Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Состояние и постановка вопроса 8
1.1. Физико-механические свойства железных покрытий и область их применения в ремонтном производстве 8
1.2. Перспективные технологические приемы упрочнения электрохимико-термической обработкой деталей машин, восстановленных гальваническим железом 16
1.3. Факторы, ускоряющие диффузию углерода и азота при электронагреве 24
1.4. Постановка вопроса 29
Глава 2. Общая методика исследований 33
2.1. Оборудование и технология электролитического осаждения железа 33
2.2. Оборудование и технология электролитно-плазменного упрочнения 36
2.3. Оборудование и технология упрочнения с нагревом ТВЧ 41
2.4. Оценка структуры и некоторых физико-механических свойств упрочненных железных покрытий 44
2.5. Математическая обработка экспериментальных данных 49
Глава 3. Влияние исходной структуры железных покрышй на процесс насыщения углеродом и азотом при электрохимико-термическом упрочнении 51
3.1. Вопросы исследования 51
3.2. Порядок проведения исследований 53
3.3. Результаты исследований и их обсуждение... 55
3.3.1. Влияние исходной структуры покрытий на производительность процесса насыщения... 55
3.3.2. Влияние исходной структуры на строение термонасыщенных железных и железо-никелевых покрытий 63
3.3.3. Влияние трещиноватости покрытий на процесс электрохимико-термической обработки 84
ВЫВОДЫ 88
Глава 4. Влияние тєзшологических парамеіров на производительность и отугору упрочненных слоев ...90
4.1. Вопросы исследования 90
4.2. Порядок проведения исследований 91
4.3. Результаты исследований и их обсуждение 92
4.3.1. Электролитно-плазменное науглероживание ...92
4.3.2. Углеродоазотирование пастой с нагревом ТВЧ 108
Выводы 118
Глава 5. Влияние упрочнения на физико-механические свойства железных покрытий 121
5.1. Вопросы исследования 121
5.2. Порядок проведения исследований 123
5.3. Результаты исследований и их обсуждение... 126
ВЫВОДЫ 141
Глава 6. Технология восстановления деталей машин железнением с последующим электрохимико-термическим упрочнением 143
Выбор номенклатуры деталей для восстановления и упрочнения 143
Технология восстановления деталей машин железнением с последующим электрохимико- термическим упрочнением 145
Эксплуатационные испытания опытной партии восстановленных и упрочненных деталей 151
Технико-экономическая оценка предлагаемого способа восстановления и упрочнения. Внедрение результатов научных исследований в производство 152
Обще выводы 156
Литература
- Перспективные технологические приемы упрочнения электрохимико-термической обработкой деталей машин, восстановленных гальваническим железом
- Оборудование и технология электролитно-плазменного упрочнения
- Порядок проведения исследований
- Электролитно-плазменное науглероживание
Введение к работе
ХХУІ съезд КПСС /I/ и Продовольственная программа СССР, принятая майским (1982 г.) Пленумом ЦК КПСС /2/, наметили пути дальнейшего развития сельскохозяйственного производства нашей страны. В целях его интенсификации в сельское хозяйство поступают энергонасыщенные тракторы, автомобили и другая сложная техника, что предъявляет особые требования к ремонту этих машин. В Постановлениях Совета Министров СССР № 820 от I.П.1977 г., № 114 от I.П.1979 г. и Совета Министров МССР № 97 от 21 .Ш. 1979 г. определена задача разработать индустриальные способы восстановления деталей машин с целью увеличения их работоспособности до уровня новых.
Восстановление деталей машин в настоящее время идет по двум направлениям: во-первых, для повышения эффективности ремонта создаются крупные специализированные ремонтные предприятия с большой программой ремонта и ограниченной номенклатурой восстановления, во-вторых, в связи с резким возрастанием требований к качеству восстановления в ремонтное производство внедряется упрочняющая технология, которая преимущественно использовалась в машиностроении (термическая или химико-термическая обработка, поверхностно-пластическая деформация и др.).
Ряд тяжелонагруженных деталей (крестовины карданов и дифференциалов, поршневые пальцы, кулачковые и распределительные валы, зубчатые колеса и др.), подвергающиеся в процессе эксплуатации интенсивному изнашиванию и значительным циклическим или контактным нагрузкам,при изготовлении упрочняются термической или химико-термической обработкой.
Указанные детали снимаются с эксплуатации при износе не более 0,3 мм/3/, поэтому при их восстановлении предпочтение отдается гальваническому способу наращивания изношенной поверхности. Однако гальванические покрытия, также как и другие виды покрытия не всегда восстанавливают полный комплекс физико-механических свойств детали, приобретенных ими в процессе изготовления. Для придания таким деталям требуемого послеремонтного ресурса необходимо наносимые слои подвергать дополнительному упрочнению.
Исследования по цементации электролитического железа свидетельствуют о том /4,5/, что упрочнение значительно улучшает эксплуатационные показатели восстановленной детали. Однако традиционные способы химико-термической обработки по ряду причин не нашли широкого применения в ремонтном производстве. Прежде всего из-за большой продолжительности процесса, что может привести к заметным нарушениям размеров и формы детали, к изменению структуры и свойств ее сердцевины. Вместе с тем многие детали имеют обычно локальные износы, поэтому для них требуется местное упрочнение.
Электронагрев (индукционный, контактный, электролитно-плазменный и др.), применяемый при химико-термической обработке, устраняет отмеченные недостатки и позволяет существенно увеличить производительность процесса диффузионного насыщения (в 10 и более раз) и снизить энергозатраты /6, 7/.
Однако недостаточная изученность этого способа упрочнения покрытий и отсутствие детальной технологии упрочнения деталей, восстановленных железнением, тормозит его внедрение в ремонтное производство.
В связи с изложенным возникла необходимость исследовать влияние условий электроосаждения и электрохииико-термическо-го упрочнения на структуру и основные физико-механические свойства железных покрытий и на основании этого разработать технологию восстановления и упрочнения тяжелонагруженных деталей сельскохозяйственной техники.
При выполнении настоящей работы ставилась задача изыскать наиболее рациональные способы поверхностного нагрева деталей при их упрочнении.
Работа выполнялась в соответствии со всесоюзной "Комплексной программой научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по решению важнейших проблем восстановления изношенных деталей автомобилей, тракторов и сельскохозяйственных машин", задание 10 (номер Гос.регистрации 77024485) и программой работ по решению республиканской (Молдавской ССР) межотраслевой научно-технической проблемой 09 - "Разработать и внедрить новые технологические процессы восстановления деталей машин, обеспечивающие повышение их износостойкости в 1,5...2 раза", задание 04.
Исследования проводились в Отраслевой лаборатории кафедры "Ремонт машин" Кишиневского ордена Трудового Красного Знамени сельскохозяйственного института им.М.В.Фрунзе с 1976 по 1982 г. Большую помощь в выполнении исследований оказали к.т.н. КОРНЕЙЧУК Н.И., (исследования по контактной прочности), к.т.н. РАПОПОРТ Л.С, (рентгеноструктурный анализ),инженер МУРАВЬЕВ А.Д. (исследования усталостной прочности). Автор выражает им свою искреннюю благодарность.
Перспективные технологические приемы упрочнения электрохимико-термической обработкой деталей машин, восстановленных гальваническим железом
Актуальной задачей в области химико-термической обработки является интенсификация процессов насыщения, требующая применения быстрого электронагрева (индукционного, контактного, электролитно-плазменного, тлеющего разряда, электротермического кипящего слоя и др.). В технологическом плане электрохимико-термическая обработка (ЭХТО) имеет ряд преимуществ по сравнению с другими способами упрочнения /6, 43/. Во-первых,резко сокращается время нагрева детали до температуры обработки, что значительно уменьшает общую продолжительность процесса. Во-вторых, появляется возможность местной химико-термической обработки. В-третьих,нагрев ограничивается определенной глубиной, что способствует сохранению структуры сердцевины и уменьшению коробления деталей. В-четвертых, появляется возможность достижения практически любой температуры насыщения, так как отсутствуют ограничения, связанные с жаростойкостью отдельных частей агрегата. В-пятых, появляется возможность автоматизации процесса и включения его в общий поток обработки изделий. Анализ существующих способов ЭХТО показал /44-46/, что наиболее перспективными являются методы насыщения с использованием электролитно-плазменнпго нагрева и нагрева токами высокой частоты.
"Электролитно-плазменный нагрев" появился сравнительно недавно, поэтому он не имеет общепризнанного названия. В литературе его определяют как нагрев по методу И.3.Ясно-городского; электролитный нагрев; нагрев в электролитной плазме и т.д. Сущность его заключается в том, что при пропускании через раствор электролита постоянного тока плот р ностью 10...1000 кА/м и напряжением в ванне 100...500 В один из электродов (обычно это катод), имеющий наименьшую площадь, может нагреваться до высоких температур в результате образования вокруг него низкотемпературной плазмы. Внешним признаком процесса является наличие яркого свечения, которое вызывается искровыми разрядами, возникающими в образовавшейся вокруг электрода парогазовой оболочке. Если раствор содержит насыщающие элементы, то одновременно с нагревом происходит диффузия этих веществ. Вольтам-перная характеристика рассматриваемого процесса и зависимость температуры от приложенного напряжения представлена на рис.1.1.
Систематические исследования процесса начаты в 60-х годах в Советском Союзе, ФРГ, Японии, США. Большинство ра 18 бот при этом посвящены разработке конкретной технологии, выбору составов электролитов, оценке физико-механических свойств получаемых диффузионных слоев.
В нашей стране исследования по изысканию составов электролитов и выбору технологических условий электролит-но-плазменного упрочнения проведены В.С.Ваниным /47-52/. Впервые им показана возможность применения водно-ацетоновых и водоспиртовых электролитов с целью насыщения поверхностей деталей углеродом. Вместе с тем, при осуществлении процесса цементации из указанных растворов наблюдается значительное сажеобразование в парогазовой оболочке, что затрудняет поддержание стабильного разряда.
Исследования растворов на основе спиртов, ацетона и глицерина (3 - атомный спирт) проведены автором работ /53-55/, в которых впервые делаются попытки установить механизм диффузионного насыщения поверхностей. Утверждается, что единственными электролитами с науглероживающим действием оказались ацетон и спирт. При повторении опытов В. С.Ванина обнаружено, что при рекомендуемых режимах на поверхности образцов возникают оплавления. Поэтому после прогрева детали до 900С автор предлагает переключать с постоянного на переменный ток частотой 50 Гц. В результате чистота поверхности значительно улучшается.
В ряде работ отмечается, что диффузия элементов значительно возрастает, когда параллельно с источником питания постоянного тока в цепь включается высокочастотный источник (I...500 кГц) /56 -58, 60-62/, либо применяется импульсный ток /59,63/.
Экспериментами установлено /64/, что диффузия элементов может успешно осуществляться как в стационарных условиях, так и при местном насыщении крупногабаритных деталей.
В работах /65, 66/ приводятся результаты исследования химико-термической обработки в электролитной плазме при анодном процессе. Доказано, что на аноде можно успешно проводить цианирование и азотирование и за несколько минут при температурах 590...850С получить диффузионный слой толщиной 0,4...1 мм с высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами упрочненных деталей /67, 68/.
Оборудование и технология электролитно-плазменного упрочнения
В соответствии с вопросами исследования была разрабо тана и сконструирована лабораторная установка, принципиаль— ная схема которой показана на рис. 2.3. Один из вариантов рабочей ванны, корпус которой сварен из винипласта, представлен на рис.2.4. В качестве материала для анода использовали графит, площадь которого выбиралась в 1,5...5 раза больше площади катода.
Избыточное тепло, выделяемое в прикатодной зоне, отводилось холодильником 9 при циркуляции электролита через дополнительную систему 6,8. В действующей установке применялся холодильный агрегат МХУ - 8С, позволяющий поддерживать температуру электролита в широком диапазоне (20... г» Р Ю0С) при обработке образцов площадью до 3500 мм .
Необходимая температуре на поверхности образцов и деталей поддерживались соответствующим выбором напряжения на электродах ванны.
В качестве источника постоянного тока использовался выпрямленный по мостовой схеме трехфазный ток. Изменение напряжения осуществлялось регулированием напряжения, подаваемого на выпрямитель от РТТ 25/0,5.
Для проведения исследований с наложением высокочастотного тока параллельно источнику постоянного тока 3 включали источник высокой частоты 4 (см.рис.2.3). В качестве такого источника использовали генератор сигналов типа ГЗ-34 и усилитель мощности с выходной мощностью 1,5 кВт. Полоса пропускания усилителя равнялась I...60 кГц. Изменение величины напряжения переменного тока осуществляли регулированием величины сигнала, подаваемого на вход уси лителя от генератора ГЗ-34. Дроссель "Д" и конденсатор "С" служат для устранения влияния источников друг на друга. Частоту переменного тока измеряли ламповым частотомером типа 43-7 (кл.0,5).
Для изучения производительности процесса, микротвердости, равномерности диффузии и фазового состава насыщенных слоев применялись образцы (рис.2.7), покрытые электролитическим железом. Температуру образца контролировали термопарой ЛП-І с записью на диаграммной ленте на приборе КСЇЇ-4. Для этого в донной части образца делалось сквозное отверстие (І,0...І,2мм)? в которое вставлялся и зачеканивался горячий спай термопары. После этого определялась температурная зависимость поверхности образца от приложенного напряжения.
В результате литературного анализа /47, 53, 60 - 62/, а также проведенных предварительных экспериментов нами для исследования выбран электролит состава: этиленгликоль + + Л/аСР (до насыщения). Данный электролит недефицитен, дешев, безопасен в работе. Он легко разлагается под действием электрических разрядов, содержит достаточное количество диффундирующих элементов, имеет высокую температуру вспышки, стабилен в работе. Приготовление электролита осуществлялось растворением добавки при температуре 80...100С.
По окончании процесса насыщения температура образцов снижалась до 820...840С за счет уменьшения напряжения на ванне, затем образцы закаливались в самом электролите путем выключения.тока или перемещались в сосуд с водой, после чего проводили низкий отпуск. Для изучения структуры в нормализованном состоянии после достижения температуры 820...840С образцы охлаждались на воздухе или помещались в нагретый до этой температуры сосуд с раскисленным расплавом солей и охлаждение проводили вместе с печью.
Для проведения лабораторных исследований насыщения с нагревом ІВЧ был использован высокочастотный ламповый генератор марки ВЧИ-Ю-440 номинальной мощностью 10 кВт и частотой 440 кГц.
Поскольку химико-термическая обработка с нагревом ТВЧ может продолжаться в течение нескольких минут, нами собрано устройство на базе двух реле времени типа ВС-Ю, которое периодически включает и выключает генератор по заданной программе (рис.2.5). Для его работы предварительно снимали диаграмму нагрева образца (рис.2.6), покрытого пастой, и с ее помощью определяли время выхода на режим t/t время паузы Ъг и нагрева Ъз при выдержке на изотерме, а также общее время нагрева t . С помощью этих данных устанавливали, соответственно, выдержки на реле времени.
Kaciv.iD.li. Я :.. :;- Кроме того, генератор позволяет плавно уменьшить выходную мощность путем регулирования высоковольтного напряжения, подаваемого к аноду генераторной лампы, что и осуществляли после выхода на режим. По окончании химико-термической обработки образец подстуживали до температуры 820...840С, закаливали, после чего проводили низкий отпуск (I80...200C; 1,5...2,0 ч).
Порядок проведения исследований
С целью образования покрытий с разными параметрами микроструктуры и размерами зерна электролиз проводили при различных условиях.
Параметры субмикроструктуры покрытий перед химико-термической обработкой определяли на рентгеновском дифрак-тометре ДР0Н-І по методике, описанной во П главе. Размер и номер зерна находили согласно ГОСТ 5639-65. Температура обработки была принята равной 940...960С, а для покрытий с трещинами-дополнительно 1100...П40С. Скорость нагрева при выходе на режим при насыщении с нагревом ТВЧ составляла 75...80С/с, а при электролитно-плазмен-ном науглероживании - 50 С/с.
Эффективная глубина диффузии определялась металлографически и равнялась толщине слоя с содержанием углерода или углерода и азота более 0,4/. Одновременно отмечалась и общая глубина проникновения диффундирующих элементов.
Чтобы определить факторы, влияющие на аномальность структуры, термонасыщенный образец охлаждали в интервале температур 400...750С со скоростью 1,52;1,00 и 0,39 С/с. Для этого образец с приваренной к поверхности термопарой после химико-термической обработки помещали в предварительно нагретую до различных температур муфельную печь и охлаждали вместе с печью. Одновременно прибором КСП-4 записывали диаграмму изменения температуры на поверхности образца.
Для изучения влияния закалочной среды на структуру термонасыщенных покрытий закалку проводили в воде или в 10%-ном растворе / он.
Как свидетельствуют результаты опытов, с повышением катодной плотности тока (или снижением температуры электролита) размеры блоков мозаики уменьшаются, а плотность дислокаций и микронапряжения растут (табл.3.1). Влияние этих параметров электролиза на формирование структуры объясняется условиями электрокристаллизации железа /118/.
При электролизе на периодическом токе с обратным импульсом дополнительными факторами, влияющими на формирование структуры, являются катодно-анодные JB и амплитудные оС соотношения прямого и обратного импульсов токов (табл. 3.1). При снижении j& или увеличении oL растут размеры блоков мозаик, а плотность дислокаций и микронапряжения уменьшаются. Следует отметить, что покрытия, полученные при периодическом токе и имеющие приблизительно одинаковые параметры тонкой структуры, по сравнению с покрытиями, образующимися при постоянном токе, осаждаются при более высокой катодной плотности тока, что свидетельствует о более интенсивном процессе электроосаждения железа (см. табл. 3.1, опыты 2 5 и 14).
Следовательно, применение при электроосаждении железа периодического тока с обратным регулируемым импульсом существенно расширяет область получения покрытий с большими размерами блоков мозаики и с минимальным содержанием дефектов кристаллического строения.
Электролитические железные и железо-никелевые покрытия, полученные при периодическом токе с обратным импульсом, по структуре могут быть условно разбиты на три группы /22/: 1. Волокнистая структура ( исх 50 нм). Осадки безтрещиноватые, обладающие ярко выраженной волокнистой (колончатой) структурой (рис.3.2 а и 3.6 а). 2. Переходная структура ( исх = 30...50 нм). Осадки имеют редкие протяженные трещины (рис.3.2 б и З.б б). 3. Дисперсная структура (3)исх 30 нм). Осадки с сеткой трещин (рис.3.2 в и 3.6 в).
При термодиффузионном насыщении как с нагревом ТВЧ (1,5 мин), так и электролитно-плазменным способом (3 мин) найдена тесная зависимость глубины диффузии (общей и эффективной) от параметров исходной структуры железных покрытий (табл.3.I и табл.3.2).
С уменьшением размера зерна (увеличением номера зерна) общая глубина проникновения насыщающих элементов возрастает. Анализ доэвтектоидной зоны насьщенных и охлажденных на воздухе покрытий, показал, что в электролитическом железе на границе зерен образуются скопления углерода или углерода и азота. Это согласуется с выводами авторов /92, 93/ о повышенной активности элементов внедрения по границам зерен.
Электролитно-плазменное науглероживание
Температура процесса при цементации деталей в печах должна составлять 940...960С. Поэтому для достижения оптимальных температур при электролитно-плазменном науглероживании нами исследовалась временная зависимость температуры катода от величины напряжения (рис.4.I). Было обнаружено, что нагрев поверхности образца существенно зависит от напряжения на электродах и времени выдержки. Так, при U. =320 В предельная температура (850С) устанавливается через 1,5 мин, а при LL =390 В она достигает Ю50С в течение 0,5 мин. Скорость нагрева поверхности образца при напряжении 320 В в пределах 250...850С составляет 20С/с, а при напряжении 390 В (в пределах 250...94 1050С) - 53,5С/с. Более медленный нагрев образца в интервале температур "окружающая среда - 250С" соответствует переходному периоду, когда под действием приложенного напряжения и больших плотностей тока электролит вокруг катода переходит в газовое состояние. После образования стабильной газовой оболочки начинаются искровые разряды, способствующие быстрому разогреву образца до температуры обработки. Точка йори, ограничивающая возможность индукционного нагрева, при этом методе не оказывает на него влияния. Кривая нагрева в пределах температур "250 - температура обработки" имеет почти прямолинейный характер. Наклон кривой зависит от приложенного напряжения, т.е. от температуры обработки.
Исследовалось влияние температуры электролита на стабильность процесса. Установлено, что для выбранного состава при температуре раствора 20...80С разряды в прикатод-ной зоне стабильны, а температура поверхности образца не меняется в течение 20 мин.
При повышении температуры электролита свыше 80С происходит сильный выброс электролита из прикатодной зоны. При этом температура образца резко повышается (при неизменном напряжении на ванне), вплоть до температуры плавления металла. Поэтому при проведении опытов температура электролита выдерживалась в пределах 20...55С.
Следует отметить, что нагрев больших образцов (пло-щать которых более 2000 мм , длина свыше 40 мм) затруднен, так как, во-первых, это ведет к быстрому разогреву электролита, в связи с чем необходима дополнительная система для его охлаждения; во-вторых, при нагреве образцов указанной длины, помещенных вертикально в ванне, разность температур в верхней и нижней частях образца достигает 160...200С. Поэтому образцы погружались в электролит на 25 мм, а глубина диффузии определялась в нижней части образца.
Глубина науглероживания зависит от продолжительности процесса и напряжения на ванне (температуры поверхности катода) (рис.4.2 и рис. 4.3). Характер изменения глубины диффузии во времени одинаков при всех температурах (см. рис.4.3). Насыщение поверхности наиболее интенсивно происходит в первые 3...5 минут процесса. Так, глубина диффузии в течение первых 5 мин достигает 0,30 мм ( С- 950С). В последующие 5 мин процесса толщина науглерожвнного слоя увеличивается лишь на 0,08 мм.
Скорость науглероживания можно существенно повысить за счет увеличения температуры нагрева образца, т.е. вследствие увеличения приложенного в ванне напряжения (см. кривые 2,3 рис. 4.3). Повышение температуры обработки с 850С до Ю50С при выдержке 5 мин способствует увеличению глубины диффузии в два раза.
В процессе только нагрева до температуры термодиффузионного насыщения (обработка без выдержки на изотерме) также наблюдается науглероживание поверхности. При этом чем выше температура нагрева образца, тем больше глубина диффузии. Так, при нагреве до температуры 850С глубина диффузии составляет 0,025 мм, а до Ю50С - 0,060 мм.
