Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние проблемы, цель и задачи исследования 13
1.1. Обоснование необходимости модернизации сельскохозяйственной техники при ремонте 13
1.2. Нанесение упрочняющих покрытий как приоритетное направление повышения надежности модернизируемых машин 23
1.3. Основные направления совершенствования технологических процессов восстановления деталей гальваническими покрытиями 33
1.4. Повышение качества железных покрытий для ресурсной модернизации сельскохозяйственной техники
1.4.1. Легирование железных покрытий добавками в электролит 40
1.4.2. Упрочнение железных покрытий при восстановлении деталей при ресурсной модернизации техники 43
1.4.3. Цианирование железных покрытий 47
1.5. Выводы, цель и задачи исследований 49
Глава 2. Теоретические основы повышения техни ческого уровня технологии железнения деталей при модернизации сельскохозяйственной техники на сервисных предприятиях 51
2.1. Научно-методические подходы к оценке технологий восстановления деталей 51
2.2. Обоснование показателей оценки технического уровня технологий восстановления деталей при модернизации сельскохозяйственной техники на сервисных предприятиях 60
2.3. Теоретическое обоснование применения сплавов на основе железа при восстановлении деталей 67
2.4. Прогнозирование влияния условий электролиза на формирование легированных покрытий Выводы по главе 2 81
Глава 3. CLASS Программа CLASS и методика исследований
3.1. Программа исследований
3.2. Методика мониторинга состояния технологических процессов восстановления деталей железнением
3.3. Методика нанесения и упрочнения легированных железных покрытий
3.3.1. Нанесение покрытий
3.3.2. Упрочнение покрытий
3.4. Методика исследования физико-механических свойств по крытий
3.4.1. Структура покрытий
3.4.2.Внутренние напряжения в покрытиях QR
3.4.3. Прочность сцепления покрытий с подложкой п..
3.4.4. Усталостная прочность образцов с покрытиями
3.4.5. Микротвердость покрытий
3.4.6.Износостойкость покрытий
3.5. Оптимизация режимов нанесения покрытий
3.6. Методика ударных испытаний „
3.7. Методика стендовых испытаний
Выводы по главе 3.
Глава 4. Результаты исследований и их анализ
4.1. Состояние технологических процессов восстановления деталей гальванопокрытиями
4.2. Физико-механические свойства легированных железных покрытий
4.2.1. Структура покрытий
4.2.2. Внутренние напряжения в покрытиях , 4R
4.2.3. Прочность сцепления покрытий
4.2.4. Усталостная выносливость образцов с покрытиями 161
4.2.5. Микротвердость легированных покрытий 162
4.2.6. Износостойкость покрытий 169
4.2.7. Оптимальные режимы нанесения и упрочнения покрытий 185
4.2.8. Результаты ударных испытаний 193
4.2.9. Результаты стендовых испытаний 193
4.2.10. Результаты эксплуатационных испытаний 195
Выводы по главе 4 199
Глава 5. Реализация результатов исследований и их экономическая эффективность 201
5.1.Технологические рекомендации по восстановлению деталей железными легированными покрытиями 201
5.1.1. Рекомендации по восстановлению деталей легированными железными покрытиями 201
5.1.2. Рекомендации по упрочнению железных покрытий цианированием 210
5.2. Экономическая эффективность результатов исследования 212
Выводы по главе 5 220
Общие выводы 221
Список использованных источников
- Основные направления совершенствования технологических процессов восстановления деталей гальваническими покрытиями
- Обоснование показателей оценки технического уровня технологий восстановления деталей при модернизации сельскохозяйственной техники на сервисных предприятиях
- Методика нанесения и упрочнения легированных железных покрытий
- Внутренние напряжения в покрытиях
Введение к работе
Государственная программа развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2008...2012 годы (утверждена постановлением Правительства Российской Федерации от 14 июля 2007 г. № 446) предусматривает инновационное развитие отрасли, ускоренный переход к использованию новых высокопроизводительных и ресурсосберегающих технологий. Однако анализ технической оснащенности сельского хозяйства показывает, что остается низкой обеспеченность сельскохозяйственных товаропроизводителей машинами и оборудованием. Так, например, в 2001 году на 1000га пашни приходилось 7,1 трактор, в 2004 году этот показатель составлял 5,9, а в 2005- 5,5. В настоящее время свой срок службы выработали 71% тракторов, 64% зерноуборочных комбайнов, 68% кормоуборочной, а также 58% почвообрабатывающей техники. Поэтому в материалах и рекомендациях Министерства сельского хозяйства Российской Федерации и Россельхозакадемии большое внимание было уделено направлению повышения технического уровня сельскохозяйственной техники путем ее модернизации при техническом сервисе. Из представленных ГОСНИТИ данных следует, что модернизируемая техника имеет перед новой преимущества по цене (30...50 %) и в ряде случаев и по надежности. Только от проведения модернизации машин в НПО « Агросервис» Республике Татарстан в 2006 году годовой эффект составил более 160 миллионов рублей. Анализ информационных материалов показывает, что за рубежом прослеживается тенденция модернизации техники, бывшей в эксплуатации. Например, полная модернизация устаревшей техники широко практикуется на предприятиях американской военной промышленности. По оценке профессора Н.Насира (Рочестерский технологический институт) Пентагон ежегодно расходует на полную модернизацию самолетов, танков, бронированных машин и другой военной техники около 15 млрд. долларов. В США имеются компании, которые занимаются восстановлением и модернизацией изношенной техники и гражданского назначе-
6 ния, в том числе тракторов. В основном модернизации при ремонте подлежат электрооборудование, дизельные двигатели, компрессоры. В больших объемах этой работой занимается компания «Caterpillar» (США), чей консолидированный оборот в 2005 г. составил 36 млрд. долларов. Зарубежные эксперты считают, что быстрый рост цен на природные ресурсы и их истощение, а также принятие законов по охране окружающей среды будут способствовать дальнейшему росту числа компаний, которые будут заниматься модернизацией изношенной техники.
В Российской Федерации в последние годы интерес к модернизации техники при ремонте также возрос. Это связано во многом с развитием вторичного рынка сельскохозяйственной техники. Однако модернизация машин на сервисных предприятиях России сводится в основном к замене зарубежных агрегатов, в том числе двигателей, на отечественные. Хотя следует заметить, что в последнее время прослеживается тенденция при восстановлении подержанной техники использовать более совершенные конструкции агрегатов трансмиссии, гидроагрегатов, систем топливоподачи.
Большой опыт работы на рынке подержанной техники имеет ОАО «Ба-тыревская сельхозтехника» Чувашской Республики. На предприятии организован восстановительный ремонт подержанных или списанных тракторов типа МТЗ с одновременной их модернизацией. В итоге капитальный ремонт МТЗ-52 с модернизацией составляет 38,6% стоимости нового трактора, а ресурс модернизированного трактора не менее 80% ресурса нового трактора. При капитальном ремонте и модернизации тракторов «Беларусь» широко применяют восстановленные детали, стоимость которых не превышает 25...50% стоимости новых узлов и агрегатов. ОАО «Тейковская агропромтехника» Ивановской области в течение последних трех лет проводит работу по модернизации кормо-уборочных комбайнов германского производства. Большой опыт по модернизации техники имеет НПО «Агросервис» Республики Татарстан. Имея высококвалифицированные инженерные и рабочие кадры, НПО «Агросервис» стремится внедрять новые технологии и методы при восстановлении деталей и МО-
дернизации сельскохозяйственной техники. В настоящее время разрабатывается технология модернизации тракторов К-701 с установкой на них кабины КамАЗ и новейшего двигателя КамАЗ с двумя турбонаддувами. Ведется работа и по установке на указанные тракторы более мощных двигателей «Мерседес-Бенц». На предприятиях НПО «Агросервис» выполняется также модернизация машин путем замены двигателя зерноуборочных комбайнов ДОН-1500Б, кор-моуборочных комбайнов КСК-100 и Е-281, коммунальной техники, экскаваторов. ОАО «Луховицкая сельхозтехника» Московской области осуществляет ремонт и модернизацию зерноуборочных комбайнов. В Ярославском РТП модернизируют и реализуют на вторичном рынке тракторы К-700, Т-150, МТЗ-80, ДТ-75, автомобили, кормоуборочные комбайны. При этом стоимость отремонтированных машин с модернизацией составляет 40...50 % от стоимости новых. На них выдается гарантия сроком на 1 год.
Анализ направлений модернизации техники в России и за рубежом, опрос экспертов и мнений ученых и специалистов показывают, что наиболее перспективными из них являются повышение производительности машин, их надежности, экономичности и комфортности обслуживания. Считаем, что повышение надежности модернизированных машин должно произойти за счет использования более совершенных конструкций агрегатов и новых материалов, в том числе при восстановлении деталей. Большие возможности повышения ресурса восстановленных деталей при модернизации сельскохозяйственной техники открывают технологии нанесения упрочняющих покрытий, в том числе композиционных, которые вошли в перечень критических технологий, который утвердил в мае 2006 года Президент Российской Федерации. Значительный интерес для этих целей представляют процессы нанесения покрытий с применением нанотехнологий. Перспективным направлением повышения износостойкости восстановленных деталей является легирование покрытий, полученных железнением и применение комбинированных технологий с последующим упрочнением. Одними из наиболее эффективных легирующих элементов являются молибден, вольфрам, титан, кобальт и другие. Однако для
использования таких технологий на сервисных предприятиях необходимы рекомендации как по составу электролитов, так и по режимам нанесения и упрочнения покрытий.
Цель исследования — разработка научно-обоснованных методов повышения технического уровня восстановления и упрочнения изношенных деталей сельскохозяйственной техники на основе железнения.
Объект диссертационного исследования представляют технологии восстановления и упрочнения деталей железнением.
Предметом исследования являются закономерности изменения физико-механических свойств железных покрытий от состава и концентрации легирующих добавок в электролит и режимов нанесения.
Научная новизна диссертации состоит в следующем:
разработаны показатели оценки технического уровня технологий восстановления деталей и теоретически обосновано использование легирующих добавок в технологиях железнения;
установлены закономерности влияния состава электролитов и режимов электролиза на скорость осаждения и физико-механические свойства легированных железных покрытий.
разработаны новые составы электролитов с легирующими добавками и режимы нанесения покрытий (12 патентов);
установлены закономерности влияния режимов цианирования на физико-механические и эксплуатационные свойства легированных покрытий.
разработан рациональный состав азото-науглероживающей среды и режимы упрочнения железо-молибденовых покрытий (1 патент).
Практическая значимость работы:
методики мониторинга технологий восстановления деталей железнением на сервисных предприятиях;
технологических рекомендаций по применению легирующих добавок в технологиях железнения деталей при ресурсной модернизации сельскохозяйственной техники;
- комбинированной технологии восстановления и упрочнения деталей
железо-молибденовыми покрытиями с последующим цианированием.
На защиту выносятся:
методика и результаты мониторинга технологий восстановления деталей железнением на сервисных предприятиях
теоретические предпосылки повышения технического уровня технологий восстановления деталей железнением путем использования легирующих добавок;
методики оценки технического уровня технологий железнения, в том числе по единичным показателям: износостойкость, ударная вязкость;
закономерности влияния концентрации легирующих добавок в электролит и режимов нанесения на физико-механические свойства железных покрытий;
- закономерности влияния режимов цианирования на физико-
механические свойства легированных железных покрытий;
оптимальные составы электролитов с легирующими добавками и режимы нанесения покрытий на них;
результаты ударных, стендовых и эксплуатационных испытаний легированных железных покрытий;
- оптимальные состав среды и режимы цианирования железо-
молибденовых покрытий;
- технологии восстановления деталей сельскохозяйственной техники ле
гированными железными покрытиями;
- комбинированная технология восстановления деталей железо-
молибденовыми покрытиями с последующим цианированием.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались, обсуждены и одобрены на научно-технических конференциях, семинарах:
- научно-технической конференции Института геотехнической механи
ки (г. Днепропетровск, 1999 г.);
международной технической конференции «Медико-экологические информационные технологии - 2002» (Курск, 2002 г.);
Российских научно-технических конференциях «Материалы и упрочняющие технологии» (Курск, 2001-2003 гг.);
международных научно-технических конференциях «Распознавание-2001» и «Вибрации-2001» в Курском ГТУ,
Всероссийской научно-технической конференции «Сварка и контроль» в Воронежском государственном архитектурно-строительном университете, а также на ряде вузовских научно-технических конференций (Курский государственный технический университет и Курская государственная сельскохозяйственная академия 1998...2007 гг.);
международной научно-технической конференции: «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» (г. Вологда, 2006 гг.);
семинаре: «Развитие дилерской деятельности в инженерно-технической системе АПК» (Москва, 2006 г.);
научно-технической конференции «Организация и развитие информационного обеспечения органов управления научных и образовательных учреждений АПК «Информ-Агро-2006» (Москва, ФГНУ «Росинформагротех», 2006 г.);
научно-технической конференции Московского государственного университета леса (г. Мытищи, 2007-2008 г.);
научно-технической конференции «Организация и развитие информационного обеспечения органов управления научных и образовательных учреждений АПК «Информ-Агро-2007» (Москва, ФГНУ «Росинформагротех» 6-8 июня - 2007 г.);
международной научно-технической конференции, посвященной 100-летию профессора И.С.Левитского, РГАЗУ, г. Балашиха,2007.
международной научно-практической конференции «Роль молодых ученых в реализации национального проекта « Развитие АПК», МГАУ, г. Москва,2007.
международном научно-практической семинаре «Надежность и качество», г.Пенза,2007.
международной научно-практической конференции «Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции», ВИИТиН, г. Тамбов,2007.
Всероссийской научно-практической конференции «Стратегия машинно-технологического обеспечения производства сельскохозяйственной продукции России на период 2008-2012 гг», Москва, ГАО ВВЦ, ВИМ, ,2007.
международной научно-технической конференции: «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» (г. Вологда, 2007 гг.);
научной конференции профессорско-преподавательского состава РГАЗУ, г. Балашиха,2007.
международной научно-технической конференции: «Современные проблемы развития технического сервиса в АПК» (г. Москва, МГАУ, 2007 г);
международной научно-технической конференции: « Научные проблемы развития ремонта, технического обслуживания машин, восстановления и упрочнения деталей» (г. Москва, ГОСНИТИ, 2007 г);
расширенном заседании кафедры надежности и ремонта машин имени ИСЛевитского РГАЗУ, 2008 г.
Реализация результатов исследований:
Разработана методика мониторинга технологических процессов восстановления деталей на сервисных предприятиях АПК.
Разработаны технологические рекомендации восстановления и упрочнения деталей железными легированными покрытиями.
Технология восстановления и упрочнения деталей железными легированными покрытиями внедрена на предприятиях Курской области: Рыль-ском авторемонтном заводе, Обоянском авторемонтном заво-де,Краснополянской сельхозтехники; Томаровском авторемонтном заводе Белгородской области и Унечском РТП Брянской области.
Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 70 научных работах, в том числе 10 в журналах «Механизация и электрификация сельского хозяйства», «Технология металлов», «Упрочняющие технологии», «Аграрная наука», «Международный сельскохозяйственный журнал», рекомендованных ВАК, в 3 монографиях и 15 патентах на изобретения.
Структура и содержание диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы из 308 наименований и содержит 256 страниц основного текста, 73 рисунка, 29 таблиц.
Основные направления совершенствования технологических процессов восстановления деталей гальваническими покрытиями
Повышение твердости и износостойкости железных гальванических покрытий достигалось двумя путями: упрочнением с помощью химико-термической обработки [103] и введением различных добавок в электролит, повышающих твердость и улучшающих свойства осаждаемого металла без дополнительного упрочнения [104].
В литературе имеется большое количество данных по улучшению твердости и износостойкости железных осадков путем введения в хлористые электролиты органических добавок и добавок солей различных элементов, т.е. осаждения сплавов (легированных покрытий).
Большой вклад в исследование влияния органических добавок на процесс электроосаждения железа и его физико-механические свойства внес академик Петров Ю.Н. [105]. По его данным, все органические добавки по механизму действия на процесс электролиза можно разделить на две группы: добавки, которые в процесс электрокристаллизации не включаются в осадок или включаются в небольшом количестве (глицерин, лимонная кислота), и добавки, способные входить в состав электролитических осадков в больших количествах (декстрин, сахар).
Введение в хлоридный электролит органических добавок способствует получению железных покрытий с высокой микротвердостью (до 7000 МПа). При этом содержание углерода в покрытии достигало 0,5 % [105]. Некоторые органические добавки (аскорбиновая кислота) позволяют снизить температуру электролиза и получить пористые железные покрытия, имеющие высокую из носостойкость в условиях работы со смазочным материалом [106]. Легированные покрытия, осаждаемые из хлористых электролитов, как видно из многочисленных работ различных исследователей [104], обладают очень высокими физико-механическими свойствами, значительно превосходящими уровень соответствующих свойств чистого железа.
Твердость, износостойкость и коррозионная стойкость железных покрытий повышается при легировании их марганцем, никелем и углеродом, как показано в работах [107, 108]. По данным Кудрявцева Н.Т. и Смирновой Т.Г. [109], электролитический сплав железа с хромом, при содержании хрома около 30 %, обладает в несколько раз более высокой износостойкостью, чем электролитическое железо. Значительно улучшают свойства электролитических осадков добавки в электролит солей молибдена и вольфрама [ПО, 111].
Введение легирующих элементов в состав электролитических покрытий в ряде случаев способствует увеличению прочности сцепления покрытия с основой. По данным СмеловаА.П. [112] и Бабенко В.А. [113], в этом направлении наиболее эффективно действуют кобальт и никель, последний к тому же повышает износостойкость электролитического покрытия в 1,5...3 раза.
Имеются работы, где сообщается об эффективном легировании гальванических железных покрытий одновременно двумя или даже тремя элементами [104, 107]. В зависимости от свойств и количества вводимых в состав электролита элементов в широком диапазоне изменяются и физико-механические свойства покрытий.
Теория электрокристаллизации многокомпонентных гальванических сплавов железа (как впрочем и других элементов) находится в настоящее время в зачаточном состоянии, поэтому при производственном освоении их приходится руководствоваться в основном экспериментальными данными.
В.И. Лайнер [114] считал, что совместное выделение на катоде металлов группы железа (Mn, Ni, Сг, Со) с образованием покрытий и соответствующих сплавов возможно из растворов простых солей, поскольку, потенциалы выделения этих металлов достаточно близки. Ю.Н. Петров [105] утверждает, что упрочнение железных покрытий введением в электролит хлористых солей кобальта и никеля, а также хромового ангидрида, производить нецелесообразно ввиду недостаточно высокой твердости получаемых в этом случае осадков. Наибольший эффект оказывает введение в электролит органических добавок.
Многочисленные экспериментальные данные [115] не дают ответа на вопрос об основных закономерностях формирования структуры и свойств гальванических сплавов. В основном, у сплавов, полученных гальваническим способом, имеются те же фазы, что и у сплавов, полученных металлургическим путем, однако составы этих фаз могут значительно различаться. Для гальванических сплавов может не соблюдаться правило, согласно которому образование твердых растворов возможно только тогда, когда разница атомных радиусов растворителя и растворенного элемента составляет не более 8 % [116]. Во многих случаях область твердых растворов гальванических сплавов шире, чем это следует из указанного правила.
Теория электрокристаллизации сплавов пока не в состоянии объяснить, почему в одних случаях на катоде осаждаются равновесные сплавы в соответствии с диаграммой состояния, а в других случаях — метастабильные, со значительными отклонениями от равновесия. Некоторое объяснение явлению может дать то обстоятельство, что электрокристаллизация гальванических сплавов происходит при относительно низких температурах, когда диффузионные процессы в металлах значительно замедлены, что позволяет сплавам стабилизироваться.
До настоящего времени нет также теории, которая объясняла бы, почему некоторые металлы в отдельности на катоде не выделяются, в то время как совместно с другими элементами успешно осаждаются.
В литературе имеются лишь весьма общие положения, руководствуясь которыми можно предсказать возможность совместного осаждения двух или нескольких металлов с образованием соответствующего сплава [117]. Такие возможности были описаны и исследованы в других работах [118... 123]. Большое внимание в своих исследованиях изучению физико-механических свойств легированных железных покрытий уделили также Гурьянов Г.В., Поветкин В.В., Нарсия Х.С., Яковлева Л.А., Ковалев В.Е., Коцяев Н.В., Синельников В.К., Ягубец А.Н. и другие ученые [124... 140]. Большой вклад в развитие теории и практики нанесения легированных железных покрытий внес профессор Серебровский В.И. [141... 150]. Однако до настоящего времени нет четких рекомендаций по применению железных покрытий с легированными добавками при ресурсной модернизации сельскохозяйственной техники на сервисных предприятиях.
Обоснование показателей оценки технического уровня технологий восстановления деталей при модернизации сельскохозяйственной техники на сервисных предприятиях
Для минимизации поверхностной энергии образующейся частицы новой фазы кристаллические решетки центров кристаллизации и кристаллизирующегося на поверхности вещества должны отвечать принципу структурного и размерного соответствия.
Поверхности катода при электрокристаллизации могут служить зародышами для образования на них кристаллов новой фазы при условии, что поверхностное натяжение на границе раздела между образующимися частицами и подложкой меньше, чем поверхностное натяжение на границе между растущими частицами.
Структурного и размерного соответствия кристаллических решеток катода (восстанавливаемой детали) и гальванического осадка можно добиться, осаждая не чистое железо, а железо с примесями (сплавы). Последние, изменяя параметры кристаллической решетки железа, при рациональном подборе могут способствовать идеальному совпадению решеток и таким образом значительно облегчить процесс кристаллизации.
Электроосажденные кристаллы, кроме своих размеров, различаются ориентацией относительно поверхности катода (текстурой). Можно считать установленным, что эта текстура зависит от следующих факторов: 1) катодной поляризации; 2) кристаллической структуры катода; 3) плотности тока и 4) добавок и примесей в электролите.
В большинстве случаев повышение плотности тока способствует образованию более мелкозернистых осадков. Это объясняется увеличением активной поверхности катода, вследствие чего кристаллические зародыши появляются на других, ранее неактивных или менее активных, участках катода. Рядом авторов отмечается, что в некоторых случаях уменьшение размеров зерна с повышением плотности тока переходит максимум. Сначала наблюдается укрупнение зерен, и, только начиная с определенной плотности тока, величина которой зависит от природы и состава электролита, структура осадка становится все более мелкозернистой. Это можно объяснить тем, что с повышением плотности тока до известного предела скорость роста отдельных, ранее образованных кристаллов увеличивается до тех пор, пока потенциал катода не достигает такого значения, при котором начнут возникать новые кристаллы, т.е. увеличивается число активных мест и растущих кристаллов. При дальнейшем увеличении плотности тока скорость возникновения центров кристаллизации увеличивается, и осадки становятся все более мелкозернистыми [123].
Наиболее заметное влияние плотности тока на структуру осадка наблюдается в тех случаях, когда степень изменения потенциалов с плотностью тока незначительна. Однако повышать плотность тока беспредельно нельзя. При очень высоких плотностях тока, вследствие быстрого обеднения прикатодного слоя ионами металла, происходит образование рыхлых осадков на выступающих местах катодов, поэтому плотность тока должна выбираться в разумных пределах, в соответствии с природой и составом электролита, с температурой, со степенью перемешивания. Многочисленные исследования, которые обобщены в работе [150], показывают, что природа электролита оказывает большое влияние на структуру осадков. В зависимости от природы электролита структура осадков получается либо мелкокристаллической, либо крупнокристаллической. Например, при осаждении цинка из кислых растворов структура получается крупнозернистой, а при осаждении его из комплексных цианистых растворов структура — мелкозернистая. Это объясняется отсутствием пассивирования поверхности металла за счет адсорбции комплексных ионов MeCN2. Высокая адсорбционная способность комплексных цианистых ионов препятствует адсорбции чужеродных ионов на поверхности металла, пассивирующих его поверхность и создающих условия для роста крупных кристаллов осадка.
На структуру осадка большое влияние также оказывает природа анионов простых солей осаждаемого металла, т.к. значение потенциалов при электролизе этих солей неодинаково. Например, осадки свинца из азотнокислых и уксуснокислых растворов борфтористоводородных и кремнефтористых солей мелкозернистые. В этих электролитах катодная поляризация очень высокая, в то время как она мала в уксусных электролитах.
Концентрация электролита, как и его природа, оказывает существенное влияние на структуру осадка. С повышением концентрации солей осаждаемого металла, при прочих постоянных условиях, скорость зарождения центров кристаллизации падает и осадки получаются крупнозернистыми. При высоких концентрациях электролита в начале электролиза на катоде образуется много кристаллов, но с течением времени при той же постоянной силе тока число растущих кристаллов постепенно уменьшается. Это объясняется тем, что по мере увеличения растущей (рабочей) поверхности кристаллов истинная плотность тока уменьшается и при падении ее ниже некоторой величины наступает пассивирование отдельных кристаллов и прекращение их роста. Рост продолжают только некоторые кристаллы, что приводит к образованию крупнокристаллической структуры осадка.
Кроме природы и концентрации электролита на структуру осадка влияют и добавки солей, кислот и других неорганических и органических соединений. Их влияние осуществляется главным образом через изменение катодной поляризации: катодная поляризация либо уменьшается, либо увеличивается, что в конечном итоге приводит к изменению структуры осадка [150]. Температура электролита также оказывает большое влияние на структуру осадка. Повышение температуры снижает катодную поляризацию, что способствует образованию более крупнозернистых осадков.
Таким образом, зная влияние условий электролиза при нанесении покрытий на основе железа, можно прогнозировать свойства этих покрытий и управлять ими в определенной степени.
Методика нанесения и упрочнения легированных железных покрытий
Ударные испытания образцов получили широкое распространение, так как они выявляют опасную склонность металлов к хрупкому разрушению, не всегда обнаруживаемую при статических испытаниях. Ударные испытания весьма чувствительны к различным изменениям структуры металлов (изменение величины зерна, выпадение дисперсных фаз и т.п.), поэтому такие испытания часто применяются в практике машиностроения для оценки правильности режимов упрочняющей обработки деталей и качества металла для этих деталей. Другим важным назначением ударных испытаний, еще недостаточно отраженным в стандартной методике, является определение свойств металлических материалов, подвергаемых в условиях эксплуатации динамическим нагрузкам для оценки долговечности деталей. Последнее особенно важно в настоящее время, когда на первый план выдвигается задача повышения надежности машин.
При ударных испытаниях определяют величину работы Аь, затраченной на разрушение образца, и относят ее к площади поперечного сечения F. Полученная величина называется удельной ударной вязкостью или просто ударной вязкостью.
Для стандартных ударных испытаний используют маятниковые копры, как наиболее простые и удобные в обслуживании. Скорость бойка маятникового копра в момент удара составляет около 5...7 м/с.
Прочность и пластичность, а также обобщающая оба этих свойства величина работы разрушения определяют способность конструкций сопротивляться воздействию внешних нагрузок в различных условиях эксплуатации. Численные значения этих свойств, особенно в условиях динамического нагру-жения, могут изменяться в весьма широких пределах в зависимости от различных факторов, связанных с природой металла и условиями его обработки, а также с конструкцией изделия и условиями его службы (рис. 3.12).
Как известно, процесс производства стали во многом определяют особенности ее химического состава и первичного строения. Условия ведения плавки, ее раскисления, условия кристаллизации слитка создают особенности макро- и микроструктуры, влияющие на свойства металла, особенно при ударном нагружении. Не в меньшей степени на эти свойства влияют условия последующей обработки металла, имеющие целью придать детали требуемую форму и свойства (отливка, обработка давлением, резанием, термическая обработка и др.), которые определяют конечную структуру металла, влияют на состояние поверхностного слоя, создают остаточные напряжения и определяют свойства изделия. Многие детали современной сельскохозяйственной техники, работающие в тяжелых условиях эксплуатации, имеют на поверхности твердые износостойкие слои, которые получаются химико-термической обработкой (цементацией, нитроцементацией, азотированием и др.)- Такие детали в процессе эксплуатации зачастую подвергаются ударам, поэтому для оценки их работоспособности и долговечности необходимо знать ударную вязкость упрочненного поверхностного слоя.
Так как цементованные, нитроцементованные и другие упрочненные слои имеют небольшую толщину (от 0,1 до 1,0 мм), определять ударную вязкость на стандартных образцах, имеющих сечение 10x10 мм, нецелесообразно, так как на величину ударной вязкости такого образца влияют в основном не свойства упрочненного слоя, а свойства сердцевины, которые, как было сказано выше, определяются большим количеством разнообразных факторов.
Для ударных испытаний нитроцементованных и других упрочненных слоев на поверхности деталей был разработан специальный образец квадратного сечения без надреза, размером 1,5x1,5 мм, длиной 20...30 мм и применена схема испытания с односторонним креплением образца (т.н. схема Изода). Образец зажимается в вертикальном положении в тисках и получает удар маятником по выступающей части (рис.3.13).
При определении ударной вязкости материала по принятой схеме важное значение имеет положение ударяющею ножа относительно оси качения маятника. Местоположение кромки ударяющего ножа должно быть выбрано так, чтобы в момент удара она находилась на линии, проходящей через ось маятника и центр его тяжести. Чтобы сила удара не передавалась на ось маятника, кромка ударяющего ножа должна совпадать с центром удара маятника, расстояние которого от оси определяется по формуле
Внутренние напряжения в покрытиях
С увеличением концентрации хлорида железа и температуры прочность сцепления покрытия с основным металлом увеличивается. Это связанно с уменьшением поляризации и облегчением прохождения ионов к катоду. От концентрации гипофосфита натрия и катодной плотности тока наблюдается обратная зависимость - с их увеличением наблюдается повышение поляризации и соответственно снижение прочности сцепления покрытия с основным металлом. Полученное покрытие имеет напряженную структуру, повышенную микротвердость, наблюдается наличие трещин. С увеличениєм коэффициента асимметрии с 1,2 до 4 прочность сцепления уменьшается, а, начиная с 4 до 7, почти не изменяется и равняется порядка 700 МПа. Это связано, очевидно, с тем, что при малых значениях (3 с высокой анодной составляющей возрастает перезарядка электрода, происходит периодическое разрушение пассивирующего экрана, перемешивание катионов, уменьшается выход по току. Полученные покрытия обладают пониженной микротвердостью, напряженностью и повышенной сцепляемостью.
При малых значениях рН наблюдается наводороживание, полученное покрытие хрупкое и плохо сцеплено с основой, а при больших, начиная с рН 0,8 до рН 1,4, наблюдается защелачивание прикатодного слоя.
Установлено, что для получения железо-фосфорного покрытия, обладающего высокой прочностью сцепления с основным металлом, необходимо, чтобы выполнялись следующие условия: концентрация хлорида железа 350...400 г/л, концентрация гипофосфита натрия 9... 10 г/л, температура электролита 313 К, кислотность электролита рН 0,8; коэффициент асимметрии Р= 6, катодная плотность тока 35...40 А/дм .
Исследования свидетельствуют о том, что при осаждении покрытий на асимметричном токе прочность сцепления покрытия с основным металлом зависит от показателя асимметрии. При осаждении покрытий без предварительного разгона наиболее прочное сцепление получается при показателе асимметрии меньше двух. Точные числовые значения в этом случае установить не удалось, поскольку при испытании отрыв штифта от покрытия происходил, как правило, внутри покрытия. Это свидетельствует о том, что фактическая прочность сцепления значительно выше тех значений напряжений, при которых происходил отрыв.
С увеличением показателя асимметрии свыше двух сцепление резко падает, что может повлечь за собой отслаивание покрытия (рис. 4.27). асц МПа 150 125 чі 100 Ф С 75 о г Влияние показателя асимметрии и плотности тока на прочность сцепления покрытий с основным металлом.
При высоких значениях плотности тока и показателя асимметрии прочность сцепления имеет минимальное значение. Следовательно, чтобы обеспечить высокую прочность сцепления, необходим постепенный вывод процесса электролиза на рабочий режим.
При осаждении железо-молибденовых покрытий на асимметричном токе возможны три варианта разгона. По первому варианту электролиз начинают при малом значении плотности тока и оптимальном показателе асимметрии, по второму, наоборот, при низком показателе асимметрии и заданной плотности тока, постепенно увеличивая показатели режима электролиза до заданного значения. По третьему варианту начальный период электролиза проводится при низких режимах, а в процессе электролиза их постепенно увеличивают до заданных значений.
Первый вариант неприменим для железо-молибденовых покрытий, поскольку даже при малой плотности тока, но высоком показателе асимметрии осаждаются твердые, хрупкие покрытия с пониженной прочностью сцепления. Второй вариант позволяет быстро выходить на рабочий режим, но оптимальная плотность тока, равная 40 А/дм2, не позволяет достичь высокой прочности сцепления. Это, по-видимому, связано с тем, что пассивная пленка, имеющаяся на покрываемой поверхности, не успевает разрушаться в электролите при первом и втором вариантах разгонного цикла. Третий вариант обеспечивает максимальную прочность сцепления. При низких значениях показателя асимметрии и плотности тока на катоде происходит интенсивное выделение водорода, который восстанавливает пассивную пленку до металла. Поскольку на менее активных участках пленка тоньше, она может восстанавливаться раньше, и эти участки покроются осажденным металлом. В следующий промежуток времени восстановится и более толстая пленка, образовавшаяся на более активных участках. Эти участки с активной поверхностью также покрываются осажденным металлом и таким образом создается сплошной слой ненапряженного покрытия. Внутренние напряжения в покрытиях снижаются при уменьшении плотности тока и показателя асимметрии.
Слабонапряженное мягкое покрытие обладает способностью в значительной мере воспроизводить кристаллическую структуру основного металла, в результате чего прочность сцепления получается высокой.
В качестве оптимального режима разгонного цикла для железо-молибденовых покрытий можно рекомендовать показатель асимметрии J3=l,3; плотность тока Др=15...20 А/дм2. После выдержки указанного режима в течение 3 минут показатели электролиза выводятся на рабочий уровень (Jh 6, Z)yt=40 А/дм2). При этих условиях прочность сцепления достигает 280...300 МПа.
