Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор методов восстановления изношенных деталей. постановка целей и задач исследования 12
1.1. Характеристика проблемы восстановления крупногабаритных деталей 12
1.2. Обзор технологий восстановления изношенных деталей 14
1.3. Характеристики оборудования, применяемого для гальванического восстановления крупногабаритных деталей 20
1.4. Анализ исследований в области гальванического восстановления деталей 32
1.5. Постановка целей и задач исследования 36
2. Методика теоретических и экспериментальных исследований 39
2.1. Методика теоретических исследований. 39
2.2. Методика планирования эксперимента и обработки экспериментальных данных . 40
2.3. Методика экспериментальных исследований 45
2.4. Разработка, технические характеристики и изготовление экспериментальной установки, инструментов и технологических сред 47
2.5. Описание экспериментальных образцов, макетов деталей 53
2.6. Методика экспериментальных исследований производительности процесса восстановления поверхностного слоя 54
2.7. Методика экспериментальных исследований технологических параметров качества восстановленного поверхностного слоя 56
2.8. Методика экспериментальных исследований эксплуатационных параметров качества восстановленного поверхностного слоя 59
2.9 Методика экспериментальных исследований химического состава восстановленного слоя 62
3. Теоретические исследования физико-химических процессов осталивания при механическом воздействии 63
Исследования механизма электролитического осаждения железа в стационарном режиме 63
Проблемы, возникающие при осталивании, и пути их решения 76
Разработка модели процесса гальваномеханического осталивания 85
Влияние кинематических параметров механического воздействия и геометрии инструмента на процесс формирования восстанавливаемого слоя при гальваномеханическом осталивании
Выводы 97
4. Влияние режимов гальваномеханического осталивания на производительность процесса и параметры восстановленного слоя 99
Производительность процесса восстановления 99
Толщина восстановленного слоя 102
Шероховатость восстановленного слоя 103
Твердость восстановленного слоя 106
Остаточные напряжения в восстановленном слое 108
Износостойкость восстановленного слоя 111
Прочность сцепления восстановленного слоя с основой 114
Химический состав восстановленного слоя 116
Выбор рациональных режимов гальваномеханического осталивания 117
Выводы 119
5 Разработка технологии и установки для восстановления крупногабаритных деталей гальваномеханическим осталиванием 120
5.1. Классификация типовых деталей, подверженных эксплуатационному износу цилиндрических поверхностей 120
5.2. Разработка маршрутной технологии ' 125
5.3. Разработка операционной технологии 127
5.4. Разработка параметров и конструктивной схемы портативной установки для восстановления коренных опор блока дизеля Д100 133
5.5. Разработка конструкции портативной установки УГМЖ-242 137
5.6. Разработка конструкции выглаживающего инструмента 141
5.7. Техническая характеристика портативной установки УГМЖ-242 142
5.8. Установка экспериментальная УВС-220Э для гальваномеханического восстановления шеек коленчатого вала 144 Выводы 148
Основные результаты и выводы 149
Список литературы 151
Приложения 163
- Обзор технологий восстановления изношенных деталей
- Методика планирования эксперимента и обработки экспериментальных данных
- Проблемы, возникающие при осталивании, и пути их решения
- Толщина восстановленного слоя
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время увеличилось количество мощных машин и оборудования (дизелей тепловозных и судовых транспортных средств, прокатных станов и др.), частично отработавших ресурс и нуждающихся в капитальном ремонте. Габаритные размеры таких деталей достигают 3...5 м и более, а диаметры эксплуатируемых цилиндрических поверхностей — 120...300 мм. Высокая стоимость новых крупногабаритных деталей при нехватке средств не позволяет проводить частую их замену на новые. При этом 20...30 % из них имеют неустранимые дефекты, а остальные 70...80 % имеют износ 0,5...0,7 мм и более при сохранении остаточного ресурса по усталостной прочности. Поэтому толщина восстановленного слоя с учетом припусков на механическую обработку должна быть не менее 1,5...2,0 мм.
Указанную толщину восстанавливаемого слоя обеспечивают способы восстановления с активным термическим воздействием (вибродуговая наплавка, детонационное и газотермическое напыление), однако их применение недопустимо, т.к. ведет к короблению деталей. Поэтому при использовании технологий восстановления с толщиной слоя 1,5...2,0 мм без термического воздействия, вызывающего коробление, можно будет восстанавливать до 60...70 % крупногабаритных деталей, не имеющих разрушений. В связи с этим разработка технологии толстослойного восстановления крупногабаритных деталей машин актуальна.
Наиболее рациональными представляются способы нанесения гальванических металлопокрытий при температурах 20...80 С, когда коробления не происходит. Восстановленный слой должен иметь высокую твердость и износостойкость. Из гальванических методов этому удовлетворяют хромирование и осталивание (железнение). Хромирование дает качественные осадки только при небольших толщинах до 0,15...0,3 мм, а дальнейшее увеличение толщины ведет к растрескиванию.
Осталивание представляется одним из выгодных способов восстановления вследствие возможности широкого применения, дешевизны и простоты электролита, изученности процесса осаждения железа, удовлетворительных эксплуатационных свойств покрытия. Имеется ряд недостатков осталивания: возникают окисные пленки и газообразный водород, экранирующие поверхность осаждения, замедляющие процесс наращивания покрытия по времени и снижающие его толщину (до 0,7...1,1 мм); получаемые осадки сильно наводо-рожены (концентрация водорода достигает 0,1 % при регламентированной норме не более 0,024 %) и имеют значительные растягивающие остаточные напряжения (200...700 МПа и более). Восстановленный слой имеет значительную шероховатость (Rz 300...800 мкм и более) и волнистость, что существенно увеличивает припуски на механическую обработку (до 0,5...1,2 мм и более).
Для интенсификации процесса осталивания и улучшения качества покрытий используют асимметричный ток, который позволяет частично разрушать оксидные и гидроксидные пленки и снижать растягивающие остаточные напряжения. Однако наводороживание при этом не снижается, а неровность поверхности остается высокой.
В настоящей работе при осталивании предлагается использовать механическое воздействие на восстанавливаемые слои покрытия для удаления окислов и водорода, что позволит существенно улучшить условия осаждения, повысить возможную толщину покрытия до 2...3 мм и более и снизить шероховатость и растягивающие остаточные напряжения в нем (до 0...15 МПа) с возможным переходом в сжимающие.
В настоящее время процесс гальваномеханического осталивания является малоизученным, выполнено небольшое количество исследований на эту тему, мало публикаций и практических рекомендаций по режимам и характеру протекания процесса, необходимо проведение теоретических и экспериментальных исследований этого вопроса, поэтому настоящая работа является актуальной.
Работа выполнена в соответствии с планом ГБ НИР 2004.15 №0120.0; 412912 «Исследование процессов и средств технологического оснащения про-
7 грессивных технологий» и основным научным направлением ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» «Наукоемкие технологии в машиностроении, авиастроении и ракетно-космической технике».
Цель работы: разработать технологию и установку для толстослойного восстановления изношенных крупногабаритных деталей гальваномеханическим осталиванием на основе исследований механизма формирования восстанавливаемого слоя в условиях механического воздействия.
Основные задачи исследования:
Теоретически исследовать механизм электролитического осаждения железа в условиях механического воздействия.
Экспериментально исследовать влияние режимов гальваномеханического осталивания, в частности катодной плотности тока, давления инструмента на восстанавливаемую поверхность, частоты возвратно-поступательных перемещений инструмента, на производительность процесса (выход по току железа, скорость осаждения) и параметры поверхностного слоя (толщину, шероховатость, твердость, остаточные напряжения, сцепление с основой, износостойкость).
Выявить закономерности и описать их уравнениями, адекватно отображающими характер влияния режимов гальваномеханического осталивания на производительность процесса и параметры поверхностного слоя для проектирования технологии процесса.
Разработать технологию гальваномеханического осталивания.
- Разработать установку для гальваномеханического осталивания.
Объект исследования - технологии и оборудование для толстослойного
восстановления крупногабаритных деталей гальваномеханическим осталиванием.
Предмет исследования - закономерности влияния режимных параметров гальваномеханического осталивания на производительность процесса и параметры восстановленного слоя.
Научная новизна работы
1. При осталивании применено механическое воздействие твердым инст
рументом на восстанавливаемую поверхность, при этом выявлены закономер
ности влияния режимных параметров гальваномеханического осталивания на
производительность процесса и параметры восстановленного слоя, которые со
стоят в следующем:
при повышении плотности тока выход по току железа, шероховатость, твердость и растягивающие остаточные напряжения восстановленного слоя возрастают; интенсивность износа восстановленного слоя снижается до минимума, а затем возрастает;
при увеличении давления инструмента на восстанавливаемую поверхность выход по току железа снижается; шероховатость и твердость восстановленного слоя возрастают; интенсивность износа снижается до минимума, а затем вновь возрастает; растягивающие остаточные напряжения снижаются до минимума, переходя в сжимающие, а затем возрастают;
с увеличением частоты возвратно-поступательных перемещений инструмента относительно восстанавливаемой поверхности выход по току железа возрастает до максимума, а затем снижается; шероховатость и растягивающие остаточные напряжения снижаются; твердость восстановленного слоя возрастает; интенсивность износа снижается до минимума, а затем возрастает.
Определены соотношения параметров перемещения инструмента относительно восстанавливаемой детали, позволяющие следам инструмента наиболее полно и равномерно покрывать обрабатываемую поверхность, отличающиеся тем, что инструменту за каждый полный оборот вращательного движения относительно детали сообщают при постоянной амплитуде дополнительное перемещение вдоль обрабатываемой поверхности детали путем продольного смещения его в положение, отличное от начального.
Разработан способ электрохимической активации, состоящий в том что, воздействие переменным током на восстанавливаемую поверхность детали осуществляется в ванне осталивания непосредственно перед началом осажде-
9 ния, что обеспечивает прочность сцепления восстановленного слоя с основой (до 200...250 МПа).
Положения, выносимые на защиту
Электроактивация ювенильной поверхности осаждения переменным током без механического воздействия перед началом осаждения обеспечивает надежную сцепляемость восстановленного слоя с основой.
Производительность процесса осталивания и качество восстановленного слоя повышается за счет периодического механического воздействия твердым инструментом на растущие слои осадка с давлением и частотой, позволяющими при незначительном сокращении количества зарождающихся центров кристаллизации и скорости роста кристаллов железа удалять с поверхности восстановления пассивирующие окисные пленки и пузырьки газообразного водорода и снижать растягивающие напряжения.
Методы исследований. Использовались теоретические основы технологии машиностроения, упрочняющей обработки и электролитического осаждения железа, математическое планирование многофакторного эксперимента методом комбинационного латинского квадрата, оценка адекватности полученных математеических моделей по критерию Фишера, экспериментальные исследования толщины, твердости методом Виккерса, остаточных напряжений методом Давиденкова, испытания на прочность сцепления с основой методом Ол-ларда-Мелкова, испытания на износостойкость, микроскопический и химический анализы.
Достоверность результатов и выводов работы обусловлена корректным обоснованием поставленных задач, использованием апробированных и общепризнанных методик исследования, согласованностью теоретических выводов с результатами экспериментальных исследований, использованием ЭВМ для математического планирования и обработки экспериментальных данных, согласованностью полученных результатов с результатами других исследователей, работающих в данной области, и проверкой разработанных рекомендаций в производственных условиях.
10 Практическая значимость работы
Определены эффективные режимы гальваномеханического осталивания деталей из среднеуглеродистых сталей, позволяющие получать с высокой производительностью (0,2...0,3 мм/ч) толстослойные (2...3 мм и более) качествен-ные покрытия, а именно: катодная плотность тока ік=2000...3000 А/м , давление инструмента на восстанавливаемую поверхность Р=2...3 МПа, частота возвратно-поступательных перемещений инструмента п„=30...50 мин-1, при окружной скорости вращения детали Vo=0,2 м/с, концентрации хлористого железа в электролите CFe=350 кг/м , кислотности электролита рН=1,0, температуре электролита Т=333 К.
Разработана технология толстослойного восстановления крупногабаритных изношенных деталей гальваномеханическим осталиванием на примере блока цилиндров тепловозного дизеля Д100 и коленчатого вала тепловозного дизеля 1А-5Д49.
Реализация результатов работы
- Разработан комплект конструкторской документации на установку
УГМЖ-242 для восстановления гальваномеханическим осталиванием блока ци
линдров дизеля Д100 и передан НІШ «ИЗМЕРОН-В» для внедрения в произ
водство.
Подтверждена полезность для производства результатов исследований техническим советом Воронежского тепловозоремонтного завода им. Дзержинского.
Результаты исследований используются при проектировании технологий восстановления деталей в учебном процессе ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» по курсу «Технология машиностроения».
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: II Международной научно-технической конференции «Надежность и ремонт машин» (Орел, 2005), V Международной научно-технической конференции «Обеспечение и повышение качества машин на эта-
пах их жизненного цикла» (Брянск, 2005), VII Международной и VIII - IX Всероссийских научно-технических конференциях «Авиакосмические технологии» (Воронеж, 2006, 2007; Москва, 2008), VIII научно-технической конференции «Вибрационные машины и технологии» (Курск, 2008), Международной научно-технической конференции «Перспективные направления развития технологии машиностроения и металлообработки» (Ростов-на-Дону, 2008).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 научных работ, в том числе 5 - в изданиях рекомендованных ВАК РФ, получен патент РФ №2333298 на способ гальвано-механического восстановления токопроводящих деталей и устройство для его осуществления.
В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1, 11, 14] - проведение экспериментов и их анализ; [2, 3, 13] - изучение влияния режимов на параметры процесса и качества восстановленного слоя; [6] - разработка способа и устройства; [7] -исследование траектории перемещений инструмента.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы из 134 наименований и приложений. Основная часть работы изложена на 150 страницах, содержит 65 рисунков, 2 таблицы.
Обзор технологий восстановления изношенных деталей
Большинство выбракованных по износу деталей теряют не более 1...2% исходной массы. При этом прочность деталей практически сохраняется. Например, 95% деталей двигателей внутреннего сгорания выбраковывают при из-носах, не превышающих 0,3 мм, и большинство из них могут быть вторично использованы после восстановления.
При капитальном ремонте дизелей типа 1А-5Д-49 или 1 ОД 100 около 75% коленчатых валов имеют среднестатистический износ коренных и шатунных шеек 0,60...0,75 мм, радиальное биение шеек - до 0,47 мм, около 15% - имеют износ 1,5...2,1 мм (размер везде указывается на сторону). Вместе с этим конструкция коленчатого вала, обеспечивает достаточный запас статической и 35...50 % запас по усталостной прочности и долговечности и только около 10% коленчатых валов имеют неустранимые усталостные разрушения [82, 100].
При этом минимально допустимая глубина азотированного слоя твердостью HV 460 обычно не превышает 0,6...0,8 мм, следовательно, величина допустимого износа не должна превышать последнего указанного значения. Но уже при первом капитальном ремонте у 20...30% валов износ составляет 1,0...1,2 мм и более.
Помимо этого, подобные детали в ходе эксплуатации накапливают усталостные напряжения, а так как они имеют малую изгибную жесткость, это служит причиной их деформации, которая выражается в изменении первоначальных параметров макро-геометрии (формы и взаимного расположения поверхности - овальности, несовпадения осей отверстий, их непрямолинейности) до значений, превышающих допустимые. Также имеют место механические повреждения в виде задиров, рисок, трещин, выкрашивания, остаточных деформаций и др., последствия которых необходимо убирать дополнительной обработкой шлифованием на размер не менее 1,2... 1,5 мм.
Следовательно, для компенсации указанного износа и съема металла шлифованием необходимо проведение размерного восстановления рабочих цилиндрических поверхностей большого диаметра (190h6...300h6 мм) слоем металла большой толщины (до 2...3 мм).
Технологические способы восстановления изношенных поверхностей деталей классифицируются по методам наращивания [25, 121], при которых изношенный материал детали компенсируют нанесением других материалов, в том числе и синтетических. Наибольший интерес в ремонтной практике представляют способы наращивания металла. К ним относятся три основные группы: наплавка, газотермическое напыление и нанесение электролитических металлопокрытий (рис. 1.1).
Способы наращивания металла позволяют восстанавливать изношенные поверхности большинства деталей машин. При этом к деталям, обладающим низкой изгибной жесткостью (крупногабаритные коленчатые валы, оси, блоки дизелей и др.), крайне нежелательно применять любые технологические операции с интенсивным тепловым воздействием, в частности повторное азотирование или восстановление наплавкой, детонационным напылением и др., так как они приводят к недопустимому короблению детали вследствие расширения металла при нагревании или появлению в поверхностном слое вредных растягивающих остаточных напряжений, отрицательно влияющих на ресурс восстановленной детали.
Способы электролитического (гальванического) восстановления представляют отдельный интерес, т.к. позволяют восстанавливать детали при небольших (20...80С) температурах. Сущность этих способов заключается в осаждении из электролита на изношенную поверхность детали (катода) металлов. В качестве электролитов применяют растворы кислот и солей тех металлов, которые необходимо нанести на деталь. При этом протекает процесс растворения металла анодов с переходом его в виде ионов в электролит [13, 26-28, 68].
Осаждение на асимметричном токе происходит при периодической смене полярности и силы тока, в результате чего происходит попеременное осаждение металла и менее интенсивное его стравливание.
Гидродинамические режимы гальванического восстановления ведут тремя методами: перемешиванием электролита, обеспечением его проточности через полость осаждения или непосредственной подачей на поверхность осаждения (вневанный способ).
Гальваномеханическое осаждение является прогрессивным методом восстановления деталей машин и проводится при механическом воздействии мягким (электролитическое натирание), абразивным (гальваническое хонингова-ние) и гальваномеханическое осаждение с воздействием интсрументом из ми-нералокерамики.
Восстановление деталей гальваническими способами обладает следующими достоинствами: отсутствие термического воздействия на детали, вызывающего в них нежелательные изменения структуры и механических свойств; получение с достаточной точностью заданной толщины покрытий, что позволяет снизить до минимума механическую обработку и трудоемкость; осаждение с заданными непостоянными по толщине физико-механическими свойствами; одновременное восстановление большого числа деталей, что снижает трудоемкость и себестоимость ремонта единицы изделия; автоматизация технологического процесса.
К недостаткам гальванического восстановления можно отнести низкую стабильность процесса, особые требования к подготовке изношенной поверхности к нанесению покрытия, а также замедление роста толщины восстанавливаемого слоя со временем и растягивающие остаточные напряжения, приводящие к растрескиванию покрытий.
Гальваническим способом могут наноситься различные металлы: железо, хром, никель, медь, цинк и т.д. Выбор осаждаемого металла зависит от требований, предъявляемых к покрытию. Так при хромировании и никелировании в ваннах или электролитическим натиранием получают качественные защитные и декоративные покрытия, но невозможно получить толстослойные осадки (1,2...1,8 мм на сторону). Меднение и цинкование, используемые для восстановления посадочных мест под подшипники в корпусных деталях из-за хорошей адгезии осадков, не дают необходимой твердости и износостойкости покрытия.
Методика планирования эксперимента и обработки экспериментальных данных
При таком значительном количестве показателей сильно возрастает трудоемкость исследований. Поэтому на основе анализа научной литературы круг исследований был ограничен следующими начальными условиями: в качестве фиксированных были выбраны ранее многократно экспериментально проверенные другими авторами оптимальные значения для концентрации хлористого железа в электролите (Сре = 350 кг/м ), кислотности электролита (рН = 1,0), температуры электролита (Т = 333 К), окружной скорости вращения детали (V0 = 0,2 м/с), при допущении, что значения всех этих параметров в процессе эксперимента остаются постоянными. Время ведения электролиза (t = 6 ч)
Каждый из выбранных варьируемых показателей режимов гальваномеханического осталивания оказывает свое влияние на физико-механические и эксплуатационные свойства покрытий и сам процесс их нанесения. Однако проверить на опыте все возможные сочетания этих факторов практически невозможно из-за большого их количества. В данном случае целесообразно применение планирования экспериментов.
М.М. Протодьяконов [87] предложил брать как можно больше данных при самых разнообразных условиях и группировать их по значениям какого-либо одного фактора. Тогда в каждую группу остальные факторы попадут без всякого порядка. Поэтому при усреднении все прочие факторы, кроме того, по которому произведена группировка, уравновесятся. Следовательно, результаты будут зависеть только от одного фактора при средних значениях остальных (такой прием называют методом случайного баланса). Группируя затем те же исходные данные по значимости второго фактора, можно найти вторую частную зависимость результата от второго фактора, затем третью частную зависимость и т.д. окончательная эмпирическая формула, по мнению М.М. Протодьяконова, получается как произведение или сумма частных эмпирических формул.
В основе принятой методики лежит идея латинского квадрата, который позволяет значительно сократить количество экспериментов. Каждому влияющему фактору должно назначаться пять вариантов его значения. При построении латинского квадрата сложились сочетания факторов, встречающиеся один раз. Конкретные значения переменных и комбинированный латинский квадрат планирования экспериментов при исследовании и физико-механических свойств покрытий и процесса гальваномеханического осталивания представлены в таблице 2.1 и на рисунке 2.1. Применение данной методики позволяет значительно снизить объем экспериментов и получить эмпирические формулы с вполне удовлетворительной точностью.
Латинский квадрат планирования многофакторного эксперимента при исследовании влияния режимов гальваномеханического осталивания на параметры процесса и свойства осадка Обработка данных и оценка адекватности полученных моделей по критерию Фишера проводилась по стандартной методике [22, 29, 94] с применением пакета прикладных программ «MathCAD» и электронных таблиц «Excel» на ЭВМ. При этом придерживались следующего порядка операций.
Гальваномеханическое осталивание проводилось по следующему технологическому маршруту: 1) Зачистка образца на полировальном круге. 2) Изоляция поверхностей, не подлежащих покрытию. 3) Обезжиривание органическим растворителем. 4) Обезжиривание венской известью. 5) Промывка горячей водой (50-60С). 6) Промывка холодной водой. 7) Декапирование в 30%-ном растворе серной кислоты. 8) Промывка горячей водой (50-60С). 9) Монтаж образца на установку. 10) Активация образца в ванне осталивания при переменном токе. 11) Разгонный режим. 12) Гальваномеханичекое осталивание. 13) Демонтаж образца. 14) Промывка горячей водой (50-60С). 15) Нейтрализация. 16) Промывка горячей водой (50-60С). 17) Промывка холодной водой. 18) Сушка. 19) Снятие изоляции. 20) Смазка образца.
Экспериментальный образец (рис. 2.8) был изготовлен с шероховатостью поверхности, подвергаемой электроосаждению, Ra = 1,25 мкм [37, 66, 67, 77, 127] и прошлифован на войлочном полировальном круге с включениями абразивного порошка № 240 ГОСТ 3238-46. После чего диаметр контрольной поверхности тщательно обмеряли микрометром.
Изоляция участков восстанавливаемой детали, не подлежащих восстановлению, производилась нанесением трех слоев хлорвинилового лака ХВ А-21 ТУ 6-10-1244-72 с промежуточной просушкой [126] и последующей обмоткой изоляционной лентой марки ПХВ, ГОСТ 16214-86. Обезжиривание проводили тщательной протиркой детали органическим растворителем 646 ГОСТ 18188-72 [66, 69, 77] и венской известью с последующей промывкой в горячей и холодной воде.
Проблемы, возникающие при осталивании, и пути их решения
В процессе роста кристаллов железа имеет место ряд существенных осложнений, связанных как с особенностями его электрохимического поведения, так и с негативными явлениями, присущими гальваническому осаждению вообще. Рассмотрим проблемы, возникающие при осталивании, и возможные пути их решения:
Пассивация катода (частичная или полная) связана с возникновением пленок золей гидроокислов железа и оксидных пленок закиси и окиси железа [77, 125], которые начинают покрывать поверхность катода, тем самым экранируя ее от поступления и последующего разряда ионов железа и снижая число вновь зарождающихся центров кристаллизации. За счет пассивации поверхности осаждения происходит повышение катодной поляризации. Следствием этого является увеличение скорости роста кристаллов с образованием дисперсных порошкообразных некачественных осадков [125], а также затруднение формирования осадка на поздних этапах электроосаждения и связанное с этим замедление процесса. Образовавшиеся пассивационные пленки и некачественные «губчатые» осадки служат прекрасным материалом для адсорбции и последующего накопления в них посторонних примесей, всегда присутствующих в электролите. Эти примеси представлены следующими компонентами: анионы и катионы электролита; окислы; гидроокислы; растворенный кислород; растворенный водород; травильный и анодный шлам; прочие органические и неорганические примеси [17].
Для устранения негативных последствий пассивации поверхности осаждения последнюю необходимо периодически освобождать от постоянно образующихся пассивационных пленок и адсорбируемых ими примесей. Это может быть реализовано путем периодического разрушения и счищения пленок и примесей каким-либо инструментом.
Так как многие из перечисленных примесей обладают хорошими адгезионными свойствами и отличаются повышенной твердостью (например, гидро-ксид железа III), то инструмент должен иметь высокую твердость собственной рабочей поверхности, а также воздействовать на поверхность осаждения с силой, достаточной для разрыва адсорбционных связей между кристаллизованным металлом осадка и вредными пленками. Однако сила прижатия инструмента не должна быть достаточно сильной для того, чтобы совместно с примесями и пленками счищать также растущие кристаллы металла и вновь образующиеся центы кристаллизации (зародыши). Также инструмент должен обладать скругленными кромками, так как наличие острых кромок может привести к частичному или полному срезанию уже осажденного слоя металла.
Таким образом, периодически перемещая инструмент по поверхности катода, можно достичь разрушения и удаления пассивационных пленок и адсорбированных ими примесей, способствуя тем самым зарождению и росту большего числа центров кристаллизации, а значит, образованию в большей степени мелкокристаллической структуры осадка.
Наводороживание и пассивация газообразным водородом железных покрытий вызваны тем, что в процессе осталивания разряд водорода на катоде с момента включения первичен относительно разряда железа тока. Поэтому в катодное покрытие сначала начинает включаться водород, и только потом осаждается само железо. Действие водорода на железо и другие металлы приводит к увеличению внутренних напряжений, повышению хрупкости покрытий [43, 125]. Однако, можно создать условия, при которых возможно протекание процесса удаления водорода из восстановленного слоя уже в процессе осаждения.
При совместном выделении на катоде железа и водорода твердым инструментом с определенным усилием можно давить на слой осадка. При этом давление инструмента существенно ускорит выделение избыточной фазы водорода в виде рекомбинированного водорода из твердого раствора протонирован-ного водорода в слое электоролитически осажденного железа. Совместно с этим инструмент также будет «выдавливать» из осадка наружу скопившийся в микрообъемах (порах и пустотах [59, 125]) молекулярный водород. При этом усилие прижатия инструмента к осажденному слою будет деформировать и сам металл, и в результате этой деформации края образовавшегося после прорыва газообразного водорода на поверхность осаждения микрообъема сдвинутся, и сам микрообъем поры либо значительно сократится в размерах, либо полностью исчезнет. А это создает условия для нейтрализации эффекта водородного наклепа и связанных с ним текстурных изменений.
Удаленный из толщи осадка водород будет скапливаться на поверхности осаждения в виде пузырьков, которые будут экранировать катод от разрядоспо-собных ионов железа так же, как и пассивационные пленки, снижая при этом число вновь зарождающихся центров кристаллизации. Помимо этого, такое же пассивирующее воздействие оказывает и газообразный водород, выделяющийся на восстанавливаемой поверхности. Пузырьки водорода можно счищать с поверхности тем же способом, что и пленки.
Низкая сцепляемость осажденного слоя электролитического железа с основой вызвана образованием в первоначальный после декапирования период времени пассивиационных окисных пленок, препятствующих нормальному осаждению ионов железа на поверхности катода. Для того чтобы не нарушить подготовленную ювенильную поверхность, но при этом удалить пассивационные пленки предлагается перед началом разгонного режима активировать катодную поверхность переменным током в ванне осталивания. Высокая шероховатость восстановленного слоя вызвана тем, что поверхность осаждения частично экранирована пассивационными пленками и пузырьками газообразного водорода. При этом кристаллы, растущие на свободных местах имеют нитевидную и игольчатую форму, что способствует активному росту дендритов. Удаление окисных пленок и водорода с восстанавливаемой поверхности и выглаживание микронеровностей слоев осажденного металла твердым инструментом поможет снизить шероховатость восстановленного слоя.
Внутренние напряжения исследовались многими авторами [4, 18, 19, 33-35, 39, 44, 64, 77, 86, 125], которыми установлено, что они в большой степени обусловливают механические свойства, в частности, усталостную прочность и прочность на разрыв осадков металлов, полученных гальваническим наращиванием. Величина и знак внутренних напряжений определяет такие показатели осадков металлов, как усталостная прочность, твердость, пластичность и пористость. Однако в настоящее время не имеется единого мнения о природе возникновения внутренних напряжений и их влияния на эксплуатационные свойства покрытий.
Толщина восстановленного слоя
Толщина является одним из важных параметров восстановленного слоя. Исследования проводились по методике, описанной в главе 2. Исследовалась максимально возможная толщина восстановленного слоя и зависимость ее прироста от времени процесса для гальваномеханического осталивания и обычного ванного осталивания без механического воздействия. При этом задали следующие значения варьируемых параметров: катодная плотность тока ік 2500 А/м , давление инструмента на восстанавливаемую поверхность Р = 2 МПа, частота перемещений инструмента пи = 40 мин" . Осталивание без механического воздействия на восстанавливаемый слой дает крайне неровное покрытие из-за того, что на поверхности осаждения начинают расти дендриты, а также скапливается газообразный водород, пузырьки которого экранируют катод от ионов металла .
Механическое воздействие выглаживающим инструментом на растущие слои покрытия позволяет «счищать» дендриты и пузырьки водорода с поверхности, обеспечивая равномерность осаждения и снижая шероховатость восстановленного слоя (рис. 4.3, б).
Шероховатость восстановленного слоя с увеличением давления инструмента на восстанавливаемую поверхность до значений около Р=3 МПа существенно не меняется, а затем возрастает. По-видимому, это связано с тем, что микронеровности рабочей поверхности инструмента чрезмерно внедряются в восстанавливаемый слой и, оставляя свои следы, повышают его шероховатость.
Шероховатость восстановленного слоя снижается с увеличением частоты перемещений инструмента относительно восстанавливаемой поверхности. Это связано с тем, что инструмент при более высоких значениях частоты перемещения обрабатывает большую площадь восстанавливаемой поверхности, более активно воздействуя на растущий слой и удаляя зарождающиеся дендриты.
Твердость восстановленного слоя возрастает с увеличением катодной плотности тока. При этом прирост твердости с повышением катодной плотности тока сокращается. Такой характер последней зависимости связан с тем, что при повышении плотности тока измельчается структура железных осадков, что приводит к повышению твердости восстановленного слоя.
Твердость восстановленного слоя возрастает с увеличением давления инструмента на восстанавливаемую поверхность. Это связано с тем, что с ростом давления на восстанавливаемый слой инструмент сильнее его деформирует, при этом там послойно происходит процесс наклепа. Чем выше давление инструмента, тем выше наклеп и, соответственно, твердость восстановленного слоя. При этом прирост твердости с повышением давления инструмента сокращается, что свидетельствует о некотором пределе упрочнения осадков, получаемых при осталивании.
Твердость восстановленного слоя возрастает с увеличением частоты перемещений инструмента относительно восстанавливаемой поверхности. Это связано с тем, что с повышением частоты перемещений инструмента относительно восстанавливаемой поверхности инструмент чаще на нее воздействует. При этом в осаждаемом металле послойно происходит процесс наклепа. Чем чаще инструмент воздействует на восстанавливаемую поверхность, тем выше наклеп и, соответственно, твердость восстановленного слоя. При этом прирост твердости с повышением частоты перемещений инструмента относительно восстанавливаемой поверхности сокращается, что также свидетельствует о некотором пределе упрочнения осадков, получаемых при осталивании.
Остаточные напряжения в восстановленном слое возрастают с увеличением катодной плотности тока. При этом прирост остаточных напряжений с повышением катодной плотности тока сокращается. Это связано с тем, что при повышении плотности тока при осталивании возрастает перенапряжение осаждения железа, что затрудняет переход разрядоспособных ионов в атомарное состояние, начинает преобладать нитевидный или игольчатый тип кристаллов, а также на восстанавливаемой поверхности начинают активно расти дендриты. Это увеличивает дефектность микроструктуры железных осадков, что влечет за собой рост остаточных напряжений восстановленного слоя.
Похожие диссертации на Разработка технологии и установки для толстослойного восстановления деталей осталиванием
