CC BY
8dezinfekcii furgonov / V.S. Mel'nikov, I.N. Goryachkina, M.YU. Kostenko i dr. // Politematicheskij setevoj ehlektronnyj nauchnyj zhurnal Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta (Nauchnyj zhurnal KubGAU) [EHlektronnyj resurs]. - Krasnodar: KubGAU, 2015. - №03(107). S. 419 - 432. - IDA [article ID]: 1071503029. - Rezhim dostupa: http://ej.kubagro.ru/2015/03/pdf/29.pdf, 0,875 u.p.l.
2. Pat.158282 Rossijskaya Federaciya, MPK A01S 1/08. Ustanovka obrabotki korneklubneplodov rastenij pered posadkoj ili zakladkoj na hranenie / Teterin VS., Sokolov D.O., Kostenko M.YU., Kostenko N.A., Goryachkina I.N., Mel'nikov V.S.; zayavitel' i patentoobladatel' Mel'nikov V.S.. - №2015131443/13; zayavl.18.07.2015; opubl. 27.12.2015 .Byul. №36.
3. Kostenko M. YU., Issledovanie topografii temperaturnogo polya oblaka generatora goryachego tumana /Kostenko M. YU., Goryachkina I. N., Mel'nikov V. S., Evsenina M. V, Kostenko N. A.// Vestnik RGATU, №3, 2015.-Ryazan', RGATU.- S. 65-69.
4. Pat. 142474 Rossijskaya Federaciya, MPK A61L2/07. Ustanovka dlya obrabotki rabochih poverhnostej dezinficiruyushchimrastvorom spomoshch'yu vodyanogopara/Mel'nikov V.S., Kostenko M.YU., Goryachkina I.N.; patentoobladatel': Mel'nikov US.. - №2014111358/15; zayavl. 25.03.2014; opubl. 27.06.2014, byul. №18.
5. Pat. 2554770 Rossijskaya Federaciya, MPK A61L2/07. Sposob obrabotki rabochih poverhnostej dezinficiruyushchim rastvorom s pomoshch'yu vodyanogo para i ustanovka dlya ego osushchestvleniya /Goryachkina I.N., Kostenko M.YU., Mel'nikov V.S., Teterin V.S., patentoobladatel': Goryachkina I.N.. -№2014110969/15; zayavl. 21.03.2014; opubl. 27.06.2015, byul. №18.
УДК 624.014.1:621.81
ТЕРМОХИМИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА ПОВЕРХНОСТИ ЧУГУННОЙ ОСНОВЫ ДЕТАЛЕЙ МАШИН ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ АДГЕЗИОННЫХ СВЯЗЕЙ ПРИ ХОЛОДНОМ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОМ ПОКРЫТИИ
ПОЛИЩУК Светлана Дмитриевна, д-р техн. наук, профессор, профессор кафедры лесного дела, агрохимии и экологии, [email protected]
ЧУРИЛОВ Дмитрий Геннадьевич, канд. техн. наук, доцент кафедры технологии металлов и ремонта машин,[email protected]
Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева
Для сохранения машинно-тракторного парка (МТП) в рабочем состоянии необходимо соблюдать условия его технического обслуживания, ремонта, а также осуществлять защиту от коррозионных потерь. Эффективным и распространенным способом защиты металлов и сплавов от коррозии является нанесение покрытий. Цель работы - разработка условий для сокращения количества свободного углерода, находящегося на поверхности чугунной основы для формирования адгезионных связей при холодном газодинамическом покрытии (ХГДН). Одним из факторов, влияющих на адгезионную прочность, является температурный интервал активности флюса. Наличие на чугунной поверхности до 40% свободного углерода, по причине его присутствия в структуре чугуна, препятствует образованию химических связей и замедляет диффузионные процессы между основой и покрытием, тем самым уменьшая адгезионную прочность. Для процесса формирования адгезионных связей между газодинамическим покрытием и чугунной основой предложены технологические мероприятия, обеспечивающие адгезионную прочность покрытий на чугунных деталях, а также установлены технологические факторы нанесения покрытия. С целью повышения адгезионной прочности предлагается удалить свободный углерод с поверхности основы способом термохимической очистки низкотемпературным флюсом, состоящим из 30% хлористого аммония NH4Cl, до 70% хлористого цинка ZnCl2 и до 2% перманганата калия КМп04. Флюс выдерживают на поверхности в течение 3-7 минут и подогревают до температуры 473- 673 К. В результате возрастают количество активных частиц, скорость реакции, число химических связей и, как следствие, адгезионная прочность.
Ключевые слова: ремонт автомобилей, покрытия, флюс, адгезия.
_© Полищук С. Д., Чурилов Д.Г., 2017г._
Введение
Одной из важных технологических операций, влияющих на формирование адгезионных связей, является подготовка поверхности под напыление. При холодном газодинамическом покрытии (ХГДН) подготовку чугунной поверхности производят абразивно-струйной обработкой электрокорундом под углом 90° [1,2,3]. При этом появляется возможность закрепления частиц электрокорунда в местах дислокации графита на чугунной поверхности и создания подслоя со слабыми механическими связями. Ударное действие частицы определяется углом встречи, скоростью частицы (кинетической энергией) и специфическими свойствами основы и частицы. При этом в зависимости от влияния этих факторов процесс удара сопровождается либо отскоком частицы, либо внедрением ее на некоторую глубину и закреплением в основе [4-7].
В период внедрения частица электрокорунда на высокой скорости, ударившись о поверхность преграды, производит деформации сжатия и сдвига материала основы. При попадании частицы в места дислокации графита разрушаются хрупкие слои графитовой составляющей поверхности, и
часть ее «выплескивается» на поверхность.
С целью улучшения чистоты и активации чугунной поверхности необходимо исключить закрепление частиц электрокорунда в местах дислокаций графита и уменьшить количество свободного углерода, находящегося на поверхности основы, для образования устойчивых диффузионных связей. Достичь этого возможно изменением угла абразивной обработки в пределах 30-50° С и дополнительной обработкой чугунной поверхности от несвязанного углерода методом термохимической очистки.
Процесс формирования адгезионных связей между основой и газодинамическим покрытием рассматривается как система с химическим взаимодействием компонентов [8-11]. В данной системе химические реакции зависят от энергии активации. При повышении температуры увеличивается диффузионная подвижность атомов, в результате чего возрастают количество активных частиц, скорость реакции, количество химических связей и, как следствие, адгезионная прочность. Одним из факторов, влияющих на адгезионную прочность, является температурный интервал активности флюса (рис. 1).
V - скорость реакции, м/с, Ттлп, Ттах - нижняя и верхняя температурные границы активности флюса, К, ^п, ^ах - нижняя и верхняя границы времени активации (выдержки) флюса, мин. Рис.1 - Область температурного интервала активности S (а - б - в) флюса
Характер зависимости показывает, что при достижении некоторой температуры начала плавления флюса повышается и его флюсующая активность. Температурный интервал активности флюса зависит от его составляющих: растворителей и активаторов [12,13]. В качестве растворителей используются кислоты или вода. Наибольшее распространение среди активаторов флюсов для чугуна имеют хлористые и фтористые соли (табл.) [10]. Вместе с тем, использование флюсов на основе фтора вызывает необходимость его подогре-
ва до температуры 973-1053 К, что способствует образованию толстой оксидной пленки на поверхности детали, снижающей адгезионную прочность. В большей степени в качестве активаторов флюса используются смеси хлорида цинка с хлоридом аммония, обладающие низким температурным интервалом активности (473-673 К) (табл.). Однако использование солей цинка приводит к образованию коррозии металла, что негативно влияет на формирование адгезионных связей.
Таблица - Температурные интервалы активности для некоторых флюсов, используемых для удаления углерода с поверхности чугуна
Марка флюса Состав флюса, % Температурный интервал
ФПСН-2 45 Н3ВО3; 22,5 Na2CO3; 22,5 Li2CO5; 10 солевого сплава 953 - 1273
ЦМТУ - 05 - 112 - 68 72,5 NaCl; 27,5 NaF 1123 - 1373
- 52 KBF4; 26 ZnCl2; 10 BaCl2; 12 LiF 973 - 1053
- 75 KCl; 25 Н3ВО3 743 - 873
- 25 - 30 Nh4Cl; 65 - 70 ZnCl2 473 - 673
В работе предложено для улучшения реакции окисления углерода поверхности и уменьшения коррозии чугунной поверхности во флюс добавлять до 2% перманганата калия (КМп04).
При температуре Т = 573 К пермангангат калия разлагается на оксид марганца и кислород, которые вступают в реакцию с углеродом, образуя при этом летучие, легко растворяющиеся соединения, способствующие очистке поверхности от свободного углерода. Протекание реакции описывается формулами 1, 2.
(1)
(2)
Подтвердить предположение о возможности протекания реакции окисления графита на чугунной основе (2) возможно на основе термодинамического анализа всех предполагаемых возможных реакций. Как известно, термодинамическая возможность химической реакции определяется значением изобарно-изотермического потенциала
( ДG0, кДж/моль) при данной температуре Т, К. Протекание реакции возможно при отрицательном значении дG0 <0.
Изобарно-изотермический потенциал (ДG0, кДж/моль) рассчитывается по формуле:
GД0 = ДН0- ТДЭ°
где ДН0 - изменение энтальпии реакции, кДж/ моль;
Т - температура, при которой протекает реакция, К;
ДЭ° - изменение энтропии реакции, Дж/ Кхмоль.
По формуле (3) для вычисления изобарно-изо-термического потенциала (ДG° ) необходимо найти изменение энтальпии ( ДН0), энтропии (ДЭ°) реакции.
Протекание реакции (2) описывается выражениями:
ДН° = 2 АН° +АН°М - ДЯ° + АН°Г =101,34 кДж/моль;
со Мп Мп02 С ' ^
Д£° = 2ДЛ'° + АБ°Ш - ДЛ'Ц + ДЛ1; = 368,89x10"3 Дж/Кхмоль;
= 101,34 - 573x368,89x10"3 = -110,03 кДж/моль.
Так как ДG° имеет отрицательное значение, то реакция в прямом направлении при данной температуре Т = 573 К возможна. При нагреве поверхности детали высвобождающийся кислород вступает
в реакцию с углеродом. В этом случае на поверхности основы при температуре Т = 573 К возможно протекание реакций в двух направлениях [11]:
1. С + О2 =СО2 , (4)
2. С +0,5О2 =СО . (5)
Для реакции (4): ДН0=- 393,5кДж/моль;
ДЭ° = 21°,23х1°-3 Дж/Кхмоль;
ДG° = - 225,36 кДж/моль.
В реакциях образования СО2 и СО изобарно-изотермический потенциал (ДG°12 ) имеет отрицательное значение, следовательно, протекание реакций при данной температуре возможно в прямом направлении, но так как вероятность реакции в первом направлении больше (ДЭ1° > ДЭ2° ), то реакция пойдет по первому направлению, т.е. окисление С до СО2.
Вместе с тем, флюсующая активность оценивается не только по температурному интервалу, но и по времени активации (выдержки) и увеличивается с повышением температуры до определенной величины, после чего происходит спад (рис. 2).
Рис. 2 - Зависимость времени активации (выдержки) флюса от температуры
В работах [12,13] показано, что время активации (выдержки) флюса может составлять до 1° минут. С целью оптимизации процесса окисления свободного углерода на чугунной поверхности и влияния времени активации (выдержки) флюса на адгезионную прочность проведены однофактор-ные эксперименты с применением предложенного флюса. Подготавливались 3 группы образцов из чугуна СЧ 25 одинаковых размеров. Поверхность образцов обработали электрокорундом. После нанесения флюса на обработанную поверхность основы определенное количество образцов каждой группы выдерживали в интервале от 1 до 9 минут. Далее первую группу подогревали до 473 К, вторую - до 573 К и третью - до 673 К. После этого поверхность основы очищалась от остатков флюса
струей горячего воздуха. На очищенную поверхность наносилось газодинамическое покрытие. Подготовленные образцы с газодинамическим покрытием помещались в разрывную машину Р-05 УЧ. 2 № 19 со шкалой деления С-0-4900 Н (0-500 кгс, цена деления шкалы 1,0 кгс) и производили испытания на отрыв покрытия от основы. Опыты показали, что применение предложенного флюса с временем активации (выдержки) от 3 до 7 минут увеличивает адгезионную прочность газодинамических покрытий (рис. 3) с 20 МПа (при обработке электрокорундом) до 35 МПа (с электрокорундом и флюсом, содержащим до 30% NН4Cl; до 70% ZnCl2; до 2% КМп04). Это свидетельствует о благоприятном влиянии флюса на процесс формирования адгезионных связей.
40 МПа
30
25
20
15
10
у р—
/ > ч 1 ■ 1
1/ \1
Г
У >
6 7 мин. 9
1 - при температуре Т = 473 К, 2 - при температуре Т = 573 К; 3 - при температуре Т = 673 К. Рис. 3 - Влияние обработки поверхности низкотемпературными флюсами на адгезионную прочность газодинамических покрытий
Таким образом, результаты проведенного эксперимента показывают, что применение термохимической очистки чугунной поверхности предложенным флюсом очищает и активирует поверхность в интервале температур от 473 К до 673 К с временем активации (выдержки) от 3 до 7 минут, тем самым, увеличивая адгезионную прочность газодинамических покрытий до 37 МПа. Можно предположить, что во время такой обработки происходит взаимодействие элементов флюса с атомами свободного углерода, находящимися на поверхности основы, что создает благоприятные условия для формирования адгезионных связей.
Заключение Предложена технологическая операция, влияющая на формирование адгезионных связей при подготовке чугунной поверхности под напыление холодным газодинамическом методом. Предложено в качестве улучшения реакции окисления углерода поверхности и уменьшения коррозии чугунной поверхности во флюс добавлять до 2% перманганата калия (КМп04). Проведены термодинамические расчеты для4 реакции окисления
углерода поверхности, и доказано, что очистка чугунной поверхности предложенным флюсом очищает и активирует поверхность в интервале температур от 473 К до 673 К с временем активации (выдержки) от 3 до 7 минут, тем самым увеличивая адгезионную прочность газодинамических покрытий до 37 МПа. Во время такой обработки происходит взаимодействие элементов флюса с атомами свободного углерода, находящимися на поверхности основы, что создает благоприятные условия для формирования адгезионных связей.
Список литературы
1. Порошковая металлургия и напыленные покрытия [Текст] / В. Н. Анциферов, Г. В. Бобров, Л. К. Дружинин [и др.]. - М. : Металлургия, 1987. -792 с.: ил.
2. Беляев, Н. М. Сопротивление материалов [Текст] / Н. М. Беляев. - М. : Наука, 1976. - 608 с.: ил.
3. Евдокимов, И. Н. Физические эффекты при бурении нефтяных и газовых скважин. Эффекты удара [Текст] / И. Н. Евдокимов, И. А. Ведищев / Министерство образования РФ, РГУНиГ. - М.: Готика, 2001. - 128 с.: ил.
4. Каширин, А. И. Технология газодинамического нанесения металлических покрытий [Текст] / А. И. Каширин, Т. В. Буздыгар, А. В. Шкодкин // Сварщик. - 2003. - №4. - С. 25-27; №5. - С. 24-27; №6. С. 23-25.
5. Косарев, В. Ф. Физические основы холодного газодинамического напыления [Текст] : дис. ... д-ра физ. - мат. наук: 01.02.05: защищена 15.04.03: утв. 06.11.03 / Косарев Владимир Федорович. - Новосибирск, 2003. - 292 с. - Библиогр.: С. 282-292.
6. Косарев, В. Ф. Экспериментальное исследование деформации и соединения микрочастиц с преградой при высокоскоростном ударе [Текст] / В. Ф. Косарев, А. П. Алхимов, С. В. Клинков // Теплофизика и аэромеханика. - 2000. - Т. 41. - №2.
- С. 157-162.
7. Типовые рекомендации по использованию порошкового метода нанесения защитных покрытий [Текст] / В. В. Кудинов П. Ю. Пекшев [и др.]. -М.: ИМЕТ, 1982. - 150 с.; ил.
8. Лашко, С. В. Пайка металлов [Текст] / С. В. Лашко, Н. Ф. Лашко. - М. : Машиностроение, 1988
- 376 с.: ил.
9. Филин, А. П. Прикладная механика твердого деформируемого тела [Текст] / А. П. Филин. - М. : Наука, 1981. - 480 с.: ил.
10. Ормонт, Б. Ф. Введение в физическую химию и кристаллохимию полупроводников [Текст] : учебное пособие для вузов / Б.Ф. Ормонт, под ред. проф. В.М. Глазова. - 3-е изд., испр. и доп. - М. : Высшая школа, 1982. - 528 с. : ил.
11.Солоненко, О. П. Высокоэнергетические процессы обработки материалов [Текст] / О. П. Солоненко, А. П. Алхимов, В. В Марусин. - Новосибирск : Наука, 2000. - 425 с.: ил.
12.Чурилов, Д. Г. Теоретические исследования напряженности в системе покрытия - основа в процессе реализации комбинированного способа восстановления изношенных деталей машин [Электронный ресурс] / Д. Г. Чурилов //Политема-
тический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета.- 2012. - № 82. - С. 232-258.
13. Чурилов, Д. Г. Влияние полярного эффекта
и материала электродов на перенос присадочного порошкового материала при электроимпульсном способе / Д. Г. Чурилов, М. Н. Горохова //Труды ГОСНИТИ.- 2012. -Т. 109.- № 2. - С. 51-56.
THERMO-CHEMICAL CLEANING THE SURFACE OF CAST-IRON PARTS OF MACHINES FOR FORMING ADHESIVE LINKS IN A CASE OF COLD GAS-DYNAMIC COVER
Polischuk, Svetlana D., Doctor of Technical Science, Full Professor of the Faculty of Chemistry, Ryazan State Agrotechnological University Named after P.A. Kostychev, [email protected]
Churilov, Dmitry G., Candidate of Technical Science, Associate Professor of the Faculty of Metals Technology and Machine Maintenance,[email protected]
To maintain Machine and Tractor Fleet in working order, it is necessary to comply with conditions of its maintenance, repair, and also to protect it against corrosion. An effective and common way to protect metals and alloys from corrosion is coating. The aim of the work is developing conditions to reduce free carbon on the surface of cast-iron base in order to form adhesion links when cold gas-dynamic coating. One of the factors influencing adhesion strength is the temperature range of flux activity. The presence of up to 40 % free carbon on the cast-iron surface due to its presence in the structure of cast-iron prevents formation of chemical links and slows diffusion processes between the base and covering, and thereby reduces adhesion strength. In order to form adhesion links between gas-dynamic coating and cast-iron base some technological activities providing adhesion strength of the coating on cast-iron details are proposed and technological factors of coating are determined. To increase adhesion strength it is proposed to remove free carbon from the surface of the base by thermo-chemical cleaning with low temperature flux consisting of 30 % ammonium chloride NH4Cl, up to 70 % zinc chloride ZnCl2 and up to 2 % potassium hypermanganate KMnO4, put on the surface for 3-7 minutes and heated up to 473- 673 K. As a result the number of active particles, reaction rate, number of chemical links and adhesion strength increase.
Key words: automobiles repair, covering, flux, adhesion.
Literatura
1. Anciferov, V.N. Poroshkovaya metallurgiya I napylennye pokrytiya [Tekst]/V.N. Anciferov, G.V. Bobrov, L.K. Druzhinin [i dr.]. - M.: Metallurgiya, 1987. - 792 s.: il. - Bibliogr.: s. 3-6.
2. Belyaev, N.M. Soprotivlenie materialov[Tekst]/N.M. Belyaev- M.: Nauka, 1976. - 608 s.: il. - Bibliogr.: S. 603 - 608.
3. Evdokimov, I.N. Fizicheskie ehfekty pri burenii neftyanykh i gazovykh skvazhin. Ehffekty udara [Tekst] /I.N. Evdokimov, I.A. Vedischev. Ministerstvo obrazovaniya RF, RGUNiG. - M.: Gotika, 2001. - 128 s.: il. -Bibliogr.: S. 128.
4. Kashirin, A.I. Tekhnologiya gazodinamicheskogo naneseniya metallicheskikh pokrytiy [Tekst] / A.I. Kashirin, TV. Buzdygar, A.V. Shkodkin // Svarschik. - 2003. - № 4. - S. 25-27; № 5. - S. 24-27; № 6. S. 23-25.
5. Kosarev, V.F. Fizicheskie osnovy kholodnogo gazodinamicheskogo napyleniya [Tekst]: dis. ... d-ra fiz.-mat. nauk: 01.02.05: zaschischena 15.04.03: utv. 06.11.03/Kosarev Vladimir Fedorovich. - Novosibirsk, 2003.
- 292 s. - Bibliogr.: S. 282-292.
6. Kosarev, V.F. Ehksperimental'noe issledovanie deformacii isoedineniya mikrochastits s pregradoy pri vysokoskorostnom udare [Tekst] /V.F. Kosarev, A.P. Alkhimov, S.V Klinkov // Teplofizika i aehromekhanika. -2000. - T. 41, № 2. - S. 157-162. - Bibliogr.: S. 162.
7. Kudinov, V. V. Tipovye rekomendacii po ispol'zovaniyu poroshkovogo metoda naneseniya zaschitnykh pokrytiy [Tekst] / V.V. Kudinov, P.Yu. Pekshev [i dr.]. - M.: IMET, 1982. - 150 s.; il. - Bibliogr.: S. 150.
8. Lashko, S.V. Payka metallov [Tekst] / S.V. Lashko, N.F. Lahko - M.: Mashinostroenie, 1988 - 376 s.:il. -Bibliogr.: s. 375-376. - ISBN 5-217-00268-9 Filin, A.P. Prikladnaya mekhanika tverdogo deformiruemogo tela [Tekst]/A.P. Filin - M: Nauka, 1981. - 480 s.: il. - Bibliogr.: S. 477-480.
9. Filin, A. P. Prikladnaja mehanika tverdogo deformiruemogo tela [Tekst] /A. P. Filin. - M. : Nauka, 1981.
- 480 s.: il.
10. Ormont, B.F. Vvedenie v fizicheskuyu khimiyu i kristallokhimiyu poluprovodnikov [Tekst] : uchebnoe posobie dlya vuzov. /B.F. Ormont, pod. red. prof. V.M. Glazova - 3-e izd., ispr. i dop. - M.: Vysshaya shkola, 1982. - 528 s. : il. - Bibliogr.: S. 522-528.
11. Solonenko, O.P. Vysokoehnergeticheskie processy obrabotki materialov [Tekst]/ O.P. Solonenko, A.P. Alkhimov, V. V. Marusin - Novosibirsk: Nauka, 2000. - 425 s.: il. - Bibliogr.: S. 423-425.
12. Churilov, D.G. Teoreticheskie issledovaniya napryazhennosti v sisteme pokrytiya - osnova v processe realizacii kombinirovannogo sposoba vosstanovleniya iznoshennykh detaley mashin / Churilov, D.G. // Politematicheskiy setevoy ehlektronny nauchny zhurnal Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. - 2012. - 82. - S. 232-258.
13. Churilov, D.G. Vliyanie polyarnogo ehffekta i materiala ehlektrodov na perenos prisadochnogo poroshkovogo materiala pri ehlektroimpul'snom sposobe / D.G. Churilov, M.N. Gorokhova //Trudy GOSNITI.-2012. -T 109.-№ 2. - S. 51-56.
