Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса, цель и задачи исследования 6
1.1 Применение алюминиевых сплавов в сельскохозяйственном машиностроении 6
1.2 Восстановление и упрочнение деталей из алюминиевых сплавов 7
1.2.1 Способы восстановления 7
1.2.2 Способы упрочнения 15
1.3 МДОд как способ поверхностного упрочнения деталей из алюминиевых сплавов и его применение в ремонтном производстве 18
1.4 Выводы, цель и задачи исследования 25
2. Теоретическое определение продолжительности разрушения покрытия от давления, создаваемого продуктами коррозии 27
2.1 Определение давления, создаваемого продуктами коррочии, на начальной стадии коррозионного разрушения металлической основы под керамическим покрытием 27
2.2 Определение продолжительности начала разрушения керамического покрытия под воздействием давления продуктов коррозии металлической основы 32
2.3 Выводы 35
3 Методики экспериментальных исследований 36
3.1 Оборудование и материалы для проведения исследований 36
3.2 Методика исследования толщины покрытий 41
3.3 Методика исследования микротвердости покрытий 41
3.4 Методика проведения рентгеноструктурного анализа 42 Знб Методика исследования внутренних напряжений 43
3.5 Методика исследования пористости покрытий 45
3.7 Методика коррозионных испытаний 49
3.8 Методика испытаний на изнашивание 51
4 Результаты исследований и их обсуждение 55
4.1 Толщина и скорость формирования покрытий 55
4.2 Микротвердость покрытий 62
4.3 Рентгеноструктурный анализ 64
4.4 Внутренние напряжения 65
4.5 Пористость покрытий 68
4.6 Коррозионная стойкость покрытий 76
4.7 Определение продолжительности начала разрушения покрытия за счет коррозии металлической основы под воздействием агрессивной среды 80
4.8 Износостойкость покрытий 82
4.9 Эксплуатадионные испытания 85
4.10 Выводы 86
5 Технологический процесс и его технико-экономическая эффективность 88
5.1 Анализ технического состояния изношенных крышек распределительных шестерен двигателя ЗМЗ-53 88
5.2 Технологический процесс восстановления и упрочнения крышек распределительных шестерен двигателя ЗМЗ-53 90
5.3 Экономическая эффективность восстановления и упрочнения крышки распределительных шестерен двигателя ЗМЗ-53 96
5.4 Выводы 103
Общие выводы 104
Литература
- Применение алюминиевых сплавов в сельскохозяйственном машиностроении
- Определение давления, создаваемого продуктами коррочии, на начальной стадии коррозионного разрушения металлической основы под керамическим покрытием
- Оборудование и материалы для проведения исследований
- Определение продолжительности начала разрушения покрытия за счет коррозии металлической основы под воздействием агрессивной среды
Введение к работе
В сложившихся экономических условиях проблема технического оснащения сельскохозяйственного производства не может быть решена только за счет увеличения поступления новой техники. Большая роль в этом отводится эффективному использованию имеющегося парка машин, постоянному поддержанию его готовности за счет технического обслуживания, а также развитию и совершенствованию технологических процессов их ремонта.
В современных машинах различного назначения все шире применяются детали из алюминиевых сплавов, к которым в последнее время проявляется все больший интерес, что обусловлено их малым удельным весом, высокой удельной прочностью, удовлетворительной коррозионной стойкостью, хорошей способностью к формоизменению путем литья, давления и резания, высокой тепло- и электропроводностью [1]. В связи с этим восстановление деталей машин, изготовленных из алюминиевых сплавов, является очень актуальным в последние годы, В ремонтном производстве для восстановления большой номенклатуры деталей из алюминиевых сплавов все шире стали применять пайку. К основным преимуществам пайки можно отнести: простоту и низкую стоимость используемого оборудования, экологичность процесса. Основной недостаток - низкая износо- и коррозионная стойкость напаянного металла. Одним из способов повышения долговечности поверхностей деталей из алюминиевых сплавов, восстановленных пайкой, является упрочнение микродуговым оксидированием (МДО). Способ МДО позволяет получать покрытия, характеризующиеся высокими износо- и коррозионной стойкостью, об этом свидетельствуют работы Батищева A.FL, Новикова A.R, Черненко В.И., Малышева В.Н., Федорова В.А., Маркова Г.А., Спежко Л.А., Суминова И.В., Гордиенко П,С, Великосельской Н.Д,, Эпельфельда А.В., Кузнецова ЮЛ. и др.. Применение данных покрытий для поверхностного упрочнения деталей восстановленных пайкой позволит увеличить ресурс машин и является перспективным направлением развития ремонтного производства.
Научная новизна работы: Установлено влияние состава электролита и режимов МДО на толщину, скорость формирования, микротвердость, пористость и фазовый состав покрытии, сформированных на напаянном припое ПА-12. Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено, что продолжительность начала разрушения покрытия зависит от его толщины, физико-механических свойств и скорости коррозии металлической основы, а так же от давления, создаваемого продуктами коррозии.
Практическая ценность работы заключается в разработке технологии упрочнений МДО восстановленных пайкой деталей из алюминиевых сплавов. Технология апробирована на примере восстановления поверхности под крыльчатку водяного насоса крышки распределительных шестерен двигателя ЗМЗ-53.
На защиту выносятся следующие основные положения;
Теоретическое определение продолжительности разрушения покрытия под давлением продуктов коррозии металлической основы в результате воздействия на нее агрессивной среды, проникающей через сквозные поры покрытия.
Результаты экспериментальных исследований по изучению влияния состава электролита и режимов МДО на толщину, скорость формирования и пористость покрытий.
3. Результаты исследований микротвердости, рентгеноструктурного
анализа, внутренних напряжений, износо- и коррозионной стойкости, экс
плуатационных испытаний покрытий.
4. Технология упрочнения МДО восстановленных пайкой деталей из
алюминиевых сплавов.
Работа выполнена на кафедре «Надежность и ремонт машин» ФГОУ ВПО «Орловский государственный аграрный университет».
Применение алюминиевых сплавов в сельскохозяйственном машиностроении
В настоящее время алюминиевые сплавы но объему производства и потребления занимают второе место в мире, после стали, которые все шире используются в различных отраслях народного хозяйства. При их производстве к алюминию добавляют медь, магний, кремний, цинк, марганец и ряд других легирующих металлов. Сплавы на основе алюминия очень технологичны, их можно обрабатывать давлением при различных температурах, изделия из них можно готовить методами прокатки, вытягивания, штамповки, ковки, прессовки. Рассматриваемые сплавы обладают такими ценными свойствами, как легкость, высокая прочность в сочетании с малой плотностью, удовлетворительная коррозионная стойкость, хорошая тепло- и электропроводность [1, 2]. Во многих областях промышленности алюминиевые сплавы почти вытеснили традиционно применяемые металлы и сплавы [I], Немалое значение имеет возможность соединения деталей из алюминиевых сплавов в различные конструкции с помощью сварки, пайки, склеивания и других способов, а также способность к нанесению защитных и декоративных покрытий.
Удовлетворительная коррозионная стойкость алюминиевых сплавов позволяет применять их для производства узлов и деталей машин, работающих в условиях воздействия агрессивных сред [4, 5]. При производстве различных изделий находят применение, как литейные, так и деформируемые алюминиевые сплавы, однако пока предпочтение отдается литейным [1, 2]. Последние применяются для производства широкой номенклатуры деталей сельскохозяйственной техники. 1.2 Восстановление и упрочнение деталей из алюминиевых сплавов
Способы восстановления
Наряду с положительными, алюминиевые сплавы обладают такими специфическими свойствами, как невысокая твердость, пластичность, присутствие на поверхности оксидной пленки, при нагревании быстро переходят из твердого состояния в жидкое, что усложняет проведение ремонтно-восстаповительных работ с деталями из этих материалов.
В настоящее время применяются следующие способы восстановления изношенных поверхностей таких деталей: нанесение полимерных материалов и гальванопокрытий, газотермические методы напыления, наплавку, нанку.
Полимерные материалы и их композиции находят все более широкое применение в ремонтном производстве из-за простоты нанесения и невысоких капитальных затрат на необходимое оборудование [9]. В качестве полимерных материалов применяют клеи, эпоксидные и полиамидные смолы, пресс - порошки, анаэробные герметики и ряд других композиций [9]. Полимерные материалы при ремонте машин применяются для следующих целей; восстановления размеров изношенных деталей, заделки трещин и пробоин, упрочнения резьбовых соединений и неподвижных посадок, антикоррозийной защиты, склеивания деталей и материалов, для герметизации сварных, заклепочных и резьбовых соединений [10,11,12,13].
Использование полимерных композиций в ремонтном производстве ограничивается их токсичностью, низкой теплопроводностью и адгезией, склонностью к усталостному выкрашиванию и не высокой износостойкостью [14, 15]. Электролитические гальванические покрытии применяют для восстановления размеров изношенных деталей, придания их поверхностям высокой твердости и износостойкости, а так же защиты деталей от коррозии [16, 17, 19, 20, 21, 22, 153]. Для восстановления деталей из алюминиевых сплавов перспективными гальванопокрытиями являются сплавы цинк-железо, цинк-никель и некоторые другие.
Следует отметить, что покрытия, нанесенные электролитическими методами, характеризуются сравнительно невысокой адгезией с основой и мнот-операционностью, а также большим расходом необходимых химических реактивов, в результате чего ежегодно в сточных водах гальванических цехов теряется более 0,46 тыс. тонн меди, 3,3 тыс. тонн цинка, десятки тысяч тонн кислот и щелочей. Помимо указанных потерь соединения меди и цинка, выносимые сточными водами гальванического производства, оказываюг весьма вредное влияние па экологию, что требует необходимого применения дорогостоящих специальных очистных сооружений [23, 24, 25, 26,27, 28].
Газотермическое напыление представляет собой нанесение покрытия на поверхность детали с помощью высокотемпературной скоростной струи. Технологии гаэотермического напыления позволяют наносить покрытия толщиной 0,2...5 мм. На их долю приходится примерно 25% всех объемов восстановления [29, 30, 311. В качестве материала для напыления используются различные металлы, сплавы, соединения металлов с оксидами, пластмассы, который может иметь форму металлической проволоки, порошков, прессованных прутков (порошковой проволоки) [32,33, 34, 35].
Определение давления, создаваемого продуктами коррочии, на начальной стадии коррозионного разрушения металлической основы под керамическим покрытием
Потери от коррозии исчисляются миллионами рублей ежегодно. Скорость коррозии измеряют Б граммах разрушаемого материала за один час с одного квадратного метра металлической поверхности. Существует много способов борьбы с коррозией. Можно защищать металл от нее, уменьшая агрессивность среды, в частности введением в эту среду ингибиторов -замедлителей коррозийных процессов, а можно покрывать металлическую поверхность не поддающимся коррозии материалом. Например, оксидные покрытия, сформированные на алюминиевых сплавах способом МДО, являются электрохимически инертными [74]. В этом случае коррозионному разрушению, то есть процессу самопроизвольного разрушения, подвергается металлическая основа, вследствие проникновения агрессивной среды через сквозные поры покрытия,
В настоящее время существует множество теорий, описывающих микро-и макропористость. Они предлагают к рассмотрению несколько моделей пор, таких как цилиндрическая, щелевая, сферическая, "бутылкообразная" и др. Известный американский ученый Фостер [101], объясняя гистерезис при сорбции паров, предполагал, что поры в твердом теле имеют цилиндрическую форму и открыты с обоих концов, В процессе адсорбции формируется адсорбционный слои, который по мере увеличения давления становится все толще до тех пор, пока пора полностью не заполнится адсорбатом с образованием «мениска»., имеющего полусферическую (или похожую на часть сферы, например параболическую) форму с некоторыми радиусами кривизны.
Начало формирования нерастворимых продуктов коррозии под оксидным покрытием в области сквозной поры приводит к возникновению растягивающих напряжений за счет увеличения объема продуктов коррозии.
На основании проведенных исследований можно сделать допущение, что сквозная пора, через которую агрессивная среда проникает к металлической основе, имеет в сечении круг радиуса R (рисунок 2.1) Ввиду того, что в природе многие физические законы движения (распространения) тесно связаны с уравнениями кривых второго порядка, таких как окружность, эллипс, парабола и гипербола, предположим, что сформировавшиеся продукты коррозии за период времени / имеют условно форму параболоида вращения с образующей кривой (параболой) y=k(R -х ) при вертикальном сечении, где ось Ох направлена вдоль поверхности металлической основы, а ось Оу перпендикулярно ей через цетттр рассматриваемого круга радиуса R (k = const) (рисунок 2.1). Данное предположение подтверждается исследованиями повреждений металлической основы ряда деталей, работающих в условиях воздействия агрессивных сред (рисунок 2,2).
Известно, что окружность, эллипс, парабола и гипербола могу? быть получены на ошове одной и той же днрокіориальни-фоіапшой конструкции. Все различие лишь Б значении з&ецштріїситета. Выбор параболы в качестве образующей кривой сделан на основании ей замечательного свойства: парабола - зю множество всех точек, равноудаленных от некоторой точки внутри «мениска» и от поверхности металлической основы (фокуса и директрисы). Как и-шесшо зі о свойешо параболы называется директоршешшм свойством. Парабола обладает также? оптические СВ0ЙС1ВОМ. Гели представить себе, что из фокуси параболы испускаются лучи света, то, поскольку угол пален щ равен углу отражения, все отраженные лучи будут параллельны ОСИ параболы [102], На этом свойстве параболы; основано устройство параболических іеркаії, прожекторов теггадотов и антени.
Началу образования продуктов коррозии под покрытием в зоне поры предшествует инкубационный период /„ зависящий от различных свойств конкретного покрытия и коррозионной стойкости металлической основы. В течение инкубационного периода Р-0, следовательно можно выразить константу
Таким образом, давление, создаваемое продуктами коррозии металлической основы, под оксидным покрытием в текущий момент времени / на начальной (первой) стадии коррозионного разрушения будет вычисляться по формуле:
В случае, когда усилие, способствующее отрыву покрытия от металлической основы в зоне поры, будет создавать по линии контура напряжения равные или больше прочности сцепления покрытия и металлической основы может происходить отрыв оксидного покрытия. В связи с этим, за начало отрыва оксидного покрытия от металлической основы в зоне единичной поры принято продолжительность времени, в течение которого усилие отрыва достигнет критического значения. Критическое значение усилия отрыва определяется прочностью сцепления покрытия и металлической основы на длине контура формирующстхея продуктов коррозии.
Анализ второй стадии процесса коррозионного разрушения оксидированных алюминиевых сплавов показал, что оксидное покрытие, оторвавшись от металлической основы, образует на его поверхности выпуклость в виде части кругового параболоида (рисунок 2.3). В конце второго периода покрытие, образовавшее часть параболоида, разрушается в момент, когда под действием давления продуктов коррозии напряжения в покрытии превышают предел его прочности.
Оборудование и материалы для проведения исследований
Толщину покрытия, сформированного МДО на напаянных алюминиевым припоем образцах (рисунок ЗЛ), определяли с помощью вихретокового толщиномера ВТ-201 (сертификат RILC.27.004. А № 12735) [156]. Погрешность измерения не превышала значения, определяемого по формуле: AnoKp=±(0,03S-M,0),MKM, (ЗЛ) где S - измеряемое значение толщины.
Толщину упрочненного слоя измеряли после удаления рыхлого слоя покрытия шлифованием наждачной бумагой, что определяли по стабилизации размеров образца, В качестве толщины покрытия брали среднюю величину из 20 измерений после исключения аномальных значений в выборке. Линейные размеры образцов до нанесения покрытия контролировали рычажным микрометром МР-25 ГОСТ 4381-87. Погрешность измерения составляла не более 2 мкм.
Измерение микротвердости покрытий, сформированных МДО, осущест вляли на поперечных шлифах по его толщине методом восстановленного от печатка на приборе ПМТ-ЗМ, учитывая требования ГОСТ 9450-76. Нагрузка на алмазный наконечник в форме четырехгранной пирамиды с углом при вершине составляла 1,96Н [105]. Исследуемый образец (рисунок ЗЛ) размещался на предметном столике прибора таким образом, чтобы при изме рении он не смещался, не прогибался и не поворачивался. Погрешность измерения отпечатка составляла не более 0,3 мкм.
При изготовлении шлифов режимы их обработки подбирались такими, чтобы обеспечивалась сохранность структуры металлической основы [106, 107]. Перед измерениями образцы шлифовали наждачной бумагой до удаления рыхлого слоя покрытия, а затем полировали. Число твердости Н определяли по таблицам [108].
С целью выявления структуры и влияния легирующих элементов алюминиевого припоя на состав и свойства покрытия проводили его фазовый анализ. При этом исследовали упроченный слой по толщине покрытия. Состав и структуру изучаемых покрытий исследовали путем снятия послойных рентгенограмм на дифрактомере ДРОН-ЗДМ [109, 110, 111, 112, 113, 114, 115, 116, 117]. После измерений вычислялось среднее по каждой фазе, составляющей покрытие для каждого из слоев оксидного покрытия.
Анализ фазового состава осуществляли с помощью программы «X-RAY» (МИСиС) и банка данных о межплоскостных расстояниях 150000 табличных фаз. Исследования проводили рентгендифрактометричесіси в моно-хроматшированном FeKa - излучении (монохроматор-графит).
Точность определения положения дифракционных максимумов - 0,01 угловых градусов. Чувствительность прибора (минимальное количество определяемой фазы) -2%.
Методика исследования внутренних напряжений
Определение внутренних напряжений проводили на портативном рентгеновском дифрактометре ДРП-3 (рисунок 3,6). Основные технические характеристики ДРП-3 приведены в таблице 3,2 За счет особенностей своей конструкции дифрактометр ДРП-3 обеспечивает возможность определения остаточных и действующих напряжений, возникающих в деталях и конструкциях различного назначения при их изготовлении, эксплуатации и восстановлении, ДРП-3 позволяет последовательно определять напряжения в заданных направлениях, а также сумму главных напряжений в поверхностном слое металла деталей и конструкций.
Рентгеновский дифракционный метод является единственным прямым метолом определения внутренних напряжений. Контроль соответствия угловых положений пиков их истинному положению осуществляйся по стандартному образну периода решетки. Оперативная проверка истиякости получаемых, данных осуществляется в процессе исследований по техническому стандартному образцу, который не имеет осіатонны напряжений. Шсіройка гониометра для выполнения условий точной фокусировки производится с помощью падерного устройства установки фокуса.
Точность определения положения пика (угла дифракции) составляет (Ш градуса/канал, 190 каналов/градус- Точность определения значений остаточных напряжений составляет Ь,Ш% в чтцелшост от ндследуемого материала юдилйя.
Исследования внутренних няпргжеммй проводили на новой, восстановленной пайкой и аргоподуговой наплавкой деталях.
Определение продолжительности начала разрушения покрытия за счет коррозии металлической основы под воздействием агрессивной среды
Время продолжительности начала отрыва покрытия от металлической основы рассчитывалось по формуле (2,18) изложенной в теоретической части.
Скорость коррозии "и" определялась по методике, изложенной в ГОСТ 9.308-85, по изменению массы образца при испытаниях, проведенных в авто-клавной установке за 600ч в режиме JNEI4 И составила 0,0912 г/м2ч
Продукты коррозии основы, обнаруженные под отслоившимся покрытием, были определены, с помощью рентгеноструктурного анализа, как гидрооксид алюминия А1(ОН)з (рисунок 4.28) имеющий удельный вес у = 2350 кг/м и модуль деформации ЕП[с= 250кгмм" [135],
Коэффициент увеличения объема "т" продуктов коррозии принимаем равный 3,779 по аналогии с изменением объема алюминиевого сплава при формировании А1(ОН)3 [137]. (Скорость тшж&Шїж покрытий сфирміїра&аишж па припое ПА-12 составила Д30? Рч. ЕТО ьрегш как оораіцоп ( еч покрытий 03028 г/ч (рисунок 4.32). Таким обраюм, ешрость шпаошвашя образцов с покрытиями в 4 раза ПИЖУ скорости йтттштя обращен без нею. Выло так же отмечено, что скорость шіі.шившш5і шяирибртщт при трении но покрытию выше, нем без неш в L42 pa ias по сумшріш сшростъ изп&пшаания пары трения с ке ралшчесщш нокрьп й\і шш&н&съ ниже о 3,67 раж
После испытшми поверхности образцов без покрытия буди покрыты цар&пишши - следами изнашивания, возникающими о результате воздействия абрагшвпых частий и схватываниям (рисунок 433а), Напротив, поверхности образцов с покрытиями в меньшей степени подверглись влиянию абразивных частиц и їттптштю (рису/кж 4,336). Отсутствовали царапины, ,т« три и риски, нто говорит об их высокой твердости и износостойкости.
Очевидно причины высокой шниеое тонкости покрытий, полученных МДО следует № мьшпъ С ИХ ішавьш составом. Можно предположив ч ЇХЇ структурные .модификации оксида-алюминия в покрытиях, сформированных МДО, образуют между собой прочный тип межмолскулярной связи. Ряд авторов гшже укйчывшт на то, чго керймпческое шжрьпие является комшш-ционньш материалом, впггорый прекрасно сочетает в себе іггиосительнуш пластичность магрицы. состоящую и-з гвернозо раствора муллита ЗАЬОз х 2Si02 с незначительным количеством у-АІіОз и сложнооксидпых соединений элементов основы с упрочняющей фазой а -АІ2О3, которая, главным образом, и обеспечивает их высокую изностойкость [79, 128]. В ряде работ отмечено, что износостойкость покрытий, сформированных способом МДО, можно практически сравнить с износостойкостью композиционных материалов на основе карбидов вольфрама, зачастую применяющихся против абразивного изнашивания материалов [41, 92,].
Таким образом, проведенные исследования триботехпических характеристик позволили установить, что пары трения с покрытиями, сформированными Б электролите, содержащем КОН - 3 і/л; Na2Si03 - 10 г/л на режимах: Дг = 20 А/дм ; Т№« 2 ч; 1 -20С, обладают высокой износостойкостью и могут быть рекомендованы для упрочнения в узлах трения напаянных припоем ПА-12 поверхностей деталей, работающих и условиях абразивного и гидроабразивного изнашивания, например подшипниковых и поджимных обойм гидравлических насосов типа
