Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 16
1.1. Анализ условий работы валиков водяных насосов 16
1.2. Анализ дефектов валика водяного насоса 19
1.3. Методы восстановления деталей типа «вал» 21
1.3.1. Наплавка 22
1.3.2. Плазменное напыление 22
1.3.3. Диффузионная металлизация 25
1.3.4. Гальванические покрытия 26
1.3.5. Газофазная металлизация 27
1.4. Цель и задачи исследования 35
2. Теоретическое обоснование восстановления деталей типа «вал» гальванога зофазным хромированием 36
2.1. Восстановление изношенных деталей гальваническими покрытиями 36
2.1.1. Сущность процесса нанесения гальванических покрытий 36
2.1.2. Механизм электродных процессов при хромировании 38
2.1.3. Механизм формирования кристаллов 42
2.1.4. Механизм формирования осадков 45
2.1.5. Влияние параллельной реакции выделения водорода на осаждение хромовых покрытий 46
2.1.6. Кристаллическая структура хромовых покрытий 49
2.1.7. Влияние условий электролиза на структуру и свойства электролитических покрытий 50
2.1.8. Хромовые гальванические покрытия, применяемые в ремонтном производстве 54
2.1.9. Обоснование выбора электролита и режима нанесения гальвани ческого покрытия 59
2.2. Восстановление изношенных деталей газофазной металлизацией 61
2.2.1. Сущность процесса газофазной металлизации 61
2.2.2. Выбор исходного соединения для осаждения хрома 64
2.2.3. Теоретическое обоснование протекания реакций термической диссоциации гексакарбонила хрома 66
2.2.4. Механизм образования карбонильных металлопокрытий 68
2.2.5. Влияние режима металлизации на структуру и свойства карбонильных хромовых покрытий 73
2.3. Обоснование восстановления деталей типа «вал» гальваногазофазным хромированием 19
2.4. Выводы 88
3. Методика экспериментальных исследований 89
3.1. Алгоритм исследований 89
3.2. Практическая апробация теоретических исследований гальваногазофазных покрытий 90
3.3. Экспериментальное оборудование, оснастка, измерительные средства и приборы 91
3.3.1. Подготовка образцов 91
3.3.2. Нанесение покрытий 92
3.3.2.1. Нанесение гальванического подслоя и его травление 93
3.3.2.2. Нанесение газофазного хромового слоя 94
3.3.3. Определение выхода по току и скорости осаждения гальванического хрома 103
3.3.4. Определение микротвердости покрытий 104
3.3.5. Определение внутренних напряжений 105
3.3.6. Определение прочности сцепления покрытия с основой 106
3.3.7. Определение износостойкости 107
3.3.8. Определение микроструктуры и морфологии покрытий 108
3.3.9. Определение элементного состава полученных покрытий 110
3.3.10. Определение фазового состава покрытий методом рентгеноспектрального микроанализа 112
3.4. Математическое планирование эксперимента 113
3.5. Выводы 116
4. Результаты исследований двухслойных гальваногазофазных хромовых по крытай 117
4.1. Разработка математической модели и поиск оптимальных параметров ведения процесса 117
4.1.1. Оценка результатов проведенного эксперимента 117
4.1.2. Проверка адекватности модели по критерию Фишера 124
4.1.3. Поиск оптимальных параметров ведения процесса 125
4.1.4. Исследование поверхности отклика 129
4.2. Микротвердость покрытий 134
4.3. Сцепляемость покрытия с основным металлом 136
4.4. Внутренние напряжения и их связь с эксплуатационными свойствами покрытий 140
4.5. Износостойкость покрытий 142
4.6. Исследование микроструктуры и морфологии покрытий 144
4.7. Исследование фазового и элементного состава покрытий 148
4.8. Эксплуатационные испытания 157
4.9. Выводы 159
5. Разработка технологии восстановления валиков водяных насосов гальвано газофазным хромированием и экономическая оценка проекта 161
5.1. Экономическая эффективность восстановления валиков водяных насосов гальваногазофазным хромированием 166
5.2. Выводы 174
Общие выводы 175
Литература
- Анализ условий работы валиков водяных насосов
- Восстановление изношенных деталей гальваническими покрытиями
- Практическая апробация теоретических исследований гальваногазофазных покрытий
- Разработка математической модели и поиск оптимальных параметров ведения процесса
Введение к работе
Реформирование народного хозяйства России, переход на рыночные отношения в условиях массового дефицита и монополизма производителей автотракторной техники отрицательно сказалось на производственно-техническом потенциале во всех сферах экономики нашей страны. Проводимые в 90-е годы в России экономические реформы поставили в сложные условия и ремонтно-обслуживающую базу автомобильного транспорта. В результате этого многие предприятия и товаропроизводители несут значительные убытки и являются мало или полностью неплатежеспособными в части приобретения автотракторной техники, запасных частей, материалов, сырья и пр. Также значительно возросла стоимость услуг ремонтно-обслуживающих предприятий, что повлекло за собой значительное снижение объема указанных услуг из-за непоступления из предприятий ремфонда. Производственная мощность специализированных ремонтных предприятий используется лишь на 10 - 15% и им приходится заниматься несвойственной их профилю деятельностью. Во многих хозяйствах не соблюдаются правила технической эксплуатации и хранения машин. Большое количество машин простаивает из-за недоброкачественно выполненного обслуживания. Много техники изнашивается преждевременно и списывается.
Аналогичная ситуация складывается и с тракторами и сельхозмашинами. По данным ГОСНИТИ в период с 1993 по 2003 годы общее число тракторов снизилось с 1320 до 830 тыс. штук при минимально допустимом уровне 1250 тыс. штук. Около 60% тракторов находится в эксплуатации свыше 10 лет, коэффициент обновления составляет 0,7...0,8. Начавшиеся в последнее время поставки новой техники по лизинговому фонду пока себя не оправдали, так как они обеспечивают только до 2,5% новых единиц в составе машинно-тракторного парка хозяйств. В результате сложившейся ситуации происходит увеличение нагрузки на технику, находящуюся в эксплуатации, что в свою очередь увеличивает затраты на ремонт, требует дополнительного количества запасных частей и расширения их номенклатуры. Для коренного изменения сложившейся ситуации, в стране начиная с 2006 года разработана и принята к ис-
11 полнению приоритетная национальная программа подъема всего сельскохозяйственного комплекса.
Эксплуатация машин без хорошо организованного восстановления деталей, практически невозможна, так как вызывает необходимость иметь большое количество новых запасных частей в пропорциях, трудно поддающихся предварительному планированию. Восстановление деталей машин обеспечивает экономию высококачественного металла, энергетических и трудовых ресурсов, а также рациональное использование природных ресурсов и охрану окружающей среды.
Большинство машин и оборудования (80-85%) выходит из строя в результате износа подвижных деталей. Потери металла в нашей стране из-за коррозии и износа составляют десятки миллионов тонн и оцениваются миллионами долларов [50]. Огромные материальные и трудовые ресурсы расходуются на изготовление запасных частей и ремонт техники. Например, в сельскохозяйственном машинотракторном парке отремонтированные машины составляют 80-95%. Затраты средств на капитальный ремонт тракторов и автомобилей составляют более 50% их стоимости. Только на запасные части для дизелей общего назначения тратится более 30% черных и 50% цветных металлов от их веса, расходуемого на изготовление новых [61, 105]. Снижение затрат труда и средств на техническое обслуживание и ремонт автотракторной техники - один из резервов повышения эффективности производства и снижения себестоимости продукции. Поэтому предусматривается резкое увеличение сети специализированных предприятий по восстановлению деталей, узлов и агрегатов машин.
По данным ГОСНИТИ 85% деталей восстанавливают при износе не более 0,3 мм, то есть их работоспособность восстанавливается при нанесении покрытия незначительной толщины. В то же время, применение металлопокрытий при восстановлении деталей позволяет повысить их износостойкость и долговечность в ряде случаев в несколько раз, а также сократить затраты энергии и металлов в 25 - 30 раз по сравнению с изготовлением новых деталей.
По информации ВНИИТУВИДа «Ремдеталь» объемы восстановления деталей к 2007 году должны вырасти до 1255 млн. рублей. Удельный вес восстановленных деталей от поставки новых должен составлять не менее 30%, в настоящее время он не превышает 7%. Это позволит произвести экономию металла в количестве 2 млн. 125 тыс. тонн.
Восстановленные детали в большинстве случаев не снижают своих эксплуатационных характеристик, причем стоимость восстановления деталей до прежних размеров ниже стоимости новых. Себестоимость восстановления не должна превышать 25...45% от стоимости новых деталей. Ресурс восстановленных деталей, составляет обычно не менее 85 - 95%, а для деталей, восстановленных с использованием упрочняющих технологий, составляет в среднем 120 - 150%. Исключительную перспективу приобретают процессы, сочетающие восстановительные операции с упрочнением, при которых эксплуатационные характеристики деталей (износостойкость, усталостная прочность, ударная вязкость) превосходят характеристики деталей основного производства, в ряде случаев, в несколько раз [55]. Очевидно, что увеличение срока службы деталей машин хотя бы в два раза даст колоссальный экономический эффект.
Как показывает практика, при ремонте автомобилей на сборочные элементы двигателей внутреннего сгорания падает значительная доля отказов. По заключению экспертов установлено, что в общем ремонте автомобиля доля ремонта охлаждающей системы занимает 21% [105].
Характерными для деталей двигателей являются отказы, вызванные механическим изнашиванием, а также коррозией их поверхностей, поэтому борьба с разрушениями деталей идет по двум направлениям:
использованием эксплуатационных материалов с пониженной агрессивностью к металлам, их сплавам и уплотняющим и соединительным резиновым деталям, а также обеспечивающих смазку трущихся поверхностей;
применением новых технологий при ремонте и изготовлении деталей.
Учитывая, что детали типа «вал», как правило, подвержены кроме коррозионного разрушения еще и механическому изнашиванию, наиболее перепек-
13 тивным, очевидно, является второе направление. Применение новых, перспективных технологий при ремонте деталей двигателей типа «вал», в том числе и валика водяного насоса позволяет повысить как износостойкость, так и коррозионную устойчивость детали.
Как широко известно в практике, а также подтверждено многочисленными исследованиями [55], наиболее износостойкими являются поверхности восстановленные хромовыми покрытиями. Хромирование является наиболее совершенным методом восстановления изношенных деталей машин. Исключительно высокие свойства хромового покрытия - твердость, износостойкость и химическая стойкость - обеспечили этому методу быстрое и широкое внедрение во все отрасли машиностроения, в том числе и в ремонтное производство с использованием методов гальванической и газофазной металлизации.
Однако распространение гальванических методов нанесения хромовых покрытий сдерживается рядом недостатков [39, 59, 74, 75]: малая скорость осаждения хрома; неравномерная толщина получаемых осадков; дефицитность хромового ангидрида; высокая стоимость хромирования; высокая агрессивность хромовых электролитов; низкая экологичность процесса.
Высокие качества хромовых покрытий с одной стороны и наличие ряда отрицательных показателей процесса гальванического хромирования, с другой, требуют проведения ряда опытных и теоретических работ по комбинированному применению гальванического хромирования в сочетании с другими технологическими процессами.
В то же время, практика показывает, что во многих случаях целесообразно использовать иные методы, в частности химические.
В последнее время в ремонтном производстве приобретает популярность парофазный (или газофазный) метод термического разложения легколетучих металлорганических соединений [99, 100], позволяющий получать металлические слои при температурах, гораздо ниже температур плавления данных металлов и сплавов. Наиболее перспективными в качестве исходных веществ оказались карбонилы металлов и их соединения.
По сравнению с другими методами получения металлических пленок и покрытий, такими, как испарение в вакууме, катодное распыление, химическое и электрохимическое осаждение и др. метод газофазной металлизации обладает рядом преимуществ [98,99]:
а) очень большая твердость получаемых покрытий;
б) высокая плотность (беспористость) покрытий;
в) высокая скорость металлизации;
г) низкие температуры металлизации.
Однако и газофазная металлизация не лишена недостатков. Так, например, в случае газофазного хромирования наблюдается неудовлетворительная адгезия покрытия непосредственно к стальным деталям, которая гораздо ниже, чем при гальваническом хромировании и недостаточна для получения качественных антикоррозионных и износостойких хромовых покрытий.
С учетом вышеизложенного в работе ставится цель, заключающаяся в повышении прочностных характеристик поверхностей деталей типа «вал» двигателей внутреннего сгорания путем разработки технологии восстановления и упрочнения данных деталей гальваногазофазным хромированием. Данный метод заключается в нанесении газофазного хромового покрытия на пористый подслой гальванического хрома, сочетая достоинства этих двух методов и, почти, исключая их недостатки. При этом на подготовленную поверхность детали будет наноситься слой гальванического хрома, служащий для создания требуемой адгезии, на который будет наноситься дополнительный (упрочняющий) хромовый слой методом газофазной металлизации. Это позволит получать качественные износостойкие хромовые покрытия с высокими физико-механическими свойствами, незначительными материальными затратами (в случае массового восстановления деталей) и достигая при этом некоторого повышения производительности.
В качестве объекта исследования выступает технология восстановления и упрочнения поверхностей деталей типа «вал» двигателей внутреннего сгорания гальваногазофазным хромированием.
15 Для достижения поставленной цели нами были определены следующие задачи исследования:
Теоретически обосновать возможность восстановления и упрочнения малоизношенных деталей автотракторной техники типа «вал» гальваногазофазным хромированием;
Исследовать условия осаждения газофазного хрома на подслой гальванического хрома в различных технологических режимах, а также изучить влияние пористости гальванического подслоя, получаемой анодным травлением на физико-механические свойства получаемых покрытий;
Исследовать физико-механические свойства, структуру и морфологию, фазовый и элементный составы гальваногазофазных хромовых покрытий и произвести их сравнение с гальваническими хромовыми покрытиями, как с существующей технологией восстановления валиков водяных насосов;
Исследовать эксплуатационные свойства восстановленных деталей;
Разработать технологию восстановления валиков водяных насосов гальваногазофазным хромированием и на основании сравнения с существующей технологией восстановления данных деталей гальваническим хромом произвести ее технико-экономическую оценку;
На базе исследований разработать рекомендации по применению гальваногазофазного хромового покрытия при восстановлении и упрочнении валиков водяных насосов.
Решение этих задач позволит получить гальваногазофазные хромовые покрытия в различных технологических режимах, произвести всеобъемлющее исследование их физико-механических, химических и эксплуатационных свойств и на основании проведенного исследования разработать технологию восстановления и упрочнения валиков водяных насосов гальваногазофазным хромированием с разработкой рекомендаций по использованию предлагаемого технологического процесса в ремонтном производстве.
Анализ условий работы валиков водяных насосов
Наиболее сложным узлом в системе охлаждения автотракторной техники является водяной насос см. рисунок 1.1. В автомобильных и тракторных двигателях применяют компактные, одноступенчатые центробежные насосы с напором 0,04 - 0,1 МПа [20, 36, 54, 88, 91].
Водяной насос современной автотракторной техники состоит из большого числа подвижных деталей и работает в тяжелых эксплуатационных условиях, из-за чего на этот узел падает значительная доля отказов. На детали водяного насоса, в том числе и валик, при эксплуатации воздействуют следующие неблагоприятные факторы [61]: повышенная влажность, температура и агрессивность среды вызывают ускоренную коррозию деталей; наличие абразивных частиц (песчинки, накипь, шлам, продукты коррозии и износа) взвешенных в охлаждающей жидкости и внедряющихся в поверхности сопрягаемых деталей приводит к ускоренному абразивному и гидроабразивному износу поверхностей деталей; воздействие быстрых потоков охлаждающей жидкости приводит к гидро-эррозионному износу поверхностей деталей вследствие ударных воздействий турбулентных струй; воздействие на поверхность деталей микроударных нагрузок, возникающих при образовании и захлопывании кавитационных полостей и пузырьков, приводит к кавитационному износу деталей, следствием которого является образование раковин и глубоких каверн.
Качество охлаждающей жидкости имеет большое значение для надежности двигателя. Обычно охлаждающими жидкостями являются вода и охлаждающие жидкости на базе моноэтиленгликоля (MEG) и полипропиленгликоля (PG), которые хотя и имеют множество положительных качеств, но обладают высокой коррозионной агрессивностью к деталям двигателей [34, 66]. И если в качественных охлаждающих жидкостях для снижения агрессивности по отношению к деталям двигателя добавляют различные пакеты присадок [64], то более дешевые жидкости, а также большинство отечественных жидкостей и вода вызывают сильную коррозию деталей.
Исследования на рисунке 1.2 показали воздействие различных охлаждающих жидкостей на детали и материалы системы охлаждения автомобиля. На каждом рисунке слева - результат применения жидкости ТОСОЛ. Справа -результат применения высококачественных охлаждающих жидкостей от мировых лидеров их производства.
Однако, несмотря на всю важность использования качественных эксплуатационных материалов, в большинстве автохозяйств нашей страны, а особенно в сельском хозяйстве в системе охлаждения автомобилей продолжает использоваться вода или отечественные охлаждающие жидкости, зачастую сомнительного качества. Это связано в первую очередь с их дешевизной. Из-за недоброкачественной работы некоторых инженеров и снабженцев автопредприятий, предоставляющих водителям и обслуживающему персоналу некачественные эксплуатационные материалы или не обеспечивающих своевременную их замену, перед ремонтными подразделениями данных предприятий и специализированными авторемонтными предприятиями встает большой фронт работы по ремонту узлов и деталей системы охлаждения автомобилей.
Валы и оси составляют большую часть номенклатуры восстанавливаемых деталей. В большинстве случаев именно эти детали лимитируют ресурс узлов и агрегатов машин. Коэффициент их восстановления при капитальном ремонте составляет 0,45-0,95 [73]. При нормальных условиях работы одним из основных дефектов валов является износ. Под действием многих факторов (изменение химического состава среды, повышение ее коррозионной агрессивности, увеличение числа абразивных частиц и т.д.) условия работы детали изменяются, поэтому изменяется скорость изнашивания их поверхностей (см. рисунок 1.3).
Валик является одной из основных деталей водяного насоса. Валик передает вращение от вала вентилятора к крыльчатке, которая перегоняет воду в системе охлаждения. Он изготавливается из качественных сталей марок 45 (ЗМЗ-53 «ГАЗ-53»,СМД-7,-14,-62 «Т-150К»), 40Х (ЗИЛ-130), 35 (ЯМЗ-236, -238 «К-700»), 35Х (Д245.12 «ЗИЛ-5301 Бычок», Д-243 «МТЗ-100») и других аналогичных с твердостью заготовки НВ 241 - 285 единиц. Поверхности под шарикоподшипники и под уплотнения подвергаются закалке токами высокой частоты, на глубину 1,4-3 мм при этом закаленный слой имеет твердость HRC 44-62 [36, 88]. При работе валик испытывает скручивающие напряжения с односторонним изгибом.
Восстановление изношенных деталей гальваническими покрытиями
Процесс нанесения гальванических покрытий сводится к тому, что на поверхности катода разряжаются находящиеся в электролите ионы металла, которые, переходя затем в атомарное состояние, строят на ней кристаллические решетки, образуя ровный слой покрытия [35, 39, 59]. Мп+ + пё- М; Анод при этом растворяется с образованием новых ионов металла взамен выделившихся на катоде. Мп+-пё- М.
Соответствующий подбор площади покрываемой поверхности и площади анодов позволяет поддерживать в электролите постоянную концентрацию ионов металла в течение электролиза.
В гальванике в качестве электролита обычно применяют раствор соли, содержащей ионы металла, которым хотят покрыть деталь. Катодом служит наращиваемая деталь, а анодом чаще всего металл, которым изделие покрывается (железо, медь, никель и др.).
Электролиты в процессе прохождения через них электрического тока в местах его ввода и вывода претерпевают существенные изменения. Катионы под действием электрического тока перемещаются к отрицательно заряженному электроду - катоду, анионы к положительно заряженному электроду - аноду. Достигнув электродов, ионы отдают или приобретают заряды и теряют при этом свои характерные свойства, обусловленные присутствием этих зарядов, превращаясь в нейтральные атомы или группы атомов. Последние, выделяясь из раствора или вступая во взаимодействие с водой, материалом электродов или между собой, образуют новые вещества - вторичные продукты электролиза. При этом на катоде протекают процессы электровосстановления, заключающиеся в переходе электронов от катода к частицам отложенного вещества, а на аноде - процессы электроокисления, заключающиеся в переходе электронов от частиц вещества к аноду.
Процесс электролитического осаждения любого металла подчиняется за конам Фарадея, которые выражаются следующей зависимостью [35, 39]: QT=e l Tt (21) где Qr-теоретическое количество вещества, выделяющееся при электролизе, г; є - электрохимический эквивалент, г/А-ч; I - сила тока, А; т - время электролиза, ч.
На катоде при электролизе протекают два и более электрохимических процессов (одновременно с металлом происходит выделение водорода и др.). Эффективность электролитов с точки зрения полезного использования тока оценивается катодным выходом металла по току (т): /;= - 100% QT , (2.2) где ( - фактическое количество вещества, выделяющееся при электролизе, г;
Определение средней толщины слоя металла (в мм), осажденного на катоде, в зависимости от плотности тока и времени электролиза производится по формуле: h=!V!5, (2.3) 1000 / v где Ік - катодная плотность тока, А/дм2; у - удельный вес, г/см3.
Пользуясь этим соотношением, можно определить время электролиза t (в часах), необходимое для получения покрытия заданной толщины.
Процессы осаждения металлов на твердых металлических электродах являются одними из наиболее сложных электрохимических реакций. Они, как правило, протекают через несколько стадий, включающих процессы диффузии, адсорбции, химической реакции, разряда и кристаллизации, участвующих в электрохимическом процессе частиц. Соотношение скоростей этих стадий определяет кинетику процесса, как катодного осаждения, так и анодного растворения металла. Электроосаждение металлов из водных растворов также обычно сопровождается протеканием параллельной реакции выделения водорода, участием в реакции других частиц, находящихся в электролите, примесей ионов металлов, органических соединений, вводимых для регулирования качества осадков. В результате протекания реакции происходят изменения состава раствора у поверхности электрода и изменение состояния поверхности, что особенно сильно проявляется в первые моменты электролиза после включения тока. Несомненно, что предшествующие электрокристаллизации металла стадии влияют на нее и, таким образом определяют структуру, физико-механические и химические свойства электроосажденного металла [35, 39].
На первой стадии катионы мигрируют к катоду и вместе с оболочкой молекул воды (гидратной оболочкой), окружающей каждый катион металла, достигают ее поверхности. Здесь они частично теряют часть гидратной оболочки и вступают в контакт с поверхностью катода, адсорбируясь на ней. На следующей стадии электроны покидают катод и присоединяются к электродной оболочке катиона, превращая его в нейтральный атом металла, который в момент своего возникновения адсорбируется на катоде.
Практическая апробация теоретических исследований гальваногазофазных покрытий
Для проведения экспериментальных исследований и отработки оптимальных режимов нанесения покрытий было изготовлено 25 образцов из качественной углеродистой стали 45 (ГОСТ 1050-74) и 25 образцов из легированной коррозионно-стойкой хромистой стали 35Х (ГОСТ 5632-74), так как из этих сталей наиболее часто изготавливаются валики водяных насосов и другие детали типа «вал» автотракторной техники. Все эти образцы имели размеры 20x10x3 мм, были отшлифованы и подвергнуты закалке.
Стали 45 и 35Х были взяты с целью исследования влияния 1% хрома содержащегося в стали на физико-механические свойства получаемых покрытий. Для определения адгезионной прочности по методу Ю.М. Лукомского было изготовлено еще 25 образцов кольцевой формы из этих же сталей с размерами: наружный диаметр 35 мм, внутренний диаметр 14 мм, ширина 7 мм. Для исследования величины внутренних напряжений в покрытии использовали 5 пар образцов из этих же сталей с размерами 55x3x1 мм. Для испытания на износостойкость было изготовлено 6 пар образцов в виде роликов диаметром 50 мм и толщиной 15 мм из тех же материалов.
Из 6 пар для специальных исследований 1-я пара (сталь 45, сталь 35Х) была закалена и оставлена без покрытия (штатный валик водяного насоса), 2-я пара была закалена и покрыта гальваническим хромом на оптимальном режиме (существующая технология восстановления), 3-я пара покрыта гальваногазофазным хромовым покрытием без проведения анодного травления между слоями, 4-я пара была закалена и покрыта двухслойным гальваногазофазным хромовым покрытием на оптимальном (наибольшая сцепляемость при высокой микротвердости) технологическом режиме (исследуемая технология восстановления и упрочнения), 5-я и 6-я пары покрыты двухслойным гальваногазофазным покрытием на режимах соответствующих получению покрытий с максимальной микротвердостью и максимальной сцепляемостью.
Все образцы были отшлифованы до Rz=l,2 мкм. Перед нанесением покрытий поверхности образцов очищались и обезжиривались ацетоном (ГОСТ 2768-84). Покрытия на образцы наносились одновременно на пару образцов (из стали 45 и стали 35Х) для обеспечения одинаковых технологических режимов и исключения погрешностей (разности в температурах, времени выдержки и т.д.).
Нанесение двухслойных гальваногазофазных хромовых покрытий на образцы и выполнялось в три этапа: нанесение гальванического подслоя, анодное травление этого подслоя и нанесение второго слоя хромового покрытия путем термической диссоциации из газовой фазы гексакарбонила хрома.
Нанесение гальванического подслоя и его травление осуществлялось на базе завода «Банктехника» в гальванической ванне объемом 40 литров изготовленной из стали 12X18Н9Т и футерованной кислотоупорной эмалью.
Для питания гальванической ванны использовался выпрямитель ВАКГ -12/6 - 600. Регулирование плотности тока осуществлялось прибором УКПТ - 2 построенным на базе лагометра (сравнение напряжения на электродах ванны с параметрами линий постоянной плотности тока).
Для контроля и регулирования температуры электролита использовался прибор МРТ-1-6/3, который позволяет контролировать температуру в шести точках ванны (в нашем случае было задействовано четыре термометра).
В качестве электролита использовали саморегулирующийся фториднок-ремнефторидный электролит (сульфатнокремнефторидный электролит вытесняется на производстве из-за чрезвычайно высокой агрессивности и меньшего выхода по току по сравнению с электролитами на основе CaF2) на основе катализирующих добавок в виде трудно растворимых солей K SiFu и CaF2. Хромовый ангидрид и катализирующие добавки растворяли в дистиллированной воде в пропорциях СЮз - 250 г/л; CaF2 - 8 г/л; K2SiF6 - 20 г/л при постоянном перемешивании в течение 5 часов при температуре 60 С. Готовый электролит прорабатывали в течении 2 часов при температуре 60 С и плотности тока 5 А/дм . Осаждение хромовых покрытий на поверхности образцов производилось при 1к=60 А/дм ; Тэ=50 С. Выход по току у данного электролита составляет 24 - 30%, поэтому согласно теоретическим расчетам, для получения покрытия толщиной около 200 мкм на образцах с площадью 5,8 см2 требуется 2,8 - 3,2 часа. Прирост по массе на каждом образце в этом случае должен составлять 0,82 - 0,86 грамма, так как плотность хрома 7,2 г/см3.
Разработка математической модели и поиск оптимальных параметров ведения процесса
Для исследования возможности восстановления деталей типа «вал» двигателей внутреннего сгорания нами были изготовлены образцы, на которых при использовании технологических режимов приведенных в таблице 4.1 были получены покрытия с физико-механическими свойствами, представленными в таблице 4.2.
Для более полного анализа полученных покрытий далее следует подробно в отдельности рассмотреть физико-механические свойства покрытий и влияние на них различных технологических режимов.
Поскольку гальванический слой покрытий был получен практически на одном технологическом режиме (в небольших пределах менялось только время выдержки, а, следовательно, и толщина покрытий), то нет необходимости отдельно рассматривать их свойства. Микротвердость гальванических покрытий составляет 6900 - 8800 МПа, а скорость осаждения 49,4 - 58,6 мкм/ч. Эти параметры являются стандартными для фторидно-кремнефторидного электролита и говорят о том, что никаких неполадок при хромировании не возникло.
Далее перейдем к рассмотрению свойств гальваногазофазных покрытий.
Находим значение отклика по уравнению регрессии в каждом опыте: уГ = 13,316 + 1,19688 - 0,078125 + 0,09062 - 0,15938 = 14,3 Определяем числа степеней свободы: f4 = N-l = 8-5=3; f3=N (m-l)=8 (2-l)=8; fz4 = N-l = 8-3 =5
Для уровня значимости q=0,05 определяем по таблице критерий Фишера FKP=5,3. Так как F FKp, то гипотеза об адекватности модели не отвергается. Конечный вид уравнений зависимостей микротвердости и адгезии к подложке газофазного покрытия от технологических факторов имеет вид: у = 13,316 - 1,1969 х, + 0,07813 х2 - 0,091 х3 - 0,1594 Х! х2 (4.12) z = 72,125 + 15,5 х1+1,625 х1 х2
Это означает, что для увеличения микротвердости покрытия необходимо понижать температуру подложки, уменьшать время процесса и увеличивать подачу паров карбонила, путем увеличения температуры в сублиматоре, а для роста адгезии - повышать температуру подложки и температуру испарения карбонила.
Оптимальные значения микротвердости и адгезии находим при помощи метода наискорейшего спуска. В этом методе градиент определяется только в начальной точке и движение в найденном направлении продолжается до тех пор, пока уменьшаются (увеличиваются) значение функции y=f(x). Преимуществом метода наискорейшего спуска является его простота, так как на большинстве шагов измеряются только значения функции y=f(x) и не вычисляются элементы вектора градиента.
Шаг движения по направлению наискорейшего спуска слишком велик, поэтому уменьшаем составляющую градиента ДХ ; ЬІ в 2,394 раза, а составляющую градиента Дх і аі в 31 раз. В такое же число раз уменьшаем составляющие градиента по остальным факторам.
Ожидаемое значение параметра оптимизации в мысленных опытах № 9-14 оцениваем подстановкой соответствующих значений факторов уравнение регрессии. Для этого истинные значения факторов преобразуем в кодированные, используя формулу: Ах, где х; - кодированное значение фактора; х і - истинное значение фактора; х і0 - истинное значение нулевого уровня фактора; ДХ І - интервал варьирования фактора.
Подставляя кодированные значения факторов для каждого опыта, події считываем параметр оптимизации.
Выполненные расчеты позволяют сделать вывод, что максимальная микротвердость газофазного слоя покрытия составит 15605 МПа. При этом температура образца должна составлять 200 С, температура сублимации карбонила 48,68 иС, а время процесса 11,696 мин. Также необходимо отметить, что полученные при помощи методов математического моделирования оптимальные значения технологических параметров ведения процесса являются синтетическими и соответствуют реальности только в определенном интервале. Это связано с тем, что, во-первых, на практике хромовые покрытия не образуются при температурах ниже 250-270 С (в зависимости от глубины вакуума), а во Q вторых, даже самое точное лабораторное оборудование не позволит выдержать (Ч технологические режимы с указанной точностью (присутствуют колебания давления, температуры). Таким образом, микротвердость в размере 15605 МПа является практически недостижимой. Поэтому далее на основе наилучшего соотношения микротвердости и сцепляемости необходимо определить оптимальные параметры ведения процесса металлизации.
