением в ванну дистиллированной воды. Кислотность электролита определяли рН-метром рН-121. Кислотность поддерживали добавлением в электролит подкисленной дистиллированной воды.

Образцы для нанесения покрытий изготавливали в виде колец с внутренним диаметром 60 мм и шириной 25 мм (площадь 0,47 дм^). Перед нанесением покрытия образцы обезжиривали венской известью, промывали проточной водопроводной водой и монтировали в приспособление. Анодную обработку и нанесение покрытий проводили з одном электролите железнения. Анодную обработку проводили при

Б а « 50 А/дм^ в течение 60 Затем между анодом и катодом помещали перегородку, приводили ее во вращательное движение и наносили покрытие на асимметричном токе при £)к =20 А/дм^ и .« 1,2 в течении двух минут, увеличивали р до 2 и выдерживали еще одну минуту. После этого переключали на постоянный ток необходимой плотности*

Определение скорости нанесения покрытий и выхода железа по току проводили гравитационным методом и измерением диаметра образца до и после нснесения покрытия индикаторным нутромером. Среднюю толщину покрытия Ьср (мм) определяли по формуле

Ь -19оое (8) где б - масса осажденного железа, г; у - плотность железа, г/см3 ( ^ = 7,8 г/см3); Ы - внутренний диаметр образца до железнения, мм; б - ширина образца, од.

Скорость нанесения покрытий определяли как отношение средней толщины покрытия к продолжительности электролиза.

Выход железа по току (%) определяли по формуле

У) - , (9) где С - электрохимический эквивалент, г/А*ч; С! - сила тока, А; % - время электролиза, ч.

Микротвердость покрытий определяли на твердомере ПМТ-3.

Структуру покрытий изучали на микроскопе Necpfiot 21.

Количественно прочность сцепления определяли методом отрыва штифтов. Отрыв штифтов производили в приспособлении на разрывной машине.

Качественно сцепляемость определяли нанесением сетки царапин на покрытии до основного металла и эксцентричным растачиванием кольца. При этом сцепляемость оценивали визуально с помощью лупы по наличию или отсутствию отслаивания покрытия.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЖПЕРШМТАЛЬМК ИСОЩДОВАНИЙ

Исходя из технологичности изготовления перегородки, ее жесткости и работоспособности и на основании поисковых исследований / в качестве перегородки использовали пластмассовые трубы (фторопласт, полиэтилен, винипласт и да.). Толщина стенки трубы 2.4 мм. В рабочей части трубы выполняется перфорация. Исследовали влияние геометрической формы перфорации на качество получаемых покрытий ( четыре окна 25x25, четыре окна 25x25 с выступами, отверстия в шахматном порядке диаметром от 3 до 10 мм, с отверстиями и спиральной лентой [10] и да.). Существенного влияния на качество покрытия геометрической формы перфорации выявлено не было. Количество отверстий диаметром от 6 до 10 мм должно быть максимально возможным при сохранении прочности перегородки. Диаметр трубы перегородки определяется исходя из диаметра отверстия детали и расстояния, между анодом и катодом. Расстояние между перегородкой и анодом изменяли изменением диаметра анода, а между катодом и перегородкой изменением внутреннего диаметра образца. Покрытия наносили при одинаковых параметрах режима электролиза при температуре электролита Т = 30. .38°С. Эсперименты показали [ 4, 6, 16, 22, 23] , что расстояние между катодом и перегородкой должно быть в пределах 5.12 мм, а между анодом и перегородкой -0,5.5 мм. Увеличение расстоянии более указанных значений требует повьапения напряжения на электродах, что ведет к повдаешому расходу электроэнергии и нагреву электролита. Кроме того, уменьшение площади анода приводит к возрастанию анодной плотности тока и растворения анода, нарушению электролиза. Расстояние между катодом и перегородкой менее 5 мм ухудшает качество покрытия.

Важным параметром при железнении внутренних поверхностей с использованием перфорированной перегородки является скорость ее вращения.

Исследования проводили при плотности тока 13«.» 150 А/д*£. Скорость вращения перегородки изменяли от 0,5 до 5 м/с. Состав, кислотность и температуру электролита поддерживали постоянными.

Исследования доказали, что с увеличением скорости вращения перегородки шероховатость покрытий уменьшается. Выход металла по току при этом практически не изменяется и составляет около 80% (рис. 3). Такой пониженный выход железа то току объясняется удалением перегородкой дендритных образований с острых кромок образца. ,,1 т i Í

•*-al

6500 6ÜOO 5S

1,0 2,0 3,0 5fi Цм/с

Рис. 3. Зависимость "реального" выход» металла по току .и микротвердости покрытий от скорости вращения перегородки.

В связи с тем, что скорость осаждения и микротвердость покрытий в большей степени зависят от установленных режимов электролиза, нами были проведены исследования, направленные на выявление этой зависимости и выбор рациональных режимов [а]

Реальный выход железа по току возрастает с увеличением катодной плотности тока до 200 А/дм*\ а при последующем ее увеличении плавно уменьшается (рис. 4).

Увеличение выхода железа по току при увеличении плотности тока до 200 А/дм^ происходит благодаря повышению перенапряжения водорода. Однако при дальнейшем ее повышении увеличивается и рост дендритов на острых кромках и других дефектах покрытий поверхности.

На всем диапазоне изменения плотности тока скорость осаждения покрытий монотонно возрастает.

1 1 » Jj

25 10 15 i

100 150 200 250 500 Dk,A/<3M

Рис. 4. Влияние катодной плотности тока на выход железа по току и скорость осаждения покрытий рВ . 0,6; V = 1,95 м/с; Т « 35*С

При катодной плотности тока 50 А/дм2 (рН = 0,6) выход железа по току составляет 76,8%, скорость осаждения при этом равна 12 нкм/мин, а при увеличении катодной плотности тока до 200 А/дм2 выход железа по току достигает 84,3%, а скорость осаждения -27 мкм/мин.

На основания вышеизложенного при дальнейших исследованиях в качестве перегородки использовали пластмассовую трубу толщиной 2.4 мм с отверстиями диаметром 3.I0 мм. Расстояния между перегородкой и катодом обеспечивали 5.12 мм, между перегородкой и анодом - 0,5.5 мм. Перегородку приводили во вращение со скорость» I.5 м/с. (ir)

Увеличение катодной плотности тока до 300 А/дм2 не ухудшает качества покрытий.

Одним из важнейших условий электроосаждения железа на катоде является кислотность электролита, характеризуемая значением рН. Проведенные исследования выявили значительное изменение выхода железа во току и скорости его осаждения в зависимости от кислотности электролита. Увеличение водородного показателя рН от 0,2 до 1,5 приводят к повышению выхода железа по току с 78,3 до 87%, а скорость осаждения с 16,5 до 20,7 мкм/мин при плотности тока 150 А/ды2 (рис. 5), вто объясняется уменьшением разряда ионов водорода на катоде.

У ' ■ V м тр мкм мин

О 0,2 0/1 0,6 03 1,0 1,2 1,4 1,5 рЦ

Рис. 5. Влияние кислотности электролита на выход железа по току и скорость осаждения покрытий Dk - 150 А/дм2; V* 1,95 м/с; Т = 35°С

При малых значениях рН покрытия имеют бархатистую поверхность серебристо-белого цвета с синеватым оттенком. При увеличении рН электролита покрытия тешеют, бархатистость их уменьшается.

Практически не влияет на выход железа по току и скорость его осаждения изменение температуры электролита от 18 до 60°С (рис.6).

Известно, что микротвердость электролитических покрытий находится в определенной связи с другими характеристиками физико-механических свойств покрытий - внешним видом, механической прочностью, структурой и внутренними напряжениями. Следовательно она может быть выбрана в качестве основной характеристики при изучении свойств покрытий.

Увеличение скорости вращения перфорированной перегородки (рис.3) от I до 5 м/с приводит к повышению микротвердости покрытий, что объясняется более интенсивным зарождением новых центров кристаллизации и образованием мелкозернистой структуры покрытий.

Изменение температуры электролита в пределах от 18 до 60°С не оказывает существенного влияния на микротвердость покрытий (рис. 7). Это говорит о том, что в практических условиях нет необходимости в термостатировании электролита.

1 5—- i

V, t МК.М мин

30 25 20 i

Рис. б. Влияние температуры электролита на выход железа по току и скорость осаждения покрытий рН = 0,6; 100 А/дм2; V.» 1,95 м/с.

50 Dc 300 Л/бМ

50 60 Х°С Г

О 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 pW 1,

Рис. 7. Зависимости микротвердости покрытий от условий электролиза ( V = 1,95 м/с): I -HV (D*); 2 - HV(pH); 3 -Н/(Т).

Уменьшение кислотности электролита от 0 до 1,4 рН приводит к повышению микротвердости с 5700 до 6500 МПа. Рост микротвердости прекращается при рН » 1,5 , что свидетельствует о достижении ее предельного значения.

Увеличение микротвердости покрытий при повышении рН электролита объясняется защелачиванием прикатодного слоя, включением в них образующегося гидрооксида железа.

Наиболее сильное влияние на микротвердость и микроструктуру покрытий оказывает катодная плотность тока. При увеличении катодной плотности тока от 50 до 300 А/дм*" микротвердость покрытий " увеличивается с 5600 до 6800 МПа, что является характерным для железнения.

Как бы ни были высоки свойства покрытий, их работоспособность решающим образом зависит от прочности сцепления с основным материалом детали. Исследования покрытий на прочность сцепления по указанной выше методике показали, что она составляет не менее 295 МПа. Качественное исследование сцепляемости покрытий показало, что при эксцентричном растачивании отверстий шелушения и отслаивания покрытий не наблюдалось. Большое влияние на сцепляемоеть покрытий оказывает качественная подготовка поверхности детали перед железнением и выход на режим, которые проводились по описанным выше методикам.

Анализ результатов проведенных исследований позволяет предложить для железнения внутренних поверхностей деталей следующие условия: электролит Ре С&г. * ^И-гО - 580.620 г/л; плотность тока Вк * 100.200 А/дм2,' Тэл. = 20.60°С,' рН - 0,5.0,8 ; скорость вращения перегородки V в 1,5.2,5 м/с; расстояние от поверхности катода до перегородки 5. 12 мм, перегородкой и анодом 0,5.5 мм; толщина перегородки 2.3 мм с отверстиями диаметром от 5 до 10 мм, расположенными в шахматном порядке.

5. МАЛООТХОДНАЯ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ВНУТРЕННИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ СКОРОШШ ЖЕЛЕЗНЕНИЕМ И ЕЕ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

На основании проведенных исследований разработана малоотходная, ресурсосберегающая технология железнения внутренних поверхностей деталей-х. техники (таблица).

Таблица

Перечень основных операций при типовой и разработанной технологиях келезнения внутренних поверхностей сталь-нвх деталей п/п Наименование операций Типовая технология Разработанная технология

I. Очистка + +

2. Механическая обработка + - +

3. Очистка органическим растворителем + - +

4. Обезжиривание электрохимическое

5. Обезжиривание венской известью - +

6. Промывка горячей водой +

Промывка холодной водой + +

8. Анодное травление в 30% растворе серсой кислоты +

9. Травление в электролите железнения - +

10. Промывка холодной водой +

II. Промывка теплой водой

12. Железнение в-хлористом электролите +

13. Промывка горячей водой +

14. Промывка кислой водой - +

15. Нейтрализация в растворах щелочей +

16. Нейтрализация основной водой - +

17. Промывка горячей водой +

18. Контроль качества покрытий + +

19. Механическая обработка + - +

20. Консервация + - +

Технология железнения состоит из обезжиривания чистых деталей, травления, железнения и нескольких промежуточных операций промывки деталей.

Существующим способам обезжиривания присущи существенные недостатки. Для приготовления обезжиривающих растворов требуется большая груша химических реактивов, которые после использования могут загрязнять окружающую среду и их необходимо нейтрализовать.

При последующей промывке после обезжиривания происходит загрязнение промывочной воды " обезжиривающими химическими реактивами. Поэтому требуется последующая очистка промывочной вода

Эффективным способом обезжиривания перед железнением является обезжиривание венской известью. Входящие в ее состав оксиды кальция и магния очень мало растворимы в воде, следовательно промывочную воду легко отделить от их смеси цутем фильтрации. Однако эта операция выполняется, как правило, вручную.

Нами разработана установка для механизированного обезжиривания венской известью внутренней поверхности нижней головки шатунов [ 7] . Через минуту после начала обезжиривания с помощью насоса подается вода и осуществляется удаление венской извести и других загрязнений с поверхности ватуна. Общее время обезжиривания и промывки составляет 2.3 минуты. Вода вместе с венской известью и загрязнениями стекает в нижнюю часть камеры, проходит через фильтр. и используется для повторной промывки. Венская известь, которая остается на фильтре, пригодна для повторного использования. После этого детали подвергают травлению.

• Обычно перед железнением проводят анодную обработку деталей в 20% растворе Н^БО^ . Однако это связано с вредными условиями труда. Происходит значительное потребление И^вОч , загрязнение сточных вод при промывке деталей после анодной обработки. Кроме того, имеет место большой расход воды на промывочные операции.

В связи с этим нами предусматривается проведение анодной обработки непосредственно в электролите железнения [4, 5, 7, 8, 9] . После обезжиривания и промывки шатуны устанавливаются на подвеску [и] , которая помещается в ванну с электролитом железнения.

Анодную обработку и нанесение покрытийедует проводить в одном электролитестава: реС£г 1МКг О - 580.620 г/л, рН = 0,5.0,8. Анодную обработку рекомендуем проводить при анодной плотности тока 50.60 А/дм2 в течение 60.120 Температура электролита должна быть в пределах 20.35°С.

После окончания анодной обработки между анодами и наращивав-мши поверхностями шатунов помещают вращающуюся со скоростью 2.4 м/с перфорированную перегородку. В начале электролиз ведут на асимметричном переменном токе при плотности катодной составляющей 20.40 А/дм2 и катодно-анодном показателе (отаошение катодной и анодной составляющих тока) 1,1.1,2 в течение 2 минут, затем увеличивают катодно-анодный показатель до 2.2,5 и наносят покрытия в течение 2.3 минут. После этого переходят на достоянный ток [4, 5, 7, 9, 12J-. Рабочую плотность тока устанавливают равной 100.200 А/дм2. Время нанесения покрытий зависит от их толщины и выбранной плотности тока.

Промывку и нейтрализацию деталей после железнеккя предлагается проводить в воде, разделенной с помощью электрического тока на обогащенную ионами водорода (кислую) и ионами ги дроке ила (щелочную). При промывке детали помещают в кислую воду с рН = 2 на I.2 минуты, которая в дальнейшем идет на пополнение ванны желез-нения. При последующей нейтрализации детали помещают в ванну с щелочной водой с рй = Ю на 10.20 мин. Между ванной нейтрализации и полостью электролизера, где образуется щелочная вода, осуществляется циркуляция ее с промежуточной фильтрацией с целью улавливания гидрооксида железа, образовавшегося из остатков электролита [i,13,14,15,17,18,19,20,21,24,25,2б]

Предлагаемая технология восстановления внутренних поверхностей деталей-х. техникиоростным железнением позволяет упростить типовой технологический процесс (исключается ряд операций) , ввести оборотное водоснабжение, теммымизить потребление чистой воды на 80%,ести к минимуму образование загрязненныхоков, уменьшить потребление энергии, химикатов и потребность в производственных площадях.

Годовой экономический эффект от внедрения разработанной технологии в ценах до 1990 г. составил: на Краснопахорском ремонтно-механическом заводе Московской обл. - 15 тыс .руб.; на Ряжском АРЗ Рязанской обл. - 20 тыс.руб. основные вывода

1. С целью повышения эффективности использования гальванического оборудования и производительности труда при восстановлении внутренних поверхностей корпусных и других деталей необходимо увеличение рабочей плотности тока до 200.250 А/дм2.

2. Теоретически обоснована и экспериментально доказана возможность повышения катодной плотности тока до 300 А/дм2 за счет применения вращающейся токонепроводящей перфорированной перегородки, что позволяет повысить скорость осаждения покрытий до 30 мкм/мин.

3. Электрохимические исследования показали, что при вращении перегородки электролиз проходит при более низком катодном потенциале. При повышении плотности тока до 200 А/дм2 снижение потенциала достигает 25$.

4. Рациональными конструктивными параметрами перегородки являются: толщина стенки - 2.3 мы; диаметр отверстий перфорации -5.10 мм; количество отверстий - максимально допустимое для сохранения прочности; расстояние от катода до перегородки - 5. 12 мм, от анода до перегородки - 0,5.5 мм.

5. Наибольшее влияние на выход железа по току, скорость нанесения покрытий и их свойства оказывает катодная плотность тока. При вращении перегородки ее можно увеличить до 300 А/дм2. Рациональным ее значением является 100.200 А/дм •

6. С целью снижения расхода химических материалов и повышения экологичности процесса предложено: а) механизированное обезжиривание деталей венской известью. Это позволило снизить расход химикатов и чистой воды на 80%; б) безреагентная промывка и нейтрализация деталей после железнения в кислой и щелочной средах, подученных электролизом воды.

7. Для повышения сцепляемости покрытий с основой предложено железнение начинать на асимметричном ступенчато-регулируемом переменном токе при разгонном цикле 4.6 мин, а затем переходить на постоянный ток.

8. Разработана ресурсосберегающая технология восстановления внутренних поверхностей деталей скоростным железнением, позволя-ицая повысить производительность труда в 3.5 раз, снизить расход материалов в 1,5.2 раза.

9. Годовой экономический эффект от внедрения технологии на ремонтных предприятиях составил 35 тыс.руб. в ценах до 1990 года.

ОСНОВНОЕ СОДЕРШШИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДШДИХ РАБОТАХ

1. Батицев А.Н., Юдин В.М., Веселовский Н.И. Экономия материальных ресурсов при восстановлении деталей железнением: Тез.докл. респ.конф. Созд.,внедрение и использ.ресурсо-сберегающих техники и технологии. - Минск, 1983, Ч.П. - С. 34-35.

2. Батицев А.Н., Юдин В.М., Веселовский Н.И. Установка для электролитического железнения изношенных деталей: Проспект на ВДОХ СССР: Выставка "НТТМ-84". - М.: ВСХЙЗО, 1984.

3. Влоий Н.И., Батищев А.Н., Юдин В.М. Железнение внутренних поверхнейользованием вращающе перегородки// Влияние техн.обелуж.и рем-х.техн.на ее долговечнь: Тр. ВСЖИЗО. - M.s 1985. - С. 21-23.

4. Разработка технологии восстановления нижней головни шатуна скоростным железнением: Отчет о НИР (промежуточн. )/ВСЖЮ; Руководитель А.Н.Батищев. - Тема 85-2; # ГР 01850024742; Инв. 02860026240. - Балашиха, 1985.

5. Разработка рекомендаций по организации гальванического участка и их внедрение на Краснопахорском ремонтно-механическом заводе: Отчет о НИР / BGXJßO: Руководитель А.Н.Батищев. - Тема 286; № ГР 0I83005838I; Инв. f 02850034000. - Балашиха, 1985. - 56 •

6. Юдин В.М., Веселовский H.H. Повышение скорости нанесения покрытий при восстановлении и упрочнении деталей: Труды ВСХИЮ, 1986. - С. 75-79.

7. Юдин В.М., Батищев А.Н., Веселовский Н.И., Мокренко Т.В. Восстановление шатуноворостным железнением // Техника в-х. -1986: Ш. - С. 46-47.

8. Батищев А.Н.,"Юдин В.М., Веселовский Н.И. Восстановление нижней головки шатунов ЛВС скоростным железнением // Метод.рекомен^ по изуч.темы "АПК - штенсивн.развитие": ВШЖ руковод.работников и спец. Госагропрома СССР. - Рязань, 1986. - С. 46-47.

9. Разработать высокопроизводительную малоотходную технологию восстановления деталей-х.техники железнением: Отчет о НИР (промежуточн.) / ВСХИЗО; Руководители А.Н.Батищев, В.М.Юдин. -Тема 20.01; № ГР 01860036999; Инв. f 02870019095. - Балашиха, 1986.

10.-A.C. I3I7036, С 25 19/00, 17/12 Устройство для нанесения гальванических покрытий / Юдин В.М., Веселовский Н.И., Мок-ренко Т.В., ВСЖЮ; (СССР). - 1986. - 4 е., ил.

11. A.C. 1341252 С 25 19/00 Устройство для нанесения гальванических покрытий / Юдин В.М., Веселовский Н.И., Мокренко Т.В., Тарасова Т.А., ВСХИЗО; (СССР). - 1986.

12. Юдин В.М., Веселовский Н.И., Батищев А.Н. Скоростное нанесение гальванических покрытий при восстановлении и упрочнении внутренних поверхностей деталей машин // Вес-шик машиностроения. -1986: «В. - С. 67-69.

13. Батищев А.Н., Юдин В.М., Веселовский Н.И., Мокренко Т.В. Малоотходная технология скоростного железнения внутренних поверхностей шатунов: Тез.докл.на научно-техн.семинаре. Ресурсосберегающая технолог.гальванопокр. - Кишинев, 1986. - С. 6-7.

14. Разработка технологии восстановления нижней головки шатуна скоростным железнением: Отчет о НИР (заключительный) /ВСХИЗО; Руководитель А.Н.Батищев. - Тема 85-2; № ГР 01850024742; йнв. 02870033716. - Балашиха, 1986.

15. Перспективы восстановлений изношенных деталей гальванопокрытиями / Батищев А.Н., Юдин В.М., Веселовский Н.И. и др.: Тез.докл.на всесоюз.научно-практ.конф.по восстановл.дет.маш. 2-5 декабря 1987. - Рига, 1987. - G. 33-34.

16. Разработать высокопроизводительную малоотходную технологию восстановления деталей-х. техники железнением: Отчет о НИР (промежуточн.) / ВСХИЗО; Руководитель А.Н.Батищев. - Тема 20.01; * ГР 01860036999; Инв. № 02880007530. - Балашиха, 1987.-14с.

17. Батищев А.Н., Веселовский Н.И., Сушко СЛ., Чавнкин Ю.И. Малоотходная технология восстановления деталей скоростным железнением: Тез.докл.на научно-техн.конф.стран-чл.СЭВ "Ремдеталь-88" (17-21 октября 1988 г., г.Пятигорск). - М., 1988, Ч.П. - С Л04-105.

18. Разработатг высокопроизводительную малоотходную технологию восстановления деталей е.-х. техники железнением: Отчет о НИР (промежуточный) / ВСХИЗО; Руководитель А.Н.Батищев. - Тема 20.1; № ГР 01860036999; йнв. $ 02890048156. - Балашиха, 1988.

19. Установка для скоростного железнения шатунов. Разработ- . < чик ВСХИЗО // Оборудование советского раздела выставки "Ремдеталь-88": Каталог, Госагропром СССР. - М., 1988. - С. 53.

20. Разработать высокопроизводительную малоотходную технологию восстановления деталей-х. техники железнением: Отчет о НИР (промежуточный) / ВСХИЗО; Руководитель А.Н.Батищев. - Тема 20.1; № ГР 01860036999; Инв. 3 02900027335. - Балашиха, 1989.

21. Юдин В.М., Веселовский Н.И., Мокренко Т.В. Влияние условий электролиза при железнении на потенциал катода // Эксплуатация и ремонт-х. техники: Межвуз.сб.научн.тр. - М., 1990.

С. 90-94.

22. Исследование технологий восстановления деталей железнением, наплавкой и их последующей обработки: Отчет о НИР (промежу-точн.) / ВСХИЗО; Руководитель А.Н.Батищев. - Тема 18.1; ГР 01910048117. - Балашиха, 1992.

23. Разработка рекомендаций повершенствованию технологии и организации восстановления деталей (скоростным железнением, плазменной наплавкой и их последующей обработки): Отчет о НИР (заключительный) / ВСХИЗО; Руководитель А.Н.Батищев. - Тема 20.1; № ГР 01910048117. - Балашиха, 1993.

24. Совершенствовать технологию и организацию восстановления изношенных деталей машин и оборудования АПК: Отчет о НИР (заключительный) / ВСХИЗО; Руководитель А.Н.Батищев. - Тема 20; Балашиха, 1995.

25. Разработка ресурсосберегающей технологии восстановления деталейоростным железнением: Отчет о НИР (промежуточный) / ВСХИЗО; Руководитель А.Н.Батищев. - Тема 18.1; № ГР 01910048117. -Балашиха, 1996. - 41

26. Еатищев А.Н., Юдин В.М., Веселовский Н.И. Направление развития ресурсосберегающих технологий при ремонте и ТО техники в современных условиях: Тезисы науч.-практ.конф. Инженерное обеспеч.агроцром.комплекса (25-27 марта 1998 г.),. - Орел, 1998. -С. 105-108.

Тираж 100 зкз•

Российский государственный аграрный заочный университет