CC BY
339
УДК 620.178 В. А. Голицын,
канд. техн. наук, доцент, СПГУВК
ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ ХРОМА, ЭЛЕКТРООСАЖДЕННОГО АНОДНО-СТРУЙНЫМ СПОСОБОМ
DURABILITY OF CHROME ELECTROPLATED BY JET-PUMPING
В работе приведены результаты экспериментальных исследований износостойкости хромовых покрытий, электроосажденных анодно-струйным способом, при изнашивании с материалами, применяемыми для деталей судовых ДВС.
The work present the results of experimental durability research for jet-pumped electroplated chromium in ship diese component material wear.
Ключевые слова: электроосаждение, хромирование, трение, износ.
Key words: electric plating, chroming, friеtion, wear.
ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ электролитических осадков хрома обеспечила их широкое использование в различных отраслях машиностроения и ремонтной практике.
Исследования износостойкости хромовых покрытий проводили многие исследователи [1-7]. В результате ряда исследований были установлены рациональные режимы электроосаждения хромовых покрытий в различных по составу электролитах и использовании прогрессивных технологических приемов осаждения хрома, удовлетворяющих разнообразным техническим требованиям.
Установлено [1], что при изменении скоростей изнашивания и значений нагрузок имеют место следующие виды изнашивания: схватывание первого рода, окислительное изнашивание и схватывание второго рода.
В результате анализа процесса изнашивания хромированных деталей сделан вывод о том, что электролитическое хромирование нельзя рассматривать как универсальное средство борьбы с износом, в зависимости от вида износа в конкретных условиях трения хромовое покрытие может давать большой эффект, либо не оказывать существенного влияния на величину износа или даже увеличивать его интенсивность.
В условиях окислительного изнашивания электролитическое хромирование увели-
чивает износостойкость трущихся поверхностей в несколько раз. При схватывании первого рода электролитический хром может быть успешно применен для защиты поверхностей трения от схватывания до удельных давлений в зоне контакта, не превышающих 16 МПа. При схватывании второго рода (тепловой износ) электролитический хром может быть успешно применен как средство, устраняющее тепловой износ до температуры в зоне трения, равной 573 К.
В условиях абразивного изнашивания покрытия хромом можно рекомендовать в тех случаях, когда допускаемый абразивный износ не превышает величин, сопоставимых с толщиной слоя хрома.
В условиях возникновения осповидного (усталостного) изнашивания при схватывании второго рода электролитический хром применять вообще нецелесообразно. Так, одной из причин разрушения поверхностей трения является напряженное состояние поверхностных слоев металла, а хромовое покрытие еще больше увеличивает неблагоприятные напряжения в поверхностном слое.
Проблема выбора рационального способа восстановления и упрочнения деталей машин не может быть рассмотрена вне связи с износостойкостью покрытия и областью его рационального использования в узлах и сопряжениях ремонтируемых машин.
Выпуск 3
Выпуск 3
Многочисленными лабораторными и эксплуатационными исследованиями доказана целесообразность и эффективность использования электролитического хрома как способа упрочнения и восстановления для многих деталей и узлов двигателей внутреннего сгорания различного назначения и мощности [1-7].
В вопросе использования электролитического хрома для упрочнения и восстановления втулок цилиндров, поршневых колец, канавок поршней под поршневые кольца, распределительных и коленчатых валов, штоков клапанов, деталей гидравлических машин и топливной аппаратуры приводятся в научнотехнической литературе однозначные данные. Последние указывают на повышение износостойкости хромированных деталей в 1,5-10 раз по сравнению с чугуном различного состава и обработки, а также сталями, обычно применяемыми при изготовлении деталей двигателей внутреннего сгорания. Однако в отношении использования хрома для восстановления поршневых пальцев и подобных деталей имеются разноречивые сведения.
Изложенное выше вызвало необходимость комплексного исследования износостойкости покрытий электролитического хрома в сравнении с конструкционными материалами, широко используемыми при изготовлении деталей судовых дизелей. Также были выполнены исследования сравнительной износостойкости чугуна поршневых колец при трении в паре с пористым хромом точечного типа, полученными при различных режимах осаждения, в условиях ограниченной смазки и высоких удельных нагрузках при относительном возвратно-поступательном движении образцов. В аналогичных условиях были выполнены сравнительные исследования износостойкости хромовых покрытий в сопряжении с алюминиевым сплавом поршней судовых дизелей и чугуном поршневых колец. По схеме «ролик-букса» при трении при вращении были выполнены исследования износостойкости электролитического хрома в сопряжении с антифрикционными подшипниковыми сплавами.
Для сравнительных исследований износостойкости поршневых колец в паре с точеч-
ным хромом металлографическими исследованиями были отобраны режимы осаждения хрома, обеспечивающие пористость хрома, соответствующую рекомендациям технической литературы (по числу плато на один квадратный миллиметр). Точечный (осповидный) тип пористого хрома был получен снятием шлифованием наружного слоя хрома до удаления сетки каналов и получения поверхности, рекомендуемой практикой [2].
Основной задачей экспериментального исследования является установление сравнительной оценки износостойкости хромовых покрытий при испытаниях в лабораторных условиях и хромовых покрытий, полученных анодноструйным способом, являющейся одним из основных показателей их работоспособности.
В настоящих исследованиях не ставится целью изучение механизма износа хромо -вых покрытий в зависимости от вида и рода трения, нагрузки, скорости относительного перемещения пар трения, качества смазки, характеристик поверхности и т. д. Очевидно, что подобные исследования являются большой самостоятельной работой. Однако без выяснения характера изнашивания хромовых покрытий при работе с различными конструкционными материалами судовых дизелей нельзя правильно рекомендовать использование хромового покрытия для восстановления и упрочнения деталей и узлов дизелей.
Для установления материалов, в сопряжении с которыми целесообразно или, наоборот, не следует использовать хромовые покрытия с целью восстановления и упрочнения деталей судовых дизелей, была принята методика сравнительных испытаний, рекомендуемая рядом исследователей [1; 2; 6; 7]. Эта методика предусматривает для оценки износостойкости различных материалов проведение их сравнительных испытаний в одинаковых условиях с материалами известной износостойкости, принимаемыми за эталон, или которые подлежат замене.
В качестве материала для изготовления эталонных серий образцов использовалась сталь 45 ГОСТ 1050-74 в нормализованном (НВ 187) и закаленном ТВЧ (НЯС 52) состоянии одной плавки, которая широко использу-
ется для изготовления ответственных деталей дизелей.
При исследовании по выбору оптимального типа пористости хрома нами принималась за эталон пара трения чугун втулки цилиндра дизеля 6ЧСП18/22 — поршневое кольцо. Аналогично нами было принято при исследовании износостойкости хрома в сопряжении с алюминиевым поршневым сплавом ПС-12.
При выборе типа испытательной машины трения и режима ее работы мы руководствовались следующими соображениями. По данным профессора Б. И. Костецкого, работа коренных и шатунных шеек коленчатых валов, шариковых и роликовых подшипников и других деталей протекает в условиях окислительного износа, который наблюдается при сравнительно невысоких скоростях скольжения относительного перемещения пар трения (0,05-2,5 м/с). Критической скоростью для окислительного износа считается скорость около 0,49 м/с в диапазоне нагрузок от 2,5 до 20 МПа. Эти условия вполне могут быть созданы на машине трения типа МИ-1, которая и была использована при испытании на износ покрытий хрома.
При определении износостойкости различных материалов большое значение имеют условия смазки. Известно, что большинство деталей машин работают в условиях жидкостного трения. Однако, как показали исследования, максимальный износ деталей наблюдается в случае нарушения жидкостного трения, например при запуске двигателя.
Для создания условий изнашивания, близких к реальным, испытания на износ проводились в условиях граничного трения с подачей масла — одна капля за семь минут. По данным ряда исследователей, такое количество смазки обеспечивает работу трущихся пар в условиях граничного трения. Опытная проверка показала, что для масла М12В такая количественная подача его при наличии фетрового фитиля для снятия излишков масла с поверхности образца обеспечивает получение стабильного момента трения при условии хорошей приработки пар трения до нагрузки 10 МПа.
Трущиеся пары при испытании в условиях трения-вращения с постоянной скоростью изготавливались в виде роликов и колодок.
Заготовки для образцов роликов подвергались нормализации с нагревом до 1153 Л в течение двух часов. Из них изготавливались образцы — ролики. Другая серия образцов была подвергнута закалке ТВЧ с последующим отпуском при 473Л. Хромирование образцов осуществлялось в специальном электролизере по принятой методике [3].
Хромирование образцов осуществлялось при температуре электролита 328 К и плотности тока 6 кА/м2, с использованием конструктивно-гидродинамических параметров анодно-струйного устройства, принятыми нами как оптимальные на основании выполненных исследований [3]. Выбор режима хромирования образцов обусловлен следующими обстоятельствами. Согласно данным профессора И. С. Вороницына [1] и В. Ф. Молчанова [8], наиболее износостойкие осадки хрома из универсальной ванны находятся в диапазоне температур электролита 318-333 К и плотности тока 4-8 кА/м2. С другой стороны, при анодно-струйном хромировании в стандартном универсальном электролите наименьшее влияние хромирование оказывает на предел выносливости стали 45 при температурах 323-333 К и плотности тока 4-10 кА/м2.
В связи с тем, что поршневой палец-втулка верхней головки шатуна и шейка коленчатого вала — подшипник коренной и шатунный являются наиболее напряженными узлами как в отношении изнашивания, так и динамических нагрузок, то выбранный режим осаждения отвечает этим требованиям.
Изнашивание хромовых покрытий, электроосажденных анодноструйным способом, с различными материалами при сухом трении проводилось при скорости скольжения 0,47 м/с и удельном давлении 7,5 МПа на пути 500 м. В условиях же граничного трения при той же скорости и удельном давлении с подачей масла одна капля за семь минут на пути трения 1,4 • 104 м. Нагрузка и продолжительность испытания при обоих видах трения были установлены опытным путем, исходя из необходимости получения надежных и воспроизводимых результатов при малой продолжительности испытания.
Подготовка образцов роликов перед испытанием состояла из шлифования, доводки
Выпуск 3
Выпуск 3
рабочей поверхности абразивными брусками КЗ зернистостью 60 и 36 и полировки микронной полировальной бумагой. Колодки изготавливались из подшипниковых антифрикционных материалов: алюминиевых сплавов — АСМ и АО9-2; бронз — С-30, О5Ц5С5; О10 Ф1. Колодки тщательно пришабривались к ролику и прирабатывались ступенчато с выведением на нагрузку испытаний.
Подготовка образцов к испытаниям и после них состояла из обтирки ветошью, промывки в керосине и бензине, высушивании в термостате. Износ определялся весовым методом на аналитических весах. В ходе испытаний фиксировались показания температуры колодки и момент трения. Коэффициент трения определялся по формуле f = М • Pч • Rl, где М — момент трения, Нм; Р — нагрузка, Н; R — радиус ролика, м.
Изучение параметров пористости точечного хрома на износостойкость поршне -вых колец производилось в условиях ограниченной смазки при возвратно-поступательном движении. Аналогичным образом были выполнены исследования износостойкости хромовых покрытий при истирании с алюминиевым сплавом ПС-12 в сравнении с износостойкостью чугуна поршневых колец при истирании со сплавом ПС-12 и чугуном втулки цилиндра. Испытания выполнялись на машине трения МИ-1. При испытании главный вал и вал каретки отключались от привода, при этом возвратно-поступательное движение каретки сохранялось. Для установки образцов было сконструировано приспособление, которое монтировалось на главный вал машины и фиксировалось гайкой. Нижний неподвижный образец представляет собой пластину с размерами 25^20x7 мм, которая изготавливалась из чугуна втулки цилиндра без покрытия или с покрытием хромом с последующей механической обработкой. Пластина также изготавливалась из алюминиевого сплава ПС-12. Верхний образец — букса — представляет собой брусок с размерами 6x5x20 мм, который закреплялся в пазу держателя, закрепленного на валу каретки. Образцы буксы изготавливались из поршневого кольца. Машина трения обеспечивает буксе возвратно-поступательное движение с ходом 4 мм и числом двойных
ходов 220 в минуту. Образцы перед испытанием прирабатывались.
Испытания хромовых покрытий с различной точечной пористостью производились в течение восьми часов при удельной нагрузке 10 МПа и режиме смазки маслом М12В одна капля за время испытания. Изнашивание поршневого сплава ПС-12 в паре с чугунными образцами без и с покрытием хромом производились в аналогичных условиях трения и смазки при удельной нагрузке 5 МПа в течение трех часов.
Все серии пар трения, которые испытывались по схеме « ролик-букса» при трении при вращении, были также исследованы в условиях сухого трения при удельной нагрузке 7,5 МПа в течение 17 мин. Во время испытаний каждую минуту фиксировался момент и коэффициент трения, замерялась температура буксы.
Первый этап исследований направлен на исследование влияния состояния рабочей поверхности буксы из бронзы С-30 при изнашивании с роликом, имеющим хромовое покрытие, на износ обеих материалов.
Электроосаждение хромового покрытия на ролики было выполнено анодноструйным способом из стандартного универсального электролита при плотности тока 6 кА/м2 и температуре 328 К с конструктивно-гидродинамическими параметрами электролизера: L/d = 7/5; d = 0,002 м; S/d = 3; Q = 7,2 ■ 10-4 м3/с.
О "o7 "o7-^7
Износ бронзовых образцов исследовался при исходном состоянии их поверхности после механической обработки и подгонки шабрением на прилегание к ролику: без приработки и приработочного оловянного покрытия; без приработки с приработочным оловянным покрытием; с приработанной поверхностью без покрытия. Для сравнения были выполнены испытания стали 45, закаленной ТВЧ, в сопряжении с бронзой С-30 после предварительной приработки ее поверхности.
Средние износы бронзы (числитель) и хромированных образцов (знаменатель), коэффициенты трения, моменты трения и температура буксы даны в табл. 1.
Оценка различия средних износов исследуемых материалов выполнена с использованием метода факторного анализа по схеме обследования.
Анализ вероятностной достоверности выводов о различии средних износов свинцовистой бронзы С-30 при различных состояниях ее поверхности перед испытанием дает основание считать, что износ бронзы без приработки выше, чем с приработочным покрытием, а также износа бронзы в сопряжении со сталью 45 после приработки до испытания.
Различия средних износов бронзы при изнашивании с хромовым покрытием с и без приработки, но с оловянным покрытием статистически не доказаны (по данным настоящих исследований). Различие средних значений износов бронзы с приработанной поверхностью при изнашивании с хромом и сталью 45 статистически также не доказано.
Как следует из табл. 1, коэффициент трения и температура буксы минимальны при изнашивании свинцовистой бронзы с прира-боточным оловянным покрытием.
Износ хромового покрытия при изнашивании с бронзой С-30 без предварительной приработки сопряжения существенно отличается от износа хрома при истирании с бронзой после приработки пары трения и при наличии приработочного покрытия.
Таблица 1
Средние износы, коэффициенты и моменты трения, температуры буксы при изнашивании свинцовистой бронзы С-30 с различным исходным состоянием ее поверхности в сопряжении
с хромовым покрытием и сталью 45
В то же время износы хромового покрытия при его работе с бронзой после приработки и при наличии приработочного покрытия статистически равноценны. Различие средних износов стали 45 и хромового покрытия в сопряжении с бронзой после приработки статистически не доказано. Второй этап исследования ставил своей целью изучить влияние параметров режима электролиза анодноструйного хромирования и состава бронзы на износ хрома и бронзы. Исследования пар трения по схеме «ролик-букса» при трении при вращении были выполнены согласно принятой методике.
Электроосаждение хрома было выполнено анодноструйным способом при плотности тока 5 кА/м2 и температурах 323, 328, 333, 338 К. Бронзовые буксы подгонялись к роликам пришабриванием и прирабатывались ступенчатым методом нагружения до достижения заданной удельной нагрузки 7,5 МПа. Исследования были выполнены с использованием метода комплексного эксперимента. Исследованию были подвергнуты бронзы: Бр. О5Ц5С5; Бр. О10Ф1; Бр. С-30. Результаты исследования представлены в табл. 2.
Пара трения Нагрузка кН Средний износ, мг Момент трения, Нм Коэффициент трения Температура буксы, К
Хром-бронза без приработки и покрытия 1,5 26,6 130,0 0,85 0,024 320
Хром-бронза без приработки с покрытием 1,5 13,2 43,6 0,38 0,011 309
Хром-бронза с приработкой без покрытия 1,5 15,0 29,8 0,55 0,015 315
Сталь 45 (ТВЧ)-бронза с приработкой без покрытия 1,5 11,8 30,0 0,40 0,008 309
Дисперсионный анализ результатов наблюдений показал, что статистически значимое влияние на износ хромового покрытия оказывает только состав бронзы. Действие температурного режима осаждения хрома на
его износ в сопряжении с бронзой статистически не доказано.
Исследования показали, что износ хромового покрытия в сопряжении с бронзой С-30 превышает износы его при истирании с
Выпуск 3
Выпуск 3
бронзами О10Ф1 и О5Ц5С5, а различие средних износов хромового покрытия в паре с этими материалами статистически не доказано.
Установлено также, что бронзы О10 Ф1 и О5Ц5С5 с хромом имеют более низкие значения износа, чем свинцовистая бронза. Различие же в износах бронз О10 Ф1 и О5Ц5С5 не превышает действия случайных факторов и статистически не доказано.
С целью получения данных об износе хромового покрытия при изнашивании с подшипниковым алюминиевым сплавом АСМ в сопоставлении с закаленной ТВЧ (НЯС52) сталью 45 выполнен однофакторный эксперимент на два уровня. Результаты испытания представлены в табл. 3, где даны средние износы, моменты и коэффициенты трения, температуры букс. Статистическая оценка различия средних износов сравниваемых пар трения позволяет сделать вывод, что различия средних износов как стали 45 и хромо -вого покрытия, так и износов сплава АСМ с этими материалами не превышают действия случайных факторов. Анализ полученных данных показывает, что при изнашивании
без смазки бронзы С-30 в сопряжении с хромовым покрытием и сталью 45 в закаленном состоянии наблюдаются наиболее низкие коэффициенты трения и температуры букс по сравнению с другими исследованными материалами. В начальный период времени испытания коэффициент трения пары сталь 45-Бр. С-30 значительно ниже, чем у сопряжения хром-Бр. С-30, но в дальнейшем они практически сравниваются. Приработочное покрытие (олово), нанесенное на рабочую поверхность буксы, при изнашивании с хромовым покрытием способствует снижению коэффициента трения для этой пары только в начальный период испытания. Однако коэффициент по величине все же более высокий, чем для стали 45. Очевидно, что покрытие истирается в первый период работы пары трения и в дальнейшем происходит трение хрома по бронзе. Отмечено, что колебания коэффициента трения бронзы как по хрому, так и по стали незначительные. Износ бронзы при изнашивании без смазки со сталью превышает износ ее с хромом, что следует из табл. 4.
Таблица 2
Средние значения износов, моменты и коэффициенты трения, температуры букс при изнашивании различных бронз с хромовым покрытием, электроосажденным при плотности тока 5 кА/м2 и различных температурах электролита
Температура
электролита,
К
Микроструктура хрома после травления
х100
Марка
бронзы
Средний
износ,
мг
Момент
трения,
Нм
Коэффиц.
трения,
мг
Температура буксы, К
323
О5Ц5С5
О10Ф1
С-30
21.3 3,30 21,0
14.0
15.0
12.3
0,40
0,40
0,40
0,011
0,011
0,020
309
308
309
328
О5Ц5С5
О10Ф1
С-30
13.0
9.0 12,3
8.0 60
22,7
0,40
0,40
0,40
0,011
0,011
0,014
309
309
315
Таблица 2 (Окончание)
43.3 11.7 13.3 7.7 62.7 15,0
333 В О5Ц5С5 О10Ф1 С-30 0,40 0,45 0,50 0,011 0,013 0,014 309 313 309
14,0
Л®5 О5Ц5С5 12,3 0,40 0,011 309
338 О10Ф1 22,3
8,0 0,45 0,013 310
98,7
? С-30 12,0 0,61 0,017 321
Таблица 3
Средние износы, моменты и коэффициенты трения, температуры буксы при изнашивании хромового покрытия и стали 45 со сплавом АСМ
Материал пары Удельная Средний износ, Момент трения, Коэффициент Температура
трения нагрузка, кН мг Нм трения буксы, К
хром АСМ 1,5 38,5 133,0 0,48 0,013 314
сталь 45 АСМ 1,5 26,6 145,5 0,48 0,013 318
Характер изменения коэффициента и температуры трения для сопряжений «хром-Бр. О10 Ф1» и «хром-Бр. О5Ц5С5» практически одинаковый как в начальной стадии испытания, так и в последующий период времени. Изнашивание этих пар сопровождается более интенсивным по сравнению с бронзой С-30 ростом температуры и коэффициента трения. Отмечено колебание коэффициента трения, что связано с эффектом действия мягкой составляющей сплава. Для стали 45 в сопряжении с Бр. О10Ф1 и Бр. О5Ц5С5 по сравнению с хромом отмечены значительно более высо-
кие значения как коэффициентов трения, так и температуры буксы на всем протяжении испытания. Со сталью 45 бронза О10 Ф1 показывает более низкие значения коэффициента трения, чем с Бр. О5Ц5С5, а интенсивность буксы при изнашивании без смазки со сталью 45, закаленной ТВЧ, по сравнению с износом с хромом значительно выше. Бронза О10 Ф1 имеет более низкие значения износа как при изнашивании с хромом, так и со сталью, по сравнению с Бр. О5Ц5С5. Свинцовистая бронза С-30 имеет износ с хромом и сталью более высокий, чем бронзы О10Ф1 и О5Ц5С5.
Таблица 4
Износы подшипниковых материалов при изнашивании без смазки со сталью 45
и хромовым покрытием
Бронза О5Ц5С5 С-30 О10Ф1 АСМ
Сопряжен- ные материалы хром сталь 45 (ТВЧ) хром сталь 45 (ТВЧ) хром сталь 45 (ТВЧ) хром сталь 45 (нормализованная) сталь 45 (ТВЧ)
Износ, мг 26 1319 1126 2101 17 1297 374 1572 2388
Выпуск 3
Рис. 1. Микроструктура пористого хрома после травления (а) и последующей механической обработки (б) при увеличении *100 Д = кА/м2 ; 1 — Т = 323 К; 2 — 328 К; 3 — 333 К; 4 — 338 К
/-лк > ???
” Электролитический хром показал вы-
ск
пу сокую работоспособность при изнашивании
ы
00 без смазки с алюминиевым сплавом АСМ
по сравнению с нормализованной и закаленной сталью 45. При изнашивании со сплавом АСМ и сталью 45 имеет место интенсивный рост коэффициента трения и температуры буксы. Разрушение слоя сплава АСМ при изнашивании со сталью 45 наступает уже через
1,5-2,0 мин при нагрузке 0,5 кН. С хромовым покрытием продолжительность испытания до разрушения сплава АСМ увеличилась в четыре раза, а температура буксы соответственно увеличилась в два раза. При этом коэффициент трения, как и при изнашивании стали 45 со сплавом АСМ, резко увеличился и при температуре около 400 К снизился при последующем колебании в определенных пределах с
тенденцией к снижению. Износ буксы при изнашивании с хромом был значительно ниже, чем со сталью 45, несмотря на более продолжительный период времени изнашивания.
Результаты исследования износостойкости хромового покрытия и чугуна поршневых колец в сопряжении с алюминиевым сплавом ПС-12 показали, что хромовое покрытие при изнашивании со сплавом ПС-12 по сравнению с чугуном поршневых колец в условиях ограниченной смазки имеет значительно меньший износ. Эти результаты подтверждают мнение ряда специалистов о целесообразности использования хромового покрытия на торцевых поверхностях поршневых колец двигателей для повышения ресурса сопряжения «канавка-компрессионное кольцо» поршней двигателей, изготовленных из алюминиевых сплавов (ПС-12, АЛ-4).
Статистические исследования износостойкости пористого хрома точечного типа в сопряжении с чугуном поршневых колец при относительном возвратно-поступательном движении образца кольца относительно неподвижного образца втулки в условиях ограниченной смазки и сухого трения показали, что наименьший износ сопряженных материалов имеет место при режиме электроосаждения: температуре электролита 333-338 К и плотности тока 5-8 кА/м2. Микроструктура пористого хрома после травления и последующей механической обработки для указанных режимов электроосаждения представлена на рис. 5.
Результаты исследования хорошо согласуются с данными практики. Исследования позволили установить некоторые закономерности изменения износостойкости в зависимости от условий изнашивания хромовых покрытий, полученных анодноструйным способом в универсальном стандартном электролите, в сопряжении с конструкционными материалами, распространенными в сборочных единицах судовых дизелей и технических средствах. Установлено, что хромовое покрытие при соблюдении технических требований эксплуатации по нагрузкам и скоростям относительного перемещения, условию смазки и другим требованиям позволяет упрочнять и восстанавливать детали судовых технических
средств, работающих в достаточно нагруженных условиях.
Электролитическое хромирование — один из немногих технологических методов, позволяющий восстанавливать и упрочнять коренные и шатунные шейки коленчатых валов быстроходных судовых дизелей, подвергнутых химико-термической обработке — азотированию на глубину слоя до 0,6 мм.
Материалом для изготовления валов служит высокопрочная сталь 18Х2Н4МА ГОСТ 4543-61 с механическими свойствами до азотирования вдоль волокон: о > 1050 МПа; о > 800 МПа; Ч> > 45 %; а > 0,8 МПа;
5 С 5 ’ Н 5 5
НВ = 302 - 364. Твердость после азотирования НУ > 600, шероховатость поверхности шеек вала — Яа = 0,16 мкм после полирования абразивным полотном. Шейки вала работают в паре с подшипниками биметаллического типа с антифрикционным слоем из бронзы О1С22 и приработочным гальваническим покрытием из сплава свинец-олово (90 % РЬ + 10 % 8и). Сборочная единица работает в условиях трения скольжения при нагрузке 40 МПа, температуре 80 оС и окружной скорости 10 м/с.
Основными причинами выбраковки коленчатых валов по состоянию коренных и шатунных шеек является нарушение формы и диаметрального размера в результате износа, задиры, риски и вмятины, дефекты усталостного характера.
Статистический анализ фактических из-носов шеек коленчатых валов дизеля 12ЧНСП 18/20, поступающих на капитальный ремонт в дизелеремонтные цеха, показал, что максимальные износы коренных и шатунных шеек составляют 0,06 и 0,04 мм соответственно. Овальность шеек составляет не более 0,01 мм у шатунных и 0,02 мм у коренных шеек после 4,0-4,5 тыс. ч работы. Главной причиной выбраковки валов, кроме дефектов усталостного характера, является нарушение формы (овальность и конусность) шеек валов и наличие рисок, глубина которых достигает 0,1-0,2 мм. Необходимость восстановления параметров формы шеек и выведения рисок с поверхности шеек согласно техническим требованиям ремонтного чертежа увеличивает толщину слоя, который необходимо снять механической обработкой с поверхности шеек вала. Суммар-
Выпуск 3
Выпуск 3
ная толщина металла, подлежащего съему, не должна превышать 0,1 мм. Это обусловлено недопустимостью уменьшения толщины азотированного слоя стали более указанного в ремонтном чертеже. Нарушение этого требования снижает износостойкость шеек вала. Электролитически осажденный хром по антифрикционным свойствам не уступает процессу азотирования стали.
Износостойкость электролитического хрома зависит от условий его получения. При правильном выборе условий электролиза и режимов его обработки износостойкость деталей в результате хромирования возрастает. Однако этот эффективный метод защиты поверхностей трения следует применять с учетом видов изнашивания и сочетания материалов трущихся пар. При трении хромового покрытия по бронзе в условиях неблагоприятного сочетания удельных давлений на поверхности трения (5,0-10,0 МПа), скорости относительного перемещения (2,0-6,0 м/с), несовершенной смазки и температуры (выше 300 оС) интенсивность износа гладкого электролитического хрома может превышать интенсивность износа цементированных и азотированных сталей.
Износ хромового покрытия и азотированной
В результате анализа процесса изнашивания хромированных деталей машин можно сделать вывод о том, что электролитическое хромовое покрытие в зависимости от вида износа в конкретных условиях трения может давать значительный эффект, либо не оказывать существенного влияния на износ, либо даже увеличивать его интенсивность.
В связи с противоречивыми данными по износостойкости хромовых покрытий для сравнительной оценки хромовых покрытий и азотированной стали 18Х2Н4МА в паре со свинцовисто-оловянистой бронзой О1С22 были выполнены исследования на машине трения МИ-1 по схеме «ролик-колодка» при трении при скольжении. Смазка осуществлялась маслом М16В (две капли в минуту) при удельной нагрузке 7,5 МПа. Образцы перед взвешиванием промывались в бензине Б-70 и просушивались. Перед испытаниями пары трения прирабатывались до стабильного момента трения и температуры. Испытания проводились на пути трения 12 400 м при скорости вращения ролика 0,48 м/с. Результаты испытаний представлены в табл. 5.
Таблица 5
стали 18Х2Н4МА в паре с бронзой О1С22
1132^
Пара трения Число испытаний Износ, мг Средний износ, мг Момент трения, Нм Коэффициент трения Температура, оС
хром бронза 11 39 69 71 51’34’40 93 51. 29 77 25’ 38 27 . 65. 23 11 ’ 13*25 77 86 22’40 57,3 37,6 0,7 0,020 42
Азотир. сталь Бронза 47 20 75 54’42’17’ 29 89 88 55 ’ 43 ’ 60 ’ 88 33 89 42 ’ 74 ’ 22 ’ 33.31 17’53 56,5 47,9 3,6 0,104 140
Проверка гипотизы о равенстве значений износа азотированных и хромированных образцов показала, что различие между средними значениями незначительно. Однако нулевая гипотеза о равенстве средних значений износов свинцовисто-оловянистой бронзы в паре с хромом и азотированной сталью отвергается. Таким образом, хромовое покрытие не показало более высокой износостойкости, чем
азотированная сталь. В то же время бронза в паре с азотированной сталью изнашивается на 26 % больше, чем в паре с хромом. Очевидно, что в условиях абразивного износа хромовое покрытие проявляет себя более эффективно, чем азотированная сталь. Это обусловлено высокой твердостью покрытия (8500-1100 МПа) по сравнению с азотированной сталью (650-750 МПа).
Таблица 6
Изменение момента и коэффициента трения температуры образцов в зависимости от удельной нагрузки
Пара Параметр Удельная нагрузка, МПа
трения 1,25 2,50 3,75 5,00 6,25 7,50
Момент 0,20 0,30 0,35 0,40 0,50 0,7
трения, Нм 0,40 1,00 1,50 2,50 3,20 3,6
хром-бронза Коэффиц. 0,035 0,026 0,02 0,022 0,017 0,02
Азот, сталь-бронза трения 0,079 0,087 0,087 0,109 0,111 0,104
Темпер., 25 30 35 35 36 42
оС 35 70 85 85 112 140
Исследования показали, что пара трения «азотированная сталь-свинцовисто-оловя-
нистая бронза» работает в условиях высокого тепловыделения, что обусловлено более высоким коэффициентом трения по сравнению с парой трения «хром-бронза». В этом отношении хромовое покрытие обеспечивает более высокую надежность узла трения. Измерения температуры колодки, коэффициентов и мо-
ментов трения в зависимости от удельной нагрузки представлены в табл. 6.
Таким образом, процесс хромирования по износостойкости в сопряжении с бронзой О1С22 является альтернативным методом процессу азотирования для упрочнения стали 18Х2Н4ВА и может быть использован при восстановлении шеек азотированных коленчатых валов в случаях их изнашивания.
Список литературы
1. Вороницын И. С. Исследование механических свойств хромовых покрытий, применяемых для упрочнения и восстановления деталей машин: моногр. — Л.: ЛДНТ, 1963. — 210 с.
2. Горбатый В. К. Исследование электролитического проточного хромирования как способа упрочнения цилиндров автотракторных двигателей: автореф. дис. ... канд. техн. наук. — Л.: ЛДНТП, 1958. — 20 с.
3. Голицын В. А. Восстановление и упрочнение деталей анодно-струйным хромированием при ремонте дизелей судов внутреннего плавания: автореф. дис. . канд. техн. наук. — Л.: ЛИВТ. 1985. — 240 с.
4. Голицын В. А. Износостойкость хромового покрытия и азотированной стали при трении со свинцовистой бронзой // Судостроение и судоремонт: сб. науч. тр. / под ред. А. А. Кузьмина; СПГУВК. — СПб., 1998. — С. 85-88.
Выпуск 3
Выпуск 3
5. Яхнина В. Д. Исследование износостойкости азотированной стали различного состава. — Киев: Киевский дом научно-технической пропаганды, 1970. — Вып. V: Технологические методы повышения износостойкости. — С. 50-53.
6. Иванов В. И., Дехтярь Л. И. Износостойкость хромовых покрытий, полученных в проточном электролите // Электронная обработка материалов. — 1975. — Вып. 2.
7. Лисник Н. К. Исследование и разработка технологии восстановления шеек коленчатых валов автотракторных двигателей проточным хромированием: автореф. дис. . канд. техн. наук. — Кишинев: КСХИ, 1977. — 21 с.
8. Молчанов Н. Ф. Восстановление и упрочнение деталей автомобилей хромированием. — М.: Транспорт. 1981. — 175 с.
Рассматриваются методологические основы управления состоянием электротехнических систем (ЭТС). Приводится определение и дается классификация различных видов категории «состояние». С позиции управления состоянием рассматриваются задачи, которые имеют место на различных этапах жизненного цикла ЭТС. Предлагается единый подход к решению этих задач, основанный на информации о границе области работоспособности системы.
Methodological bases of management by a condition of electrotechnical systems (ETS) are considered. Definition is resulted and classification of various kinds of a category a condition is given. From a position ofmanage-ment the condition considers problems which take place at various stages of life cycle ETS. The uniform approach to the decision of these problems, based on the information on border of area of working capacity of system is
Ключевые слова: управление состоянием, область работоспособности, запас работоспособности, структурный синтез, параметрический синтез, электротехнические системы.
Key words: management of a condition, working capacity area, working capacity stock, structural synthesis, parametrical synthesis, electrotechnical systems.
УДК 629.12.04
А. В. Саушев,
канд. техн. наук, доцент, СПГУВК
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ СОСТОЯНИЕМ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
THEORETICAL BASES OF MANAGEMENT OF THE CONDITION ELECTROTECHNICAL SYSTEMS
offered.
РОЦЕСС управления состоянием к изучению целенаправленных и случайных
электротехнических систем (ЭТС) процессов изменения структуры и парамет-
включает целый комплекс задач ана- ров элементов ЭТС, определяющих качество
|щ]
лиза и синтеза, имеющих место на различных их работы, способов и принципов управления
этапах и стадиях их жизненного цикла. До этим процессом. При этом под ЭТС будем по-
последнего времени эти задачи рассматрива- нимать упорядоченную совокупность взаимо-
лись изолированно и независимо одна от дру- связанных и взаимодействующих электротех-
гой, хотя при более общем взгляде все они ока- нических устройств (ЭТУ), образующих еди-
зываются тесно связанными. Объединяющим ное функциональное целое, предназначенное
началом является то, что их решение сводится для решения определенной задачи.
