Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. ВОССТАНОВЛЕНИЕ ИЗНОШЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ ЖЕЛЕЗНЕНИЕМ. ПРИМЕНЕНИЕ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЛЯ УПРОЧНЕНИЯ ЖЕЛЕЗНЫХ ПОКРЫТИЙ 9
1.1. Технология восстановления деталей машин гальваническим железом 9
1.2. Перспективы использования нитроцементации для повышения эксплуатационных свойств железных покрытий 19
1.3 Перспективы использования нитроцементации для повышения эксплуатационных свойств железных покрытий 25
1.4. Выводы. Направление исследования 39
ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 44
2.1. Оборудование и технология получения железных осадков из хлористых электролитов на переменном токе 44
2.2. Нитроцементация электролитических покрытий 50
2.3. Методика определения состава, структуры и свойств нитроцементованных слоев 55
2.4. Математическое планирование эксперимента и обработка экспериментальных данных 69
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРООСАЖДЕНИЯ ЖЕЛЕЗА ИЗ ХЛОРИСТЫХ ЭЛЕКТРОЛИТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АСИММЕТРИЧНОГО ТОКА 74
3.1. Влияние режимов электролиза на скорость осаждения и качество железных покрытий 74
3.2. Микроструктура железных покрытий и прочность сцепления с основным металлом 84
3.3 Исследование свойств железных электролитических покрытий 94
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НИТРОЦЕМЕНТАЦИИ НА СТРУКТУРУ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ЖЕЛЕЗНЫХ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ 105
4.1 Пастообразный карбюризатор для нитроцементации электроосаж-денного железа 105
4.2 Влияние режимов нитроцементации на глубину, структуру и фазовый состав диффузионных слоев на железных гальванических осадках 114
4.3 Физико-механические свойства нитроцементованных электролитических железных покрытий 123
4.4 Влияние нитроцементации на износостойкость и усталостную прочность деталей, восстановленных электролитическим железнением 131
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 144
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 146
ПРИЛОЖЕНИЯ 160
- Технология восстановления деталей машин гальваническим железом
- Оборудование и технология получения железных осадков из хлористых электролитов на переменном токе
- Влияние режимов электролиза на скорость осаждения и качество железных покрытий
Введение к работе
Актуальность темы. Многие детали автомобилей, тракторов и сельскохозяйственных машин после их износа могут быть восстановлены и использованы снова в качестве запасных частей. Это значительно дешевле, чем использовать в качестве запасных частей новые детали.
Одним из распространенных и перспективных методов восстановления изношенных деталей является электролитическое осаждение металла на изношенные поверхности. Электролитическое железнение позволяет восстанавливать детали различных размеров, и форм, компенсировать износы величиной до 3-х мм. Процесс электроосаждения протекает весьма быстро, его реализация не требует дорогих и дефицитных материалов, он может быть легко реализован как в условиях ремонтных производств, так и в условиях машиностроительных предприятий.
Несмотря, на положительные стороны железнение имеет существенные недостатки, препятствующие его более широкому распространению. Эти недостатки связаны с невысокими эксплуатационными свойствами железных электролитических покрытий, такими как износостойкость и усталостная прочность. Кроме того, электролитическое покрытие недостаточно прочно связано с подложкой (основным материалом детали) и при высоких нагрузках, связанных с деформацией детали, оно может отслаиваться.
Коренным способом улучшить эксплуатационные свойства деталей, восстановленных электролитическим железнением, можно, подвергнув восстановленную деталь химико-термической обработке, в частности нитроцементации. При этом, как можно ожидать, улучшиться сцепление покрытия с основой за счет активной диффузии атомов железа через границу раздела (покрытие составит одно целое с основой). Насыщение чистого электролитического железа углеродом и азотом сделает возможным закалку покрытия со всеми положительными последствиями: увеличением твердости и износостойкости, созданием на поверхности сжимающих напряжений и повышением усталостной прочности.
Нитроцементация хорошо освоена промышленностью и её внедрение в ремонтное производство не вызовет затруднений, а некоторое удорожание процесса восстановления деталей, связанное с введением дополнительных операций упрочняющей обработки, многократно окупится повышением их ресурса.
Работа в этом направлении является актуальной и позволит внести заметный вклад в решение важной народнохозяйственной задачи – повышение надёжности техники.
Работа выполнена в соответствии с планом НИР ФГОУ ВПО Курская государственная сельскохозяйственная академия имени профессора И.И. Иванова.
Цель работы. На основе всесторонних экспериментальных и теоретических исследований процессов электролитического осаждения железа и упрочнения железных осадков нитроцементацией разработать технологию восстановления изношенных деталей, с последующим поверхностным упрочнением, которая обеспечивала бы их эксплуатационные свойства на уровне или выше, чем у новых деталей.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Провести анализ методов получения гальванических железных осадков и методов поверхностного упрочнения материалов на основе железа и наметить для исследования наиболее производительные, экономичные и удобные в ремонтном производстве.
2. Изучить особенности получения гальванических железных осадков на асимметричном переменном токе и определить режимы электролиза, обеспечивающие максимальную скорость осаждения с заданным качеством.
3. Выявить закономерности влияния структуры и физико-механических свойств электролитических покрытий на их основные эксплуатационные характеристики - износостойкость и усталостную прочность.
4. На основе анализа процессов, происходящих в насыщающих средах и в диффузионных слоях сталей при нитроцементации разработать и исследовать карбюризатор для поверхностного упрочнения железных осадков, удобный для ремонтного производства.
5. Исследовать физико-механические и эксплуатационные свойства нитроцементованных железных покрытий и определить режимы упрочнения, обеспечивающие наивысшую износостойкость и усталостную прочность.
6. Провести сравнительные испытания свойств гальванических железных покрытий до, и после упрочнения нитроцементацией для определения эффективности упрочнения и провести проверку разработанного метода восстановления изношенных деталей в производственных условиях.
Научная новизна. 1. На базе экспериментальных и теоретических исследований расширены фундаментальные представления о механизме структурообразования железных осадков при ведении электролиза с использованием асимметричного переменного тока.
2. Получены новые результаты о закономерностях формирования структуры диффузионных слоёв при совместном насыщении электролитического железа азотом и углеродом, а так же фазовый состав карбонитридных слоёв и скорость насыщения в зависимости от состава карбюризатора и режима обработки.
3. Исследована взаимосвязь между структурой и свойствами электролитических железных осадков и разработаны основные принципы управления структурными факторами нитроцементованных слоёв, определяющими их твёрдость, износостойкость и усталостную прочность.
4. Научно обоснован технологический процесс восстановления изношенных деталей электролитическим железнением с последующей нитроцементацией, обеспечивающий их высокие эксплуатационные характеристики: износостойкость, усталостную прочность.
Методы исследований. Для определения состава, структуры и свойств электролитических железных покрытий использовали следующие виды анализов: химический, микроструктурный фазовый рентгеноструктурный, а так же измерение твёрдости, микротвёрдости и определение механических свойств при растяжении. В нитроцементованных образцах определяли распределение азота и углерода атомно-эмиссионным методом. Износостойкость определяли при трении скольжения и трении качения с проскальзыванием, усталостные характеристики определяли неразрушающим магнитным вихретоковым методом.
Достоверность результатов исследований, основных положений и выводов диссертации определяется корректностью постановки задач, обоснованностью использования теоретических представлений, комплексными взаимодополняющими современными методами исследований. Достоверность результатов работы подтверждается также согласованностью полученных результатов с результатами других исследователей, работающих в данной области, и проверкой разработанных рекомендаций в производственных условиях.
Практическая ценность. Предложен способ получения железных осадков из холодного хлористого электролита на асимметричном токе, обеспечивающий высокую скорость осаждения и хорошее качество покрытия.
Разработан высокоактивный карбюризатор для нитроцементации железных покрытий и определены режимы обработки, значительно повышающие твёрдость, износостойкость и усталостную прочность электролитического железа.
Разработана технология восстановления изношенных деталей электролитическим железнением с последующей нитроцементацией, отличающаяся высокой эффективностью, экономичностью и простотой. Разработанная технология не требует использования дорогих и дефицитных материалов и оборудования и отвечает требованиям экологической безопасности.
Апробация работы. Основные положения диссертации и её отдельные результаты были доложены на научных конференциях и получили положительные оценки: Всероссийская научно-практическая конференция « Проблемы развития сельского центрального Черноземья »(21-25 марта 2005г., г. Курск). - Курск «Курская государственная сельскохозяйственная академия имени профессора И.И. Иванова»; всероссийская научно-практическая конференция «Проблемы развития аграрного сектора региона» (13-15 марта 2005г., г. Курск). - Курск «Курская государственная сельскохозяйственная академия имени профессора И.И. Иванова»; Российская научно-техническая конференция «Материалы и упрочняющие технологии - 2005»(23-25ноября 2005г., г Курск). - Курский государственный технический университет; Международная научно-техническая конференция «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации(19-21 мая 2005г., г Курск).- Курский государственный технический университет; юбилейная научная конференция «Совершенствование технологии восстановления деталей и ремонта машин в АПК» (5-6 июня2006г., г. Курск). - Курск «Курская государственная сельскохозяйственная академия имени профессора И.И. Иванова».
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ из них 2 в изданиях рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 127 страницах машинописного текста, содержит 23 рисунка, 25 графиков и 9 таблиц.
Технология восстановления деталей машин гальваническим железом
Электролитические (гальванические) покрытия широко применяются при восстановлении деталей, выбраковываемых при сравнительно малых износах. При гальванических процессах не происходит значительного нагрева деталей, структурных изменений и свойств самого металла деталей. Припуски на механическую обработку при гальванических покрытиях очень малы по сравнению с наплавкой, твёрдость покрытий зависит от режима и металла покрытий: она может быть очень мала (50-70 HV для цинковых) и очень велика (1200 HV для хромовых).
В ремонтном производстве из всех гальванических процессов наиболее широко распространено электролитическое железнение, так как этот процесс отличается высокой экономичностью (большим выходом по току) и возможностью получать покрытия с различными свойствами путем простого изменения режимов электролиза. [1,2]
Впервые осадки гальванического железа были получены из холодного сернокислого электролита еще в позапрошлом веке русским академиком Э.Х. Ленцем. Сернокислые электролиты используются до настоящего времени, однако в последнее время они все больше вытесняются хлоридными электролитами.
Основным недостатком сернокислых электролитов, ограничивающим их широкое распространение, является низкая производительность процесса (-0,05 мм/ч), так как рабочая плотность тока при их использовании
ограничена. Большую производительность (0,4...0,5 мм/ч) имеет электроосаждение железа из горячих хлоридных электролитов. Хлоридные электролиты позволяют получать осадки большой толщины, до 2 мм, с высоким качеством поверхности.
Пионером в области применения хлоридных электролитов можно считать М.П. Мелкова. В его работах [3, 4, 5, 6] подробно изложены результаты всесторонних исследований процесса осаждения железа и свойств осадков, получаемых из горячих электролитов. Эти осадки имеют мелкозернистую структуру и высокие механические свойства, причем свойства электроосажденного железа могут изменяться в широких пределах за счет изменения режимов электролиза (температуры и плотности тока).
Основу электролитов, предложенных и исследованных МЛ. Мелковым, составляли хлорид железа и соляная кислота. Наиболее пригодным для условий производства является малоконцентрированный электролит, содержащий 200...250 г/л хлорида железа и 1,0...1,5 г/л соляной кислоты, который обеспечивает получение плотных, гладких покрытий наиболее высокой твердости (4500...6500 МПа) толщиной до 1,5 мм.
Однако высокая температура процесса электроосаждения (80...90С), близкая к температуре кипения раствора, способствует его легкой окисляемости и повышенной агрессивности. Сильное испарение токсичных компонентов хлоридных растворов при высокой температуре опасно с экологической точки зрения и требует устройства мощной вентиляции гальванических участков.
Понизить рабочую температуру процесса пытались введением в хлоридный электролит органических добавок, таких как аскорбиновая кислота, янтарная кислота, трилон «Б» и др. [7, 8, 9]. Введение этих добавок позволяет несколько понизить рабочую температуру процесса электроосаждения, однако получить качественные осадки (плотные, вязкие и достаточно твердые) при комнатной температуре, как из сернокислых электролитов, с помощью предлагаемых мер не удалось.
Известно [10, 11, 12], что использование для электролиза токов сложной формы ведет к повышению производительности процесса электроосаждения и к повышению качества покрытия. Это связано с особенностями электрохимических процессов в прикатодном пространстве электролизной ванны.
При осаждении металла, в частности железа, на постоянном токе повышение плотности катодного тока выше некоторого оптимального значения приводит к уменьшению количества катионов железа за счет их интенсивного разряда на катоде. При этом подвод новых катионов железа из раствора из-за рассеяния тока в электролите не восполняет их убыли из-за усиленного разряда. Чем больше плотность катодного тока, тем быстрее разряжаются катионы и тем меньше их остается в прилегающем к поверхности катода слое электролита.
Если на непродолжительное время прекратить катодное осаждение и заменить его анодным растворением (поменять полярность тока в электролизной ванне), приэлектродный слой электролита обогатится катионами металла. Очевидно, что при этих условиях электролиза катодная плотность тока может быть выбрана значительно более высокой, чем при стационарном ведении процесса на постоянном токе.
Из различных токов сложной формы для получения гальванических осадков наиболее приемлемым является асимметричный переменный ток промышленной частоты, для получения которого требуется простое электротехническое оборудование. Авторами работ установлено, что применение асимметричного тока дает возможность получать качественные покрытия из сплавов на основе железа с достаточной прочностью сцепления с основным металлом из холодных хлоридных электролитов, при этом скорость осаждения остается такой же высокой, как и в горячих электролитах [13, 14, 15].
Оборудование и технология получения железных осадков из хлористых электролитов на переменном токе
Электроосаждение железных покрытий в работе производилось с использованием асимметричного переменного тока. Для получения такого тока использовалась установка с двумя встречно включенными вентилями, схема которой представлена на рисунке 2.1.Количество металла, осаждающегося на поверхности катода, т.е. в конечном счете, скорость осаждения железа, пропорционально среднему за катодный полупериод значению тока.максимальное значение катодного тока за полупериод. При синусоидальном переменном токе количество металла, осаждаемое на катоде, очевидно, может быть подсчитано по формулеКоличество металла, которое растворяется с покрытия во время анодных полупериодов, пропорционально, среднему значению тока анодного полупериода. Это значение может быть подсчитано аналогично- максимальное значение тока анодного полупериода.
Если 1к 1а, то металла на катоде осаждается больше, чем растворяется, и толщина покрытия на катоде увеличивается. Скорость наращивания покрытия будет пропорциональна разнице средних значений катодного и анодного токов. Эта величина является важной характеристикой асимметричного тока , поскольку показывает какая часть тока, подводимого к электролизной ванне, участвует в осаждении металла ( т.н. эффективный ток). Величина этого тока характеризуется специальным параметром — показателем асимметрии ((3).
При коэффициенте асимметрии р = 1 катодный и анодный токи одинаковы, между электродами в ванне проходит симметричныйпеременный ток, и осаждение металла на катоде не происходит. При р 1 ток становится асимметричным и при высоких значениях (3 приближается к постоянному.
Правильный выбор величины коэффициента асимметрии (3, т.е. выбор соотношения количества электричества катодного и анодного полупериодов, позволяет увеличить скорость осаждения (за счёт использования более высоких плотностей катодного тока по сравнению со стационарным режимом) и значительно повысить качество покрытия. Последнее объясняется тем, что при анодном полупериоде идет предпочтительное растворение микровыступов на поверхности катода, где в основном концентрируются внутренние напряжения и дефекты. Покрытие получается плотным, гладким, а иногда блестящим.
Для проведения экспериментальных исследований, были спроектированы и изготовлены две экспериментальные установки на основе представленной выше электрической схемы получения асимметричного тока. Общий вид установки представлен на рисунке 2.2.
Для получения железных осадков использовали хлоридный электролит, представляющий водный раствор хлористого железа FeCb - 400...600 г/л, поваренной соли NaCl - 10...20 г/л, и соляной кислоты НС1 - 1 г/л.
Технология получения электролитических железных осадков, использованная в работе, представлена в таблице 2.1.
Влияние режимов электролиза на скорость осаждения и качество железных покрытий
При восстановлении изношенных деталей комплексным способом, т.е. когда компенсация изношенного металла осуществляется за счет осаждения гальванического железа, а эксплуатационные свойства восстанавливаются за счет химико-термической обработки, задача операции электроосаждения состоит в том, что бы получить покрытие заданной толщины за возможно более короткое время. При этом железное покрытие должно быть по возможности более качественным, не иметь на поверхности трещин и других дефектов, должно быть достаточно плотным и иметь хорошее сцепление с металлом восстанавливаемой детали.
Повышение производительности железнения, как известно [Курчаткин], можно достичь, прежде всего, за счет увеличения скорости осаждения покрытия. Эта скорость может быть оценена с помощью выражения где С - электрохимический эквивалент железа; Dk- плотность катодного тока; у - плотность железа.
Поскольку величины Сиу для каждого металла, в том числе и для железа, постоянные, то скорость осаждения можно повысить увеличением либо выхода по току цк, либо плотности катодного тока Dk (либо одновременно r)KHDk).
Для процесса железнения повышение скорости осаждения покрытий за счет повышения выхода по току неактуально, так как этот показатель для существующих электролитов и так составляет достаточно большую величину - 85% и более. Поэтому за счет увеличения выхода по току существенно повысить скорость осаждения железных покрытий нельзя. Для повышения производительности процесса железнения остается один путь увеличение плотности катодного тока.
В этом контексте, использование токов сложной формы для электролиза даёт значительные преимущества перед постоянным током [10, 11, 12]. При осаждении железа на постоянном токе, повышение плотности катодного тока ограничивается тем, что в прикатодном слое электролита уменьшается количество катионов железа за счет их интенсивного разряда на катоде. Подвод же новых катионов из раствора затруднен из-за рассеяния тока в электролите и не восполняет их убыли в прикатодной зоне.
При использовании периодических токов, в частности асимметричного, появляется возможность значительно увеличить катодную плотность тока и, как следствие, повысить производительность процесса железнения, а, кроме того, улучшить свойства покрытий по сравнению со стационарным процессом.
Сущность этого явления заключается в том, что ток, изменяясь по определённому закону, периодически меняет своё направление, деталь попеременно становится то катодом, то анодом. При этом осаждение металла на деталь периодически прекращается и заменяется его кратковременным частичным растворением. Прикатодный слой электролита обогащается катионами металла, а пассивные плёнки и дефекты структуры на поверхности катода, образовавшиеся при интенсивном разряде катионов железа и водорода, разрушаются.
Таким образом, использование асимметричного тока позволяет в несколько раз повысить производительность процесса и улучшить качество покрытий. Режим электролиза при использовании асимметричного тока, как известно, характеризуется не одним, как при постоянном токе, а двумя электрическими параметрами: катодной плотностью тока Dk (А/дм2) и катодно-анодным показателем или коэффициентом асимметрии р\
Для исследования влияния плотности катодного тока и коэффициента асимметрии на скорость осаждения гальванического железа использовали электролит, содержащий водный раствор хлористого железа FeC\r4H20-400г/л с добавлением соляной и серной кислот по 2 г/л. Технология железнения была приведена выше (см. главу 2)
