Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние и анализ проблемы нанесения гальванических хромовых покрытий 14
1.1 .Возможности хромирования поверхностей с большим износом 14
1.2. Особенности гальванического хромирования деталей гидро-пневмоагрегатов 23
1.3.Влияние предварительной механической обработки на качество получаемых покрытий 30
1.4.Стандартные методы гальванического хромирования 32
1.5.Методы гальваномеханического осаждения, используемые пригальваническом хромировании 38
1.6.Выводы 52
2. Методическое обоснование процесса размерного нанесения хромо вых композитных покрытий 55
2.1.Научная концепция и гипотеза построения процесса размерного наращивания хрома на детали с неравномерной выработкой 55
2.2. Обоснование выбора объектов исследования, обрабатываемых материалов и рабочих сред 59
2.3.Экспериментальное оборудование и условия проведения исследований 62
2.4.Математическая обработка экспериментальных данных 78
2.5.Выводы 82
3. Научные основы формообразования поверхностей при дискретном наращивании хромового покрытия методом гальваноконтактного осаждения (ГКО) 83
3.1.Условия построения модели размерного нанесения хромовых композитных покрытий и накладываемые ограничения 83
3.2. Моделирование процесса формирования структуры поверхностного слоя с учетом распределения вещества инструмента в осаждаемом покрытии 97
3.3.Разработка модели формирования остаточных напряжений в покрытии при их нанесении методом ГКО 132
3.4.Определение допустимой погрешности давления инструмента на однородной поверхности детали 177
3.5.Моделирование согласования главной и вспомогательной скорости движений, реализуемых при нанесении покрытий методом ГКО 187
З.б.Выводы 192
4. Экспериментальное исследование размерного нанесения композит ных хромовых покрытий 193
4.1.Исследование физико-механических характеристик получаемых покрытий 193
4.2. Исследование остаточных напряжений в покрытиях, полученных методом ГКО 208
4.3.Исследование эксплуатационных характеристик изделий, при нанесении покрытий методом ГКО 221
4.4.Выводы 239
5. Оптимизация выбора технологических режимов и схемы размерно го нанесения композитных хромовых покрытий 240
5.1 .Разработка рекомендаций по особенностям применения метода 240
5.2.Разработка рекомендаций по оптимальному сочетанию технологических режимов хромирования из условия получения заданных характеристик качества наносимого слоя 258
5.3.Выводы 267
6. Опыт промышленной эксплуатации по расширению области использования размерного нанесения композитных хромовых покрытий 268
6.1.Разработка технологических рекомендаций и анализ опыта по промышленному применению метода нанесения размерных дисперсноупрочненных композитных гальванических покрытий 268
6.2.Оборудование для размерного хромирования с использованием технологии ГКО 280
6.3. Промышленное применение и перспективы использования технологии размерного нанесения хромовых композитных по крытий 291
6.4.Выводы 302
7. Экологические параметры метода гальваноконтактного осаждения покрытий 304
7.1 .Пути уменьшения уноса электролита 304
7.2.Восстановление рабочих свойств электролита 310
7.3.Выводы 312
Заключение и общие выводы по работе 313
Список литературы
- Особенности гальванического хромирования деталей гидро-пневмоагрегатов
- Обоснование выбора объектов исследования, обрабатываемых материалов и рабочих сред
- Моделирование процесса формирования структуры поверхностного слоя с учетом распределения вещества инструмента в осаждаемом покрытии
- Исследование остаточных напряжений в покрытиях, полученных методом ГКО
Введение к работе
Актуальность работы. В связи с увеличением напряженности эксплуатации машин и оборудования в агропромышленном комплексе (АПК) повышаются требования к точности и надежности их работы. На ремонт и восстановление работоспособности машин затрачиваются значительные материальные и трудовые ресурсы. Это особенно актуально для эксплуатации импортной техники.
Подавляющее большинство методов восстановления связано как с температурным, так и с механическим воздействием на изношенную поверхность. Это может привести к необратимым деформациям деталей и вызвать трудности с их восстановлением и ремонтом.
Обеспечить необходимую точность поверхности при изготовлении и ремонте деталей способны холодные методы восстановления. В современном производстве и ремонте большинства изделий автотракторной, сельскохозяйственной и гидропневморегулирующей аппаратуры для обеспечения необходимых эксплуатационных свойств используют гальваническое железнение и хромирование. Эти методы воздействия на поверхностный слой позволяют избежать негативных явлений, возникающих при использовании горячих методов. К таким покрытиям предъявляется целый ряд требований: они должны обладать хорошей адгезией, присутствием или отсутствием пор в покрытии (в зависимости от условий эксплуатации), низкой шероховатостью поверхности (при условии возможности достижения значительной толщины покрытия). Для ремонтного производства, в частности, сельхозмашин, главное значение имеет сведение к минимуму механической обработки детали до и после её восстановления хромированием. Это связано с отсутствием специального оборудования для механической обработки сложнопрофильных поверхностей, особенно в импортных изделиях, большинство материалов которых не допускают механическую обработку до нанесения покрытия. Применение железных покрытий на сегодняшний день ограничено их низкой коррозионной устойчивостью. Хро мирование, используемое в настоящее время для производства и восстановления изделий, наряду с преимуществами имеет целый ряд недостатков: оно снижает надежность узла из-за пористости хрома при высоком давлении в системе, обладает низкой адгезией, особенно при нанесении толстых покрытий, снижает малоцикловую усталостную прочность деталей. Другой недостаток заключается в необходимости механической обработки детали как до восстановления методом нанесения покрытия в целях придания ей необходимой геометрии поверхности и устранения дефекта износа, так и после восстановления с целью обеспечения требуемой шероховатости поверхности, макрогеометрии и заданных размеров. В результате толщина хромового покрытия, необходимая для обеспечения работоспособности узла, как правило, должна составлять от 160 мкм и выше. Для получения качественного покрытия с учетом механической обработки слой гальванически наращиваемого металла должен превосходить 200 мкм. Однако качественные покрытия такой величины получить практически невозможно. Существующие методы получения толстых гальванических покрытий отличаются нестабильностью процесса и низким качеством, поэтому их нельзя использовать в ответственных изделиях. Хромовые покрытия осаждаются с растягивающими остаточными напряжениями. Это значительно снижает их адгезию и делает их пористыми. Устранить механическую обработку покрытий и деталей при восстановлении прецизионных узлов существующими на сегодняшний момент методами невозможно по нескольким причинам. Во-первых, само хромовое покрытие нуждается в обработке для его дальнейшего использования, во-вторых, детали, подвергаемые восстановлению гальваническим осаждением, не должны иметь локальных участков повышенного износа, что обеспечивается их механической обработкой до нанесения покрытия. Эта операция, однако, вызывает возникновение в поверхностном слое растягивающих остаточных напряжений, появление прижогов и шлифовочных трещин, которые делают порой невозможным нанесение хромового покрытия необходимой толщины.
В связи с этим возникла проблема разработки метода финишного нанесения гальванических покрытий на поверхность деталей, позволяющего полностью исключить механическую обработку. Метод должен отвечать нескольким принципиальным условиям: во-первых, обеспечивать заданную толщину и равномерность покрытия; во-вторых, восстанавливать локальные участки с разными скоростями в зависимости от их износа; в-третьих, получать заданные характеристики поверхностного слоя детали.
Данные условия предопределили разработку нового метода холодного нанесения размерных дисперсно-упрочненных гальванических композитных хромовых покрытий. При обработке деталей на его основе происходит внедрение в гальваническую матрицу твердокомпонентных частиц. В связи с тем, что в процессе нанесения слои осаждаемого металла испытывают послойную упруго-пластическую деформацию, получаются дисперсно-упрочненные композитные гальванические покрытия. Этот метод получил название метода гальваноконтактного осаждения (ГКО). Он позволяет впервые в мировой практике обеспечивать заранее заданные физико-механические и, как следствие этого, эксплуатационные характеристики поверхностного слоя детали, причем в механической обработке не нуждаются ни подвергаемая осаждению деталь, ни гальваническое покрытие. Метод предоставляет уникальный случай регулировать скорости осаждения покрытий на различных участках поверхности детали, что способствует устранению механической обработки детали перед гальваническим восстановлением. Появилась возможность управлять свойствами дисперсно-упрочненных гальванических композитных покрытий, наносимых в процессе осаждения, и получать в деталях поверхностный слой с заранее заданными служебными свойствами. Проблема заключается в создании теоретических основ и технологии холодного размерного нанесения гальванических композитных покрытий на детали вновь разработанным специальным инструментом без применения предварительной и последующей механической обработки. При этом особое внимание следует обращать на распределение фазового состава вещества по поверхности, подвергаемой гальваническому наращиванию металла. Формообразование по всему объему гальванически осаждаемого поверхностного слоя происходит неравномерно. В связи с этим нельзя разработать управляющую систему на основе одного выбранного управляющего фактора. Решение проблемы представляется возможным на основе разработки обобщенного критерия управления процессом переноса вещества инструмента в поверхностный слой гальванически осаждаемого покрытия. Этот критерий должен учитывать технологические параметры и основные значимые факторы процесса.
Создание метода холодного размерного нанесения гальванических композитных покрытий с заданными параметрами поверхностного слоя позволяет не только вернуть в строй отслужившие свой срок детали, но и повысить срок службы вновь выпускаемых изделий.
В связи с вышеизложенным сформулирована и обоснована следующая научная проблема: восстановление поверхностей металлических деталей гальваническими покрытиями без предварительного выравнивания припуска и финишной механической обработки за счет созданного нового метода (патент №2224827, №2243297, полож. решение № 2005106692/22(008149).
Данная проблема решается путем управляемого переноса твердого вещества в покрытие в процессе его гальванического осаждения. Это дает возможность формировать заданные показатели качества покрытия на локальных участках детали за счет определенного времени их контакта с инструментом.
Цель работы: введение в теорию и инженерную практику гальванического наращивания металла при изготовлении и ремонте деталей сельхозмашин и другой техники расчетных методов определения режимных параметров нанесения композитных покрытий с заданными физико-механическими и эксплуатационными характеристиками и методов проектирования технологического оснащения, обеспечивающих повышение качества восстановленных деталей и сокращение затрат на технологическую подготовку производства.
В соответствии с вышеуказанной целью поставлены следующие основные задаянгработы:
1. Изучить закономерности формообразования слоя покрытия в зависимости от степени износа различных участков поверхности и проанализировать существующие процессы размерного наращивания металла на детали методом гальванического осаждения.
2. Выяснить границы возможной концентрации инструментального материала в покрытии с обеспечением заданных физико-механических свойств последнего. Теоретически обосновать возможность получения композитных покрытий с необходимыми остаточными напряжениями.
3. Определить закономерности управления точностью обработки, формирования шероховатости поверхности, границы возможного увеличения производительности процесса при нанесении композитных гальванических покрытий. Выработать технологические рекомендации по применению метода ГКО для различных типов конструкционных материалов.
4. Установить зависимость роста толщины покрытия гальванического композитного осадка от режимных параметров его нанесения и разработать технологические рекомендации по нанесению покрытий требуемого качества методом ГКО. Исследовать влияние параметров осаждения композитных покрытий на их физико-механические и эксплуатационные характеристики.
5. Разработать оборудование, средства технологического оснащения для осуществления метода ГКО.
6. Расширить область технологического применения метода холодного гальванического наращивания композитных покрытий в производстве прецизионных деталей различного назначения.
Методы исследования: теоретические исследования проведены с исполь зованием методов механико-математического моделирования напряженно-деформированного состояния. Они базируются на основных положениях электродинамики и технологии машиностроения. Построение математической модели и оптимизация уравнений для определения режимов обработки проведены на основе теории вероятности, математической статистики и теории оптимизации.
Экспериментальные исследования выполнялись на специальной установке с использованием отраслевых и частных методик. Достоверность результатов подтверждается использованием современного экспериментального оборудования и приборов.
Научная новизна работы:
1. Предложен новый метод (патент№2224827, №2243297, полож. решение № 2005106692/22(008149)), холодного восстановления профиля изношенных поверхностей.
2. Разработаны научные основы процесса холодного восстановления деталей с локальным выравниванием припуска под покрытие.
3. Научно обосновано повышение физико-механических и эксплуатационных свойств покрытий, наносимых разработанным методом.
4. Впервые получены, теоретически обоснованы и экспериментально проверены оптимальные технологические режимы получения дисперсно-упрочненных композитных гальванических хромовых покрытий заданного качества и требуемой толщины.
5. Представлены теоретически обоснованные закономерности и аналитические зависимости, связывающие режимы осаждения композитных гальванических хромовых покрытий с их физико-механическими свойствами.
Практическая ценность работы заключается:
1. В разработке нового способа осаждения гальванических покрытий, который позволяет решить крупную народно-хозяйственную проблему холод ного восстановления деталей с получением эксплуатационных характеристик не ниже, чем у новых изделий, и в выявлении технологических возможностей и обосновании области использования нового метода. Это продляет срок эксплуатации восстановленных деталей, снижает простои и приносит значительную прибыль народному хозяйству.
2. В создании способа нанесения размерных композитных гальванических покрытий, что служит базой для внедрения новой технологии в промышленность.
3. В разработке нового инструмента, необходимого для реализации предлагаемого способа.
4. В разработке методики проектирования технологических процессов, на основе которой создано технологическое оснащение для реализации метода ГКО в промышленности, позволяющее значительно расширить область применения гальванических покрытий в сельхозмашиностроении.
Реализация результатов исследования:
1. Результаты исследований внедрены на машиностроительных предприятиях в городах: Воронеже (на «НІЖ Промэнерго» при восстановлении штоков плунжерной пары впрыска топливной аппаратуры дизельного двигателя, на «НІ 111 ДМК» при изготовлении пятисекционного плунжерного насоса силосного погрузчика, на «ФГУП ВМЗ» при восстановлении и производстве штоков и букс тракторов), Нововоронеже (на «ЗАО ВИК» при изготовлении и ремонте гидро-, пневморегулирующей аппаратуры и штоков гидравлических домкратов), Липецке (на «ОАО Новолипецкий металлургический комбинат» при восстановлении плунжерных пар гидравлических регуляторов немецкой фирмы «MOOG»), Коврове (на «Ковровском экскаваторном заводе» при восстановлении штоков подъема стрелы экскаваторов и сельскохозяйственных механизмов).
2. Результаты исследований положены в основу создания международного справочника по чистовым методам обработки «Burr and Edge Terminology:
An International Dictionary» издательство «The World Wide Burr Technology Committee» Kansas-City, USA (March 1995).
3. Результаты исследований используются в учебных процессах Воронежского государственного технического университета, Воронежского механического техникума, Воронежской сельхозакадемии в курсах «Специальные методы, используемые при обработке сложных труднообрабатываемых металлов и неметаллов», «Технологическое оснащение для обработки сложных труднообрабатываемых металлов и неметаллов», «Технологическое оснащение для электрохимикофизических методов обработки», «Технология комбинированных методов обработки».
Апробация работы. Работа докладывалась и обсуждалась на "IV Konfer-encja N ЕМ94" в г. Bydgoszcz - Ciechocinek (1994 г.), "4 - th International Conference on Precision Surface Finishing and Burr Technology" в г. Bad Nauheim (Германия, 1996 г.), «Нетрадиционные методы обработки» в г. Воронеж во время выездных заседаний ВАК РФ (2002 г.), «3rd International Conference "Research and Development in Mechanical Industry RaDMI 2003"», Serbia and Montenegro (Сербия и Черногория2003 г.), всемирной конференции по чистовым методам обработки «7th International Conference on Deburring and Surface Finishing» (Калифорния, США 2004 г.), международной научно-технической конференции «Научные проблемы и перспективы развития ремонта, обслуживания машин, восстановления и упрочнения деталей» (Москва, Россия, 2004г), всероссийской научно-технической конференции «Прогрессивные технологии, конструкции и системы в приборо- и машиностроении» (Москва, Россия, 2004 г.), на международной научно-технической конференции «Научная работа в университетских комплексах» (Москва, Россия, 2005), на международной научно-технической конференции «Научные проблемы и перспективы развития ремонта, обслуживания машин, восстановления и упрочнения деталей» (Москва, Россия, 2005г)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 41 печатная работа, в том числе одна монография, четыре учебных пособия, получено три патента РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем 367 страниц, в том числе приложений на 33 страницах, 80 рисунков, 18 таблиц. Список литературы содержит 192 наименований, в том числе 32 на иностранных языках. В приложении приведены документы о результатах испытаний, о внедрении, копии патентов.
На защиту выносятся результаты, перечисленные выше в рубриках «Научная новизна», «Практическая ценность работы», «Реализация результатов исследований».
Особенности гальванического хромирования деталей гидро-пневмоагрегатов
Среди разнообразных методов увеличения срока службы в основном и восстановительном производстве деталей машин, применяемых при изготовлении прецизионных деталей гидропневмоагрегатов, наиболее широкое распространение получил метод холодного нанесения гальванического хрома с целью обеспечения или восстановления размеров и геометрии сопрягаемых поверхностей путем наращивания металла [127, 129, 133].
Однако не любое покрытие может быть применено для нанесения его на рабочие поверхности в основном или восстановительном производстве с целью обеспечения работоспособности деталей гидропневмозапорной арматуры. Связано это с тем, что при высоких давлениях, которые присутствуют в данных категориях узлов, происходит утечка рабочих жидкостей или газов непосредственно по слою хромового покрытия (пористость), что приводит к потере работоспособности узла в целом (рис. 1.1). Поэтому для восстановления деталей гидропневмоагрегатов прецизионной аппаратуры, работающих при высоких давлениях к хромовому покрытию, применяемому при восстановлении деталей, предъявляются повышенные требования по отсутствию пористости.
Анализ состояния агрегатов, подвергаемых нанесению гальванических хромовых покрытий на рабочие поверхности, а также поступающих на ремонт-но-восстановительные работы и литературные данные [96, 106, 121], позволяет сделать вывод о том, что наиболее значительными причинами, вызывающими необходимость проведения гальванического наращивания металла, являются: о увеличение срока службы трущихся поверхностей, особенно контактных пар, работающих в условиях повышенного нормального давления; о повышенный износ рабочих поверхностей контактных пар, вызывающий отказ работы узла в целом; о износ посадочных мест сопрягаемых поверхностей; о нарушение целостности износостойких покрытий и коррозии основного металла агрегата.
В [103] указывается, что толщина покрытия, наращиваемого при восстановительных мероприятиях, существенно влияет на возможность обеспечения беспористости поверхностного слоя, а при толщинах свыше 120 мкм получить хромовое покрытие без пор невозможно. Вызвано это тем, что известными методами не устраняются главные причины возникновения пор и трещин в покрытии: высокие растягивающие напряжения, возникающие в осадке в процессе электролиза, и растягивающие напряжения в подложке из основного металла, возникающие на этапе механической обработке детали под восстановительные операции по гальваническому наращиванию металла.
Комплексное решение проблемы восстановления деталей беспористым хромированием возможно лишь при разработке технологии, обеспечивающей возможность получения элетролитического хрома без пор и трещин, и отказ от современных механических методов подготовки поверхности под гальваническое восстановление, что обеспечит возможность получения покрытия со сжимающими напряжениями и исключит возможность растрескивания его в процессе эксплуатации.
В [94, 111] сообщается, что удается получить беспористые хромовые покрытия толщиной до 8мкм с использованием реверсивного тока при гальваническом восстановлении, а в [23, 117] указывается, что были получены покрытия без пор толщиной 0,2 -1,0 мкм. Однако решение проблемы нанесения покрытий в основном и восстановительном производстве деталей гидропневмоарма-туры нельзя считать решенной, т.к. вышеназванные детали, прошедшие подготовительные операции перед нанесением покрытия, требуют для нормального функционирования гальванического наращивания хрома толщиной от 170 мкм [136, 152]. Как показывает практика обеспечение беспористости при таких толщинах крайне затруднительно из-за применения механической обработки поверхности с целью устранения геометрического дефекта, возникающего при
износе деталей перед восстановлением или при пригонке пар по месту в основном производстве [107]. Эксплуатация изделий прецизионной гидропневмоар-матуры проходит под высоким 20 - 32 Мн/м давлением [137]. При использовании традиционной технологии гальванического наращивания металла в основном производстве и после ремонтных мероприятий часто возникает утечка рабочих сред по слою хромового покрытия, т.е. деталь становится нерабочей по слою хрома [15, 85, 94] и возвращается на дальнейшую доработку.
По причине этого дефекта бракуется не менее 45% [109] готовых изделий, а на ремонтно-восстановительных предприятиях до 98% продукции. Бракованные детали возвращаются на дополнительную обработку и перехромирование. Все это вызывает усложнение производства, снижение качества деталей и узлов в целом, повышение трудоемкости и сдерживание выпуска в нужные сроки. Необходимо отметить, что на некоторые типы сталей, к которым относятся высокопрочные и легированные стали, чаще всего применяемые для изготовления деталей гидропневмоагрегатов, склонных к коррозионному растрескиванию и чувствительных к наводораживанию, в промышленности введено ограничение на количество перехромирований [122]. Введение таких ограничений практически означает уменьшение срока службы деталей в 4 -5 раз и более [124].
Традиционный способ холодного гальванического наращивания металла в основном и восстановительном производстве деталей при хромировании имеет и другие недостатки, такие как низкую производительность процесса, отрицательное влияние на усталостные характеристики деталей [119].
Производственный опыт показывает, что у деталей, восстанавливаемых с нанесением покрытия свыше 120 мкм, значительно снижается сопротивление усталости основного металла, что обусловливается низкой прочностью и пластичностью хрома и наводораживанием основы [124]
Обоснование выбора объектов исследования, обрабатываемых материалов и рабочих сред
Как отмечалось ранее, хромирование улучшает условия скольжения, с одной стороны, а с другой — уменьшает коррозию поверхностей, которая может достигать значительной величины, что позволяет значительно увеличить срок эксплуатации изделий. Особенно актуальна эта проблема при изготовлении и восстановлении прецизионных узлов, имеющих, как правило, конфигурацию тел вращения. В связи с этим для имитации наиболее близких условий эксплуатации узлов образцы для исследований изготавливались цилиндрической формы из сталей 30 ХГСА ТУ 14-1-950-74, 30 ХГСНА ТУ 14-1-950-74, как наиболее часто используемых при изготовлении плунжерных пар гидропневмо-агрегатов сельхозмашин и наиболее сильно подверженной отрицательному влиянию хромирования.
Производительность процесса гальваноконтактного хромирования, микроструктура и шероховатость поверхности осадков, остаточные напряжения в них, прочность сцепления хрома с основой, микротвердость покрытий, их коррозийная стойкость и наводороживание основы изучались на образцах, представленных на рис.2.2 или на серийных штоках, представленных на рис.2.3. Наружный диаметр образцов составлял 22 мм, длина 45-50 мм. Образцы термооб рабатывались до ств = 1100 -1450 МПа, шлифовались до шероховатости поверхности Ra = 2,5 - 1,25 мкм, затем обезводороживались при температуре 200-220С. Часть образцов упрочнялась дробеструйной обработкой. Кроме того, отдельная партия образцов термообработке не подвергалась. Серийные штоки проходили стандартные технологические операции перед хромированием.
Сравнительные испытания на малоцикловую усталостную прочность осуществлялись на образцах, которые были изготовлены из стали ЗОХГСЫА, термообработаны до ств = 1700 -1900 МПа, затем прошлифованы.
Перед нанесением покрытий методом гальваноконтактного осаждения часть образцов подвергалась алмазному выглаживанию, часть упрочнялась дробеструйной обработкой.
Испытание на пористость хромовых покрытий проводились на серийных штоках сервоклапанов гидрораспределителей «MOOG»; MOD D 073-234; Тур S 057 К 0200NJ (рис.2.3) в соответствии с инструкцией № 2849/183 на гидростенде № 032 в ОАО «НЛМК» г. Липецка. Рисунок 2.3 - Серийный шток для испытаний свойств покрытий
Исследовался вновь разработанный технологический процесс получения размерных хромовых покрытий с заданными физико-механическими и эксплуатационными свойствами, с получением в них сжимающих остаточных напряжений методом гальваноконтактного осаждения хрома без предварительной и без последующей механической обработки.
Покрытия осаждались в стандартном электролите хромирования, содержащем 200 - 250 г/л СгОз и 2,0 - 2,5 г/л H2SO4, нашедшем наиболее широкое применение на машиностроительных предприятиях.
Для проведения экспериментальных исследований электролит приготавливался из реактивов «ХЧ» и «ЧДА» на дистиллированной воде по методике, описанной в [75]. Плотность электролита измеряли ареометром, кислотность рН- метромиливольтметром модели рН -121.
Температура электролита поддерживалась с точностью 1 К при помощи термометра ТПП - 11 ГОСТ 13717 - 74 и контролировалась термометром ТН 61 ГОСТ 400 - 80 с ценой деления шкалы 0,2 К
Корректировка электролита и его анализ проводились по методике, изложенной в [76]. В связи с тем, что площадь хромирования штоков гидропневмоаппарату чу ры серийных изделий весьма разнообразна и составляет от 1 до 40 дм , а на имеющемся в гальванических цехах отрасли оборудовании затруднительно по чу лучение на таких деталях плотности тока выше 200 а/дм , максимальная плот чу ность тока для исследований была выбрана 350 а/дм .
Ограничение по величине плотности тока вызвано также тем, что прохождение больших токов приводит к значительному нагреву деталей, затрудняет создание надежных токоподводов к ним, и, в конечном итоге, не позволяет поддерживать в процессе обработки стабильные технологические режимы.
Моделирование процесса формирования структуры поверхностного слоя с учетом распределения вещества инструмента в осаждаемом покрытии
Дислокация легко движется в той плоскости, в которой находятся дислокационная линия и ее вектор Бюргерса. Под действием касательного напряжения избыточная полуплоскость в верхней части кристалла соединяется в одну атомную плоскость с расположенной ниже частью соседней атомной плоскости. Оставшаяся ее часть становится новой полуплоскостью, которая заканчивается краевой дислокацией. Незначительного смещения небольшой группы атомов оказывается достаточно для перемещения дислокации на одно межатомное расстояние (рис. 3.8, а, б). При постоянно действующем напряжении дислокация как бы по эстафете передается от одной атомной плоскости к другой, последовательно вытесняя при этом каждый соседний «правильный» ряд атомов. Процесс повторяется до тех пор (рис. 3.8, в), пока дислокация не выйдет на поверхность кристалла и его верхняя часть сдвинется относительно нижней на одно межатомное расстояние (рис. 3.8, г). При этом на поверхности кристалла образуется ступенька величиной в вектор Бюргерса.
В плоскости скольжения обычно расположены десятки дислокаций. Их последовательное перемещение вдоль плоскости скольжения развивает процесс пластического течения. Высота ступеньки при этом увеличивается пропорцио нально числу дислокаций, выходящих на поверхность кристалла. Деформация развивается неоднородно, линии скольжения располагаются на различном расстоянии друг от друга. Группы близко расположенных линий скольжения образуют полосы скольжения. Пластическая деформация развивается, в первую очередь, по той системе скольжения, где касательные напряжения раньше достигают критической величины. Начальную стадию деформации называют стадией легкого скольжения; деформация кристалла на этой стадии может достигать десятков процентов. С ростом деформации скольжение распространяется на другие системы, и возникает множественное скольжение. На этой стадии дислокации перемещаются в пересекающихся плоскостях, возрастает сопротивление их движению и образуется сложная дислокационная структура.
Скольжение дислокаций не связано с диффузией, так как происходит без переноса массы. Этим объясняется сравнительная легкость такого передвижения.
В процессе скольжения возникают новые дислокации, и их плотность по-вышается от 10 до 10 см" (более высокую плотность получить затруднительно из-за появления трещин и разрушения металла) [99, 100, 118]. Механизм образования новых дислокаций выглядит следующим образом. Под действием касательного напряжения закрепленная дислокация выгибается, пока не примет форму полуокружности. С этого момента изогнутая дислокация распространяется самопроизвольно в виде двух спиралей. При встрече спиралей возникают расширяющаяся дислокационная петля и отрезок дислокации. Отрезок занимает исходное положение, и генератор дислокации готов к повторению цикла.
В основе упрочнения металла при деформировании лежит, прежде всего, повышение плотности дислокаций.
Движению дислокаций мешают различные препятствия-границы зерен, межфазные поверхности. Через некоторые препятствия дислокации проходят, но при более высоких напряжениях. Такими препятствиями являются, например, пересекающиеся с плоскостью скольжения дислокации. Каждое скопление дислокаций создает поле напряжений, отталкивающее приближающуюся дислокацию. Чем больше дислокаций в скоплении, тем сильнее отталкивание и тем труднее деформируется металл.
В случае применения метода ГКО рассмотренный выше механизм деформирования растущих слоев покрытия происходит на начальной стадии нанесения покрытия, которая характеризуется отсутствием внедрения инструментального материала в гальванически осаждаемый металл. В дальнейшем обработка методом ГКО предполагает внедрение мелкодисперсных инструментальных частиц в деформируемое покрытие. С этого момента при деформировании стадия легкого скольжения отсутствует, деформация зерен начинается сразу по нескольким системам скольжения и сопровождается изгибами и поворотами плоскостей скольжения. Пока общая деформация мала, порядка 1 %, зерна деформируются неоднородно в силу их разной ориентации по отношению к приложенным нагрузкам. С ростом деформации различия между зернами уменьшаются, и изменяется микроструктура: зерна постепенно вытягиваются в направлении пластического течения (рис. 3.9).
Исследование остаточных напряжений в покрытиях, полученных методом ГКО
В связи с тем, что по [9, 10, 77, 85, 92, 112, 159] физико-механические и эксплуатационные свойства электролитических покрытий в значительной мере определяются знаком, глубиной залегания и величиной остаточных напряжений в них, в данной работе при выборе режимных параметров обработки в качестве оптимизирующего фактора были выбраны остаточные напряжения в покрытии. Плотность тока.
Для определения режимных параметров обработки методом ГКО исследования проводились на серийных штоках гидрозапорной (рис. 4.1) аппаратуры, изготовленных из стали 30 ХГСА ТУ 14-1-950-74. Наружный диаметр штока составлял 35 мм, длина хромируемой части 46 мм, общая длина 435 мм.
Исследовался технологический процесс восстановления изношенных по верхностей деталей методом ГКО с получением на них износостойких беспористых толстослойных хромовых покрытий с получением в них сжимающих остаточных напряжений с повышенной адгезией к основе. Покрытия осаждались в стандартном электролите хромирования, содержащем 200-250 г/л СгОз и 2,0-2,5 г/л H2SO4, нашедшем широкое применение на восстановительных предприятиях.
Для проведения экспериментальных исследований электролит приготавливался из реактивов «ХЧ» и «ЧДА» на дистиллированной воде по методике, описанной в [75]. Плотность электролита измерялась ареометром, кислотность рН — метромилливольтметром модели рН - 121.
Температура электролита поддерживалась с точностью 1К при помощи термометра ТПП - 11 ГОСТ 13717 - 74 и контролировалась термометром ТН 5 ГОСТ 400 - 80 с ценой деления шкалы 0,2К. Корректировка электролита, его анализ проводились по методике, изложенной в [76].
В связи с тем, что площадь поверхностей деталей, восстанавливаемых хромированием составляет от 1,5 до 20 дм2, а на имеющемся в гальванических цехах отрасли оборудовании затруднительно получение на подобных деталях плотности тока свыше 300 А/дм , максимальная плотность тока для исследова-ний была выбрана 400 А/дм или 40 кА/м . Ограничение по величине плотности тока вызвано также тем, что прохождение больших токов приводит к значительному нагреву деталей, затрудняет создание надежных токоподводов к ним и в конечном итоге, не позволяет поддерживать в процессе обработки стабильные технологические режимы. На рис. 4.2 представлены экспериментальные исследования влияния плотности тока на остаточные напряжения в получаемом покрытии.
Анализ диаграммы (рис.4.2) позволяет сделать вывод о том, что при малых плотностях тока сжимающие остаточные напряжения создаются за счет упругопластической деформации растущих слоев осадка. К этому необходимо добавить, что одновременно с осаждением покрытия происходит процесс вне дрения в него мелкодисперсных частиц инструментального материала, что способствует перераспределению остаточных напряжений в покрытии и созданию покрытий с более равномерным распределением остаточных напряжений в нем по толщине.
Увеличение плотности тока ведет к ускорению роста кристаллов покрытия и как следствие уменьшается процентное содержание частиц инструментального материала в покрытии. Вызвано это тем, что при увеличении плотности тока происходит ускорение процесса наращивания объема металла в единицу времени, а массовый перенос инструментального материала определяется давлением инструмента, которое остается постоянным. Следовательно, в покрытии снижается процентное содержание инструментального материала. Снижение общей концентрации мелкодисперсных частиц инструментального материала в покрытии приводит к более явному различию значений остаточных напряжений в нем по толщине покрытия.
