Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса. Анализ способов восстановления изношенных внутренних поверхностей гильз цилиндров. Цели и задачи исследования 9
1.1 Анализ проблемы восстановления изношенных деталей 9
1.2 Условия работы и анализ дефектов гильз цилиндров 13
1.3 Анализ способов восстановления гильз цилиндров 17
1.4. Пути совершенствования технологии железнения 29
1.5. Выводы. Постановка целей и задач исследования 32
Глава 2. Моделирование процесса нанесения композитных покрытий на основе железа на внутренние цилиндрические поверхности 35
2.1 Способ гальваноконтактного нанесения композитных покрытий на основе железа на внутренние цилиндрические поверхности гильз цилиндров дизельных двигателей и рабочая гипотеза 35
2.2 Моделирование усилия механического воздействия на расту-щий композит с целью прогнозирования физико-механических свойств покрытия 39
2.3. Влияние кинематических параметров механического воздей-ствия и геометрии инструмента на процесс формирования восста-навливаемого слоя при гальваноконтактном осаждении композит-ных покрытий на основе железа 52
2.4 Выводы 60
Глава 3. Методика исследований и пути решения задач 62
3.1 Технологическое оснащение для реализации способа гальваноконтактного осаждения (ГКО) 62
3.2 Методика проведения экспериментальных исследований 66
3.3. Математическая обработка экспериментальных данных 68
3.4 Выводы 70
Глава 4. Экспериментальное исследование процесса нанесения композитных покрытий на основе железа и свойств получаемых покрытий 72
4.1 Производительность процесса 72
4.2 Исследование микротвердости покрытий 76
4.3 Наводороживание основы при нанесении железных композит-ных покрытий способом гальваноконтактного осаждения ГКО 85
4.4 Остаточные напряжения в покрытии 90
4.5 Шероховатость поверхности восстановленного слоя 96
4.6 Адгезия покрытия к основе 101
4.7 Исследование износостойкости 102
4.8 Выбор рациональных режимов осаждения покрытия 108
4.9 Исследование маслоемкости восстановленной поверхности гильзы 109
4.10 Коррозионная устойчивость покрытия 112
4.11 Выводы 112
Глава 5. Технология гальваноконтактного восстановления внутрен-них цилиндрических поверхностей гильз цилиндров двигателей 115
5.1 Общие положения технологии нанесения композитных гальва-нических покрытий на основе железа 115
5.2 Оборудование для осуществления метода нанесения композит-ных покрытий на основе железа на внутренние цилиндрические поверхности 116
5.3 Технико-экономическое обоснование эффективности технологии 121
5.4 Выводы 138
Заключение 140
Литература 142
Приложения 157
- Анализ способов восстановления гильз цилиндров
- Моделирование усилия механического воздействия на расту-щий композит с целью прогнозирования физико-механических свойств покрытия
- Наводороживание основы при нанесении железных композит-ных покрытий способом гальваноконтактного осаждения ГКО
- Общие положения технологии нанесения композитных гальва-нических покрытий на основе железа
Введение к работе
Актуальность темы. Эффективное использование машин и оборудования обеспечивается высоким уровнем их технического обслуживания и ремонта, наличием необходимого числа запасных частей. Если учесть, что затраты на запасные части достигают 50…70% от себестоимости ремонта машин, а стоимость восстановленных деталей составляет 30…60% от стоимости новых, то проблема восстановления и повторного использования отслуживших свой срок деталей является актуальной.
В связи с этим, в концепции модернизации инженерно-технической системы сельского хозяйства России на период до 2020 года большое внимание было уделено направлению повышения технического уровня сельскохозяйственной техники путем ее модернизации при техническом сервисе, восстановлению и упрочнению деталей с применением новых технологических процессов, доведению коэффициента технической готовности машинно-тракторного парка до 95…98%.
Наиболее ответственным агрегатом современных сельскохозяйственных машин является двигатель, на долю которого приходится 36…52 % от общего количества отказов. Ресурс двигателя зависит от износа деталей ци-линдро-поршневой группы (ЦПГ), в первую очередь это относится к гильзам цилиндров. Недостаточная долговечность деталей ЦПГ, межремонтный ресурс которых не превышает 40% от ресурса двигателя, требует частой замены в процессе эксплуатации.
Основными способами восстановления работоспособности гильз цилиндров являются расточка или шлифование под ремонтный размер, контактная приварка стальной ленты, индукционная центробежная наплавка, термопластическое деформирование, электродуговая металлизация, постановка дополнительной ремонтной детали, хромирование и железнение. Основными недостатками всех способов является воздействие высоких температур, высокая стоимость материалов, недостаточное качество восстановленной поверхности, сложная и дорогостоящая механическая обработка до и после восстановления, недостаточный послеремонтный ресурс.
Перспективным направлением восстановления гильз цилиндров является разработка технологии нанесения композитных покрытий на основе железа, исключающее применение механической обработки до и после восстановления. Настоящая работа посвящена разработке технологии восстановления гильз цилиндров дизельных двигателей сельскохозяйственной техники
композитным покрытием на основе железа, обеспечивающим повышение долговечности и снижение себестоимости восстановленных деталей.
Степень разработанности темы. Анализ исследований показывает, что все существующие методы восстановления гильз дизельных двигателей используют механическую обработку восстанавливаемой поверхности. Однако, такой подход не только ведет к удорожанию производства, но и значительно сокращает процент восстановленных деталей. Восстановление деталей гальваническими композитными покрытиями позволяет избежать вышеназванных недостатков. Однако, крайне мало исследований и рекомендаций по нанесению данного типа покрытий на чугуны, которые применяются для изготовления гильз цилиндров дизельных двигателей. Работа выполнялась в соответствии с комплексной целевой программой ГБ работы кафедры «Автоматизированное оборудование машиностроительного производства» ФГБОУ ВПО Воронежский государственный технический университет «Теория и практика машиностроительного производства» 2009.39.
Цель работы - повышение долговечности и снижение себестоимости восстановления гильз цилиндров дизельных двигателей сельскохозяйственной техники способом гальваноконтактного осаждения композитного покрытия на основе железа.
Достижение поставленной цели требует решения следующих задач исследования:
-
Построение модели формообразования толстослойных композитных покрытий на основе хрома с остаточными напряжениями сжатия.
-
Разработка технологии нанесения композитных покрытий на основе хрома.
-
Разработка регрессионных моделей, связывающих технологические параметры восстановления деталей с физико-механическими свойствами рабочих поверхностей изделий, анализ реализации которых обеспечивает рекомендации по применению предложенной технологии.
4. Разработка оборудования и конструкции электродов-инструментов,
позволяющих получать методом ГКО высококачественные толсто
слойные покрытия на цилиндрических поверхностях.
Объект исследований - композитные гальванические покрытия на основе железной матрицы, нанесенные способом гальваноконтактного осаждения (ГКО) на внутреннюю изношенную поверхность гильзы цилиндра двигателя.
Предмет исследования - физико-механические характеристики композитных гальванических покрытий, полученных методом ГКО и закономерности их формообразования.
Методика исследования. Исследования проводились с использованием методов системного анализа, теории электрохимического формообразования и обеспечения требуемого качества поверхностного слоя. Экспериментальные исследования и обработка полученных данных проводились с использованием современных методик, а постановка и обработка результатов эксперимента с применением методов математической статистики. Результаты исследований обрабатывались с использованием методов дисперсионного и регрессионного анализа.
На защиту выносятся:
теоретические предпосылки повышения физико-механических свойств гальванических покрытий при введении в них дисперсных наполнителей;
результаты экспериментальных исследований по физико-механическим и эксплуатационным характеристикам покрытий, нанесенных методом ГКО;
технология восстановления внутренних цилиндрических поверхностей гильз цилиндров двигателей гальваническим композитных покрытием на основе железа без применения предварительной и последующей механической обработки;
Конструкция инструмента для получения качественных гальванических композитных покрытий на внутренних цилиндрических поверхностях.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Предложена модель формирования композитных покрытий со сжимающими остаточными напряжениями, отличительной особенностью которой является возможность расчета напряжений в каждом слое покрытия, что позволяет прогнозировать напряжения не только на поверхности (т.е. в конечном слое покрытия), но и в каждом его отдельном слое (т.е. по толщине).
-
Получены математические модели, связывающие условия обработки с физико-механическими, и, как следствие, эксплуатационными характеристиками получаемых покрытий при восстановлении деталей методом ГКО, отличающиеся от известных учетом как гальванической, так и механической составляющей процесса нанесения покрытий.
3. Разработан способ получения композитных гальванических покрытий на внутренних цилиндрических поверхностях, отличающийся тем, что процесс ведется при переменном давлении инструмента на обрабатываемую поверхность в зависимости от ее износа.
Теоретическая значимость заключается в обосновании и разработке технологии нанесения композитных гальванических покрытий на чугунных гильзах цилиндров дизельных двигателей с целью увеличения их долговечности, работоспособности, что развивает аппарат теории электрохимических и электрофизических методов обработки
Практическая значимость работы. Разработан способ, позволяющий получать композитные покрытия на основе железной матрицы с высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами на внутренних цилиндрических поверхностях гильз цилиндров дизельных двигателей. Разработаны электроды-инструменты (патент № 100520) для осуществления способа, позволяющие получать восстановлением по методу ГКО высококачественные композитные покрытия с заданными параметрами поверхностного слоя.
Достоверность полученных в диссертационной работе научных результатов обеспечивается обоснованным выбором основных допущений и ограничений, соответствующим конкретным условиям и особенностям функционирования гильз дизельных двигателей сельскохозяйственной техники; корректным использованием современного апробированного математического аппарата исследований, в частности теории электрохимикофизиче-ских методов обработки; удовлетворительным совпадением данных математического моделирования с данными, полученными в ходе натурных экспериментальных исследований на базе действующих образцов сельскохозяйственной техники; апробацией результатов, выводов и рекомендаций на всероссийских и международных конференциях, публикациях в центральных и ведомственных изданиях.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на: научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников, докторантов и аспирантов Воронежского государственного технического университета в 2007...2014 гг.; региональной научно-технической конференции «48 научно-техническая конференция ВГТУ», ВГТУ (г. Воронеж), 2008 г.; региональной научно-технической конференции «49 научно-техническая конференция ВГТУ», ВГТУ (г. Воронеж), 2009 г.; международной научно-практической конферен-
ции «Инженерное обеспечение инновационных технологий в АПК», МичГАУ (г. Мичуринск), 2010 г.; XVI Международной научно-практической конференции «Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции – новые технологии и техника нового поколения для растениеводства и животноводства» ГНУ ВНИИТиН Россельхозакадемии, (г. Тамбов), 2011 г. VII Международная научно-практическая конференция «Научные проблемы развития ремонта, технического обслуживания машин, восстановления и упрочнения деталей», Москва 2011; VII Международная научно-практическая конференция «Научные проблемы технического сервиса сельскохозяйственных машин», Москва 2012.
Публикации. По результатам выполненной работы опубликовано 35 печатных работ, в том числе четыре статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получен патент на полезную модель № 100520 РФ.
В статьях, выполненных в соавторстве, лично соискателем разработаны модели формообразования композитных покрытий на основе железа с остаточными напряжениями сжатия [1, 3, 4, 5, 9-17], определена последовательность технологических операций нанесения композитных покрытий [2, 6-8, 18 – 30], исследованы влияния режимов ГКО на физико-механические и эксплуатационные характеристики покрытий на чугунных деталях [6, 12, 16], разработаны конструкции электродов-инструментов, позволяющие получать методом ГКО высококачественные покрытия [7, 9, 10, 15].
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения , списка литературы и приложений. Работа изложена на 174 страницах машинописного текста, содержит 47 рисунков, 18 таблиц, 9 приложений и библиографию из 137 наименований.
Анализ способов восстановления гильз цилиндров
По данным исследований, износ различных групп деталей тракторов, автомобилей и сельскохозяйственных машин находится в пределах 0,01 -10 мм. При этом около 83% деталей имеют износ до 0,6 мм. Износ поверхностей деталей рас 18
пределяется примерно следующим образом: цилиндрических - 52%; конических и сферических - 3%; шлицев - 3%; пазов, канавок, лысок - 5%; резьб-10%; плоских поверхностей- 1%; зубьев шестерен - 2%; профильных, фасонных поверхностей-1%; трещин и изломов - 9%; нарушение геометрической формы-13%. При этом 60 % наиболее часто встречающегося дефекта, износа цилиндрической поверхности, составляет износ внутренней цилиндрической поверхности [20,112].
Проблеме восстановления изношенных внутренних поверхностей гильз цилиндров автотракторных двигателей, как одной из самых актуальных, в настоящее время, посвящено огромное количество исследований. Разработаны и внедряются в производство новые способы восстановления и упрочнения, основанные на передовых технологиях ремонтного производства, которые по своей технологии делятся на расточку под ремонтный размер и восстановление до номинального размера [12,20,21,33,64,79,98,102,130,131,132,133].
Отдельный интерес представляют способы восстановления в номинальный размер, которые позволяют многократно восстанавливать внутреннюю поверхность гильз цилиндров двигателей, включая вышедшие за ремонтный размер, и исключают необходимость в производстве поршней и поршневых колец.
Все способы восстановления гильз в номинальный размер можно разделить на три категории: механические, электрические, электрохимические. К механическим способам относится постановка дополнительной ремонтной детали (ДРД) в виде свернутой стальной ленты. К электрическим относятся следующие способы: индукционная центробежная наплавка, контактная приварка стальной ленты, термопластическое деформирование гильз, электродуговая металлизация. К электрохимическим способам следует отнести способы, основанные на применении электролитического осаждения металлов: хромирование и железнение (осталивание) [12,20,21,64,79,95,103,130,132,133].
В литературе представлен ряд исследований, направленных на повышение ресурса гильз. Способы поверхностного пластического деформирования с одновременной подачей металлоплакирующей смазки в зону обкатки [125,136], вибрационного накатывания с применением шарика или алмазного наконечника [134], электроискрового легирования графитовым электродом с последующим поверхностно-пластическим деформированием эльборовым инструментом [109], электрохимического хонингования [91], электромеханического упрочнения [137], направлены на упрочнение внутренней поверхности гильз после расточки до ремонтного размера, способы финишной антифрикционной безабразивной обработки (ФАБО) [82,93] и низкотемпературного сульфохромирования [127], направлены на сокращение периода приработки, проблемы восстановления в номинальный размер не решают и рассматриваться не будут.
Контактная приварка стальной ленты. Применение способа для восстановления внутренней поверхности гильз цилиндров двигателей широко рассмотрено в литературе. Разработано оборудование для контактной приварки стальной ленты [12,21,94,133], выбраны оптимальные режимы приварки, приведены марки стали, из которой изготавливают ленту и твердость приваренного слоя в зависимости от материала ленты [65,102,130,131]. Исследования показали, что микротвердость у поверхности шва и перекрытий зон покрытия, в зависимости от марки ленты и режимов приварки, колеблется в пределах 5600...8400 МПа, прочность сцепления 100...250 МПа [12,21]. Однако, после контактной приварки, гильза находится в сложном напряженном состоянии, характеризующемся растягивающими остаточными напряжениями у внутренней поверхности и сжимающими у внешней, прочность материала восстановленной гильзы составляет 97...56 % от новой [6], может наблюдаться растрескивание гильзы вдоль образующей [5]. Способ требует применения дополнительного оборудования для гибки и резки ленты [12,21], применения отпуска для снятия внутренних напряжений, отличается сложностью обработки приваренного слоя и большим расходом дорогостоящего инструмента при этом [4]. После отпуска наблюдаются колебания микротвердости в приваренном слое до 30% [5]. В следствие неправильно выбранных режимов наблюдается несплавление в отдельных местах материала ленты со стенкой гильзы. Способ отличается малой автоматизацией [12]. Исследования износостойкости восстановленной поверхности в литературе отсутствуют.
Индукционная центробежная наплавка и напекание. В литературе описаны способы с применением различных порошковых материалов и их смесей, при различной температуре и скорости вращения восстанавливаемой гильзы [20,21 ,103,130], разработана установка и исследованы режимы механической обработки покрытий [78]. Данный способ позволяет получать покрытия с твердостью 55...58 HRC [103,130]. Данные по износостойкости восстановленных гильз расходятся. Например в [103] утверждается, что износостойкость восстановленных гильз двигателей повышается в 4,8...5,5 раза, в [20] приведены данные о повышении износостойкости в 1,8...2,5 раза, а в [78] в 2...8 раз по сравнению с серийными деталями. Автор [21] утверждает о повышении долговечности в 2...3 раза по сравнению с расточенными под ремонтный размер. Прочность сцепления покрытия с гильзой составила 170...205 МПа, твердость выше в 2,25...2,85 раза по сравнению с расточенными под ремонтный размер [78]. Существенными недостатками данного способа, ограничивающими его применение, являются невозможность нанесения слоя небольшой толщины и соответственно большие затраты на механическую обработку, высокая энергоемкость процесса, возникающие растягивающие остаточные напряжения величиной 400...600 МПа, вызывающие коробление и растрескивание наплавляемого слоя, для снижения которых необходимо применять высокотемпературный отпуск, высокая стоимость наплавляемого материала [20,21,103]. Применение способов наплавки ведет к снижению усталостной прочности материала детали на 30.. .35% [95].
Термопластическое деформирование (обжатие) (ТПД). Разработаны и внедрены на ремонтных предприятиях несколько разновидностей способа восстановления гильз цилиндров двигателей ТПД, отличающихся наличием или отсутствием жесткой охлаждающей матрицы и взаимным расположением индуктора и спрейера [21,64,79,130,94]. При восстановлении в матрице усадка внутренней поверхности гильзы составляет 0,75...0,90 мм [130]. При этом у восстановленных гильз происходит образование трещин из-за высоких остаточных напряжений. Усадка наружных посадочных поясков составляет 0,5...0,6 мм на диаметр [19]. В стенке гильзы получены сжимающие остаточные напряжения 80... 120 МПа [19]. Автор [19] утверждает, что ресурс восстановленной гильзы составляет не менее 100% от ресурса новой, однако в [21] приведены данные 85...90%. Твердость внутренней поверхности увеличивается на 2.. .3% [130] и составляет HRC3 42.. .45 [19], износостойкость сохраняется.
Существенными недостатками данного способа, ограничивающими является наличие большого числа операций механической обработки. Наряду с усадкой внутренней поверхности гильзы происходит усадка внешней ее поверхности. В связи с усадкой внешней поверхности гильзы вводится дополнительная операция электродуговой металлизации посадочных поясков с их последующей механической обработкой [19], что требует применения дополнительного оборудования и существенно удорожает данный способ. Для восстановления некоторых марок гильз цилиндров требуется применение среднего отпуска для снятия высоких остаточных растягивающих напряжений. Способ невозможно применять для восстановления гильз цилиндров двигателей с воздушным охлаждением. Численные данные по микротвердости в литературе отсутствуют.
Моделирование усилия механического воздействия на расту-щий композит с целью прогнозирования физико-механических свойств покрытия
Устройство содержит корпус в виде системы металлических трубок 1, соединенных с опорным 2 и центрирующим 3 дисками. В трубках выполнены отверстия 4 для подвода электролита. Причем отверстия в горизонтальных плоскостях расположены наклонно к радиальным направлениям под углом 15...40, а по высоте трубок отверстия выполнены с шагом, уменьшающимся кверху на 1,0... 2,0 мм. Опорный диск 2 соединен с распределителем электролита 6, в который вмонтирован подводящий штуцер 5. На центрирующий диск 3 посредством трех шпилек 11 монтируется крышка 9, в которой установлен сливной штуцер 8. Деталь 7 устанавливается в специально подготовленные пазы в распределителе электролита 6 и крышке 9 через уплотнители 10. К детали подведены инструментальные гребенки 13 с брусками из специального композитного материала 12. Следует отметить, что вертикальное отклонение от равномерного шага и угловое отклонение каналов для истечения электролита рассчитываются для каждой конкретной детали.
Устройство работает следующим образом. Электролит от насосной установки через подводящий штуцер 5, распределитель электролита 6, выполненный в виде замкнутой кольцевой полости, и далее по трубкам 1 через отверстия 4 в них подается к поверхности обрабатываемой детали 7. Отвод электролита из зоны электролиза осуществляется через щели между трубками 1 во внутреннюю полость, образованную ими, и далее через сливной штуцер 8. Герметичность электролитической ячейки обеспечивается плотным прижатием крышки 9 через уплотнения 10 посредством трех шпилек 11.
Уменьшение расстояния между отверстиями позволяет компенсировать различную скорость истечения струй электролита из нижних отверстий (большая скорость) и верхних отверстий (меньшая скорость), а изменение углов истечения позволяет улучшить циркуляцию в межэлектродном пространстве. Экспериментально установлено, что для деталей высотой до 50 мм оптимальной величиной снижения расстояний между отверстиями является 1,0 мм, а для деталей высотой 600 мм - 2,0 мм. Применение данного устройства позволяет добиваться равномерного обновления электролита и получения равномерных осадков металла по высоте детали и обеспечивает более быстрое удаление водорода из зоны обработки, что снижает наводороживание материала подложки и самого покрытия.
Моделирование усилия механического воздействия на растущий композит с целью прогнозирования физико-механических свойств покрытия
В настоящее время большой интерес для промышленности и для восстановления сельскохозяйственной техники в частности, представляют покрытия с заранее заданными свойствами. Для прогнозирования физико-механических и эксплуатационных свойств получаемых композитных покрытий способом ГКО необходимо уметь просчитывать напряжения, возникающие в наносимом покрытии в процессе его гальванического осаждения. Как указывалось ранее, процесс ГКО характеризуется одновременным механическим воздействием на гальванически осаждаемое покрытие. Причем, в качестве инструмента используется вновь синтезированный материал, обеспечивающий регулируемый массовый перенос инструментального материала в осаждаемое покрытие, что позволяет получать композитные покрытия на основе гальванической матрицы. В связи с этим, в работе построена модель деформирования двухкомпонентного композитного материала с упругопластическими включениями и упругой матрицей. Согласно исследованиям [70] пластическое течение в этом случае начинается одновременно во всех точках включений. Предлагается модель, учитывающая возникновение зон пластического течения в отдельных областях включений, что соответствует технологической схеме деформации покрытия, и их распространение на весь объём включений.
Пусть двухкомпонентный композитный материал занимает объём V, ограниченный поверхностью S.
Наводороживание основы при нанесении железных композит-ных покрытий способом гальваноконтактного осаждения ГКО
В настоящее время в литературе отсутствуют систематические исследования влияния различных факторов на способность электролитических осадков железа при электролизе способом гальваноконтактного осаждения поглощать водород. Изучение этого вопроса позволило бы понять и объяснить те изменения физико-механических свойств электролитических железных покрытий, которые происходят под влиянием наводороживания, и способствовало бы устранению нежелательных последствий, возникающих в результате включения водорода в осадок, а также выбору рациональных режимов осаждения покрытия, позволяющих снизить наводороживание основы.
Для изучения влияния электролиза на наводороживание применялось математическое планирование эксперимента [1]. Был реализован полный факторный эксперимент 23. Характеристики плана эксперимента выбирались из условия получения композитных железных покрытий с максимальной твердостью и рациональной производительностью. В результате области варьирования независимых переменных были выбраны следующие:
плотность тока, і А/дм2 24 - 30 температура электролита, t С 70 - 90
давление инструмента, Р МПа 1 - 2
скорость главного движения Vra м/мин 0,5 - 5,5
скорость вспомогательного движения VBcn мин"1 80 - 160
В качестве зависимой переменной было взято наводороживание (Hz, мл/100 г). Результаты анализа приведены в приложении В.
Исследования проводились методом регрессионного анализа, для чего на основании экспериментальных данных была построена матрица планирования, содержащая зависимую и независимые переменные. Одним из условий этого метода является предположение о функциональной независимости варьируемых переменных. Для оценки этого положения проводился корреляционный анализ.
На основании анализа матрицы коэффициентов парной корреляции, можно сделать вывод о необходимости включения в модель таких факторов исследуемого процесса, как плотность тока, температура рабочей среды, давление инструмента на поверхность. Остальные факторы процесса оказались не значимы.
Следующим этапом работы является подбор математической модели, наиболее точно описывающей исследуемый процесс.
Анализируя вычисления, установлено, что наилучшим образом описывает исследуемый процесс полином первой степени со свободным членом, т.к. для него коэффициент детерминированности имеет наибольшее значение.
На основе проведенного дисперсионного анализа, сделан вывод, что модель исследуемого процесса должна содержать свободный член, члены i, t, p.
Дальнейшим этапом явилось проведение регрессионного анализа. В результате расчета пошаговой множественной регрессии с применением пакета научных подпрограмм «Statistika» получено уравнение, описывающее зависимость наводо-роживания от исследуемых факторов
(4.3) Анализ позволил выявить, что зависимость наводороживания от исследуемых факторов сильная - множественный коэффициент корреляции достигает значения 0,999.
Проверка адекватности выбранной модели по критерию Фишера, показала, что уравнение регрессии адекватно описывает влияние основных факторов процесса железнения способом ГКО на наводороживание получаемых покрытий.
После проверки значимости коэффициентов регрессии по критерию Стью-дента [1], выяснилось, что все коэффициенты регрессии, кроме коэффициента при давлении инструмента, оказались значимыми, т.к. вычисленное для них значения критерия Стьюдента оказались больше критического tKpHT. = 2,776 [1], а значение абсолютной ошибки меньше соответствующего стандартного значения.
Таким образом, уравнение, описывающее зависимость исследуемого параметра композитного покрытия на основе железной матрицы от выбранных предикторов, имеет вид 4.3.
Анализируя корреляционную матрицу, видим, что наибольшее значение на исследуемый параметр оказывает плотность тока (коэффициент корреляции -0,764). Менее значительно влияет на наводороживание температура электролита (коэффициент корреляции -0,642).
Из анализа влияния исследуемых факторов следует, что с увеличением температуры электролита наводороживание уменьшается, что хорошо согласуется с характером влияния температуры электролита на этот параметр как при обычном железнении [21], так и при ГМО железных покрытий [37]. Расчет баланса тока электролиза показал, что с повышением температуры электролита выход по току водорода, выделившегося в газообразном состоянии у катода растет, а выход по току суммарного и попавшего в электролитический осадок водорода снижается. Уменьшение количества поглощенного водорода с повышением температуры электролита объясняется тем, что размер пузырьков водорода в этом случае уменьшается, следовательно, время их пребывания на поверхности катода резко сокращается, кроме того, время контакта водорода с катодом уменьшается за счет усиления конвекции — все это резко снижает эффект адсорбции водорода. Увеличение плотности тока также ведет к снижению наводороживания покрытий. С увеличением плотности тока содержание водорода в осадке резко уменьшается. Уменьшение водорода в электролитическом осадке с увеличением катодной плотности тока также объясняется повышением катодной поляризации.
Увеличение значения давления инструмента на восстанавливаемую поверхность в пределах указанных значений уменьшает наводороживание наносимого покрытия. Это объясняется тем, что инструмент, постоянно перемещающийся от-носительно обрабатываемой поверхности постоянно удаляет с нее активный водород, мешая тем самым его проникновению в покрытие.
В целях визуализации влияния параметров осаждения покрытия на наводороживание основы, на рисунке 4.11 представлен пространственный отклик регрессионной модели.
На рисунке 4.12 показана номограмма для определения возможного наводороживания покрытия в зависимости от режимных параметров осаждения. Значения на номограмме показывают количественную характеристику в миллилитрах газообразного водорода, внедряемого в 100 г материала покрытия.
Полученные результаты можно объяснить тем, что с повышением темпера-туры электролита увеличивается предельный ток диффузии, следовательно, увеличивается доля разряжающихся ионов водорода (при постоянной плотности тока) в суммарном выходе по току.
Другими словами, с повышением температуры электролита выход по току железа растет быстрее, чем выход по току водорода. Ко всему этому еще необходимо учесть, что уменьшение количества поглощенного водорода с повышением температуры электролита объясняется тем, что размер пузырьков водорода в этом случае уменьшается, следовательно, время их пребывания на поверхности катода резко сокращается, кроме того, время контакта водорода с катодом уменьшается за счет усиления конвекции,—все это резко снижает эффект адсорбции водорода.
Катодная плотность тока также оказывает большое влияние на содержание водорода в электролитическом осадке. С увеличением плотности тока содержание водорода в осадке резко уменьшается (рисунки 4.11 и 4.12). Так, например, при температуре электролита 71 С и плотности тока 24 А/дм2 содержание водорода было 2,4 мл/100 г покрытия, а при той же температуре и плотности тока 29 А/дм2 уменьшалось до 1,8 мл/100 г покрытия. Уменьшение водорода в электролитическом осадке с увеличением катодной плотности тока также объясняется повышением катодной поляризации.
Известно [58], что электролитические покрытия, благодаря наличию в них значительных остаточных внутренних напряжений, обладают повышенной твердостью. При этом рядом авторов [63] установлено, что внутренние напряжения могут значительно изменяться в зависимости от режима электролиза. Если внут-ренние напряжения достигают достаточно большой величины, то это отрицательно сказывается на качестве электролитического покрытия: осадок может растрескиваться, вспучиваться и даже отслаиваться. Поэтому для ремонтных целей особый интерес представляет изучение изменений остаточных внутренних напряжений железных покрытий в зависимости от условий электролиза. Этот вопрос ин-тересен главным образом еще и потому, что от знака и величины этих напряжений во многом зависят механические свойства покрытий (твердость, усталостная прочность, износостойкость и т. д.). Опытным путем установлено, что наилучшими физико-механическими и, как следствие, эксплуатационными свойствами, обладают железные покрытия со сжимающими остаточными напряжениями от 30 до 150МПа[71].
Для изучения влияния электролиза на остаточные напряжения получаемых покрытий применялось математическое планирование эксперимента [1]. В нашем случае исследовались образцы, прошедшие восстановление железнением методом ГКО с толщиной покрытия 100 - 700 мкм. Был реализован полный факторный эксперимент 23. Характеристики плана эксперимента выбирались из условия получения железных композитных покрытий со сжимающими остаточными напряжениями, минимальным наводороживанием основы и микротвердостью, способной обеспечить их нормальную эксплуатацию.
Общие положения технологии нанесения композитных гальва-нических покрытий на основе железа
. Технология нанесения композитных гальванических покрытий на основе железа изменяется в зависимости а материала детали, от способа изоляции поверхностей не подлежащих восстановлению, и от типа применяемых электролитов. При этом любую технологическую схему можно разбить на три части: подготовку поверхности к восстановлению, нанесение покрытия и промывка от электролита.
Первая часть технологического цикла — подготовка к нанесению покрытия является самой трудоемкой и наименее автоматизированной: именно подготовка поверхности является решающей для получения качественного сцепления.
Сам электролиз композитных покрытий требует от рабочего персонала только внимательности к протекающему процессу.
От завершающих операций по промывке от остатков электролита зависит работоспособность восстановленной детали, долговечность узла, в котором она будет работать, долговечность оборудования, так как плохо нейтрализованная деталь, сохранившая следы соляной кислоты, ржавеет сама и вызывает ржавчину у металла с которым она соприкасается.
Из сказанного видно, что все операции технологического процесса ГКО композитных гальванических покрытий на основе железа важны и несоблюдение одного из пунктов технологии, который может показаться несущественным, рано или поздно окажется катастрофическим.
Общая технологическая схема восстановления гильз двигателей имеет следующую последовательность:
1. Промывка деталей от грязи и масел. Включает обработку поверхностей под покрытие шкуркой (в случае необходимости).
2. Вторичная промывка.
3. Окраска защитными красками или лаками (при употреблении их).
4. Травление в хлористом электролите.
5. Промывка.
6. Анодная обработка в щелочной ванне.
7. Промывка.
8. Монтаж деталей и защитных футляров на подвеску установки ГКО.
9. Выдержка без тока.
10. Осаждение композитных гальванических покрытий на основе железа.
11. Демонтаж детали с установки ГКО.
12. Промывка.
13. Удаление лаков.
14. Нейтрализация.
15. Промывка.
16 Контроль качества осадка. 17. Консервация
Некоторые из перечисленных операций иногда опускаются, например, об-работка шкуркой не применяется, если детали травят в хлористом электролите.
В ходе работы был модернизирован хонинговальный станок СК-21 для осуществления процесса ГКО на внутренние поверхности гильз цилинров двига-телей, общий вид которой представлен на рисунке 5.1.
Технические характеристики, реализуемые на установке, приведены ниже: Диапазон диаметров обрабатываемых отверстий, мм 70-350 Максимальное расстояние между центрами цилиндров, мм 1200 Максимальная длина обрабатываемых отверстий, мм 1050 Данное оборудования оснащено прибором активного контроля восстанов 117 ления поверхности, позволяющего в режиме реального времени контролировать толщину осаждаемого покрытия, без которого применение данного способа в производстве крайне затруднительно. Оборудование предназначено для нанесения композитных покрытий на основе железа на внутренние цилиндрические поверхности. Рисунок 5.1 - Общий вид установки ГКО для восстановления внутренних поверхностей гильз цилиндров двигателей. Учитывая особую агрессивность рабочей среды, все детали установки, расположенные ниже зеркала электролита выполнены из титанового сплава и фторопласта. Особенностью восстановления внутренних цилиндрических поверхностей гильз тракторных двигателей является строго ограниченный межэлектродный зазор, который накладывает некоторые ограничения на проектирование инструмента.
В связи с этим был разработан специальный инструмент, изображенный на
Наличие упругого элемента внутри устройства, имеющего механический привод, обеспечивает строгое соответствие теоретического давления на восстанавливаемую поверхность практическому. Кроме этого цилиндрический элемент, служащий в качестве анода, одновременно выполняет роль прокачивающего устройства для подвода свежего электролита, работая в установке как поршень.
Рисунок 5.2 - Инструмент для нанесения композитных покрытий на основе железа на внутренние цилиндрические поверхности.
Отличительной чертой данной конструкции является обеспечение гарантированного межэлектродного расстояния между анодом и деталью, постоянства отрегулированного давления инструмента на покрываемую поверхность, обеспечиваемую подпружиненными брусками, а также постоянную прокачку электролита в межэлектродный зазор, что обеспечивает требуемую концентрацию рабочей среды, необходимых для получения качественных гальванических композитных покрытий на основе железа.
Оборудование снабжено шпинделями широкого типоразмера, что позволяет легко восстанавливать композитным покрытием отверстия диаметром 70 - 350 мм без опасения потери жесткости технологической системы в целом. Контроль толщины осажденного покрытия ведется при помощи прибора активного контроля, которым оснащена установка ГКО.
Для обеспечения точного позиционирования оси шпинделя с осью обрабатываемого отверстия применяется прямая его установка с помощью специального установочного микрометрического прибора, как обеспечивающая наивысшую точность при обработке. Общий принцип работы установки показан на рисунке 5.3.
