CC BY
21
DOI: 10.47581/2021/SMTT/34.1.009
ВОССТАНОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ КОМБИНИРОВАННЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ С ДАЛЬНЕЙШИМ УПРОЧНЕНИЕМ
Чурилов Дмитрий Геннадьвич, к.т.н., доцент (e-mail: churilov.dmitry@yandex.ru) Стекольников Юрий Алексеевич, к.т.н. Арапов Илья Сергеевич, аспирант Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева, Рязань, Россия
В статье рассматриваются пути совершенствования гальванических технологий ремонта изношенных деталей. Из-за сложности электрохимической реакции при электроосаждении металлов показано влияние режимов электролиза асимметричным переменным током на механизм кристаллизации. Необходимо учитывать, что увеличение катодно-анодного отношения сопровождается уменьшением влияния анодного тока на кристаллизацию осадка.
Ключевые слова: восстановления деталей, упрочнение покрытий технологические приемы, асимметричный переменный ток.
В настоящее время инновационное развитие восстановления деталей идет с ускоренным переходом на использование новых высокопроизводительных и ресурсосберегающих технологий [1,2]. В связи с этим представляют интерес прогрессивные гальванические технологии повышения износостойкости восстановленных деталей путем хромирования, гуглинения (традиционно применяемого в ремонтной технике) или использования комбинированных композиционных покрытий с последующим упрочнением [3]. Для внедрения в практику ремонта на сервисных предприятиях необходимо разработать технологии и рекомендации по применению легированных покрытий хромом и железом с молибденом, никелем, ванадием, вольфрамом, титаном, фосфором, серой, углеродом, азотом, и режимы нанесения и упрочнения покрытий.
Пути совершенствования гальванических технологий ремонта изношенных деталей сводятся к разработке новых электролитов [4,5] и технологических приемов [6,7,8], таких как напыление в нестационарных условиях, использование импульсных, обратимые формы тока, позволяет восстанавливать изношенные детали сложной формы, такие как коробки передач, блоки цилиндров, двигатели, шаровые пальцы рулевого управления, коленчатые валы и т.
Восстановление размеров и формы изношенных деталей машин и механизмов, долговечность покрытий имеет большое значение для хозяйственных объектов [9,10,11]. Основным методом восстановления износа деталей является нанесение гальванических покрытий (никелирование, хромирова-
ние и железо). Гальваническое осаждение твердое железо по физико-механическим свойствам близко к закаленной стали.
Никелирование применяется там, где нет необходимости добиваться высокой твердости при ремонте деталей с износом в несколько микрон. Хромирование при восстановлении деталей с износом до 0,5 мм по диаметру.
Железом восстанавливаются детали с износом от сотых долей до 3-5 мм на диаметр, а скорость наплавки сплава на основе железа в 10-15 раз выше по сравнению с хромированием. Недостатком процессов выплавки чугуна на постоянном токе являются высокие температуры электролита 70-90 ° С и точное соблюдение технологического режима, что затрудняет использование метода ремонта. При применении железа и его сплавов на постоянном токе сложно обеспечить надежность склейки металлических деталей [12,13].
При нанесении асимметричного переменного тока этих недостатков можно избежать, и при температуре электролита около 25 ° С твердость осадков можно регулировать от 18 до 62 единиц по шкале Роквелла по глубине покрытия. Гальваническое холодное железо на асимметричном переменном токе позволяет не только восстанавливать детали, но и упрочнять поверхностные слои необработанных сталей низких марок. При этом закалка не требуется, что упрощает процесс. Это единственный выход, когда термическая обработка противопоказана, например, при ремонте шаровых пальцев рулевого управления транспортных средств.
Глажение или покрытие железоникелевыми сплавами применяют, когда необходимо восстановить детали сложной конфигурации и высокого износа [14,15], например внешнюю и внутреннюю поверхности посадочных мест в картерах коробок передач или раздаточных коробках сварочных машин и другой сельскохозяйственной техники.
Принципиальная электрическая схема, удобная для получения асимметричного переменного тока показала на рисунке 1. От понижающего трансформатора понижающей обмотки отбирается переменные ток. При этом трансформатор должен быть однофазным, например, трансформатор.
В один полупериод ток проходит через сопротивление Я1, а в другой полупериод - через сопротивление Я2.
Асимметричный переменный ток, которой является разновидностью реверсивного тока или периодического тока если Я1 > Я2. При этом амплитуда тока проходящего через сопротивление Я1 уменьшится, а, проходящего через сопротивление Я2 остается без изменений.
В этом случае ток, проходящий через сопротивление Я2, будет иметь положительный знак, Его будем называть составляющей асимметричного переменного тока или анодным полупериодом, а ток, проходящий через сопротивление Я1, соответственно, катодной составляющей асимметричного переменного тока или катодным полупериодом. В катодные полупериоды осаждается металл, а в анодные частично растворяется, так как в анодные полупериоды амплитуда тока всегда меньше токов катодных полуперио-
дов. Один конец вторичной понижающей обмотки однофазного трансформатора подключается непосредственно к анодным штангам гальванической ванны - они, как правило, нижние, а другой к двум противоположно направленным однополупериодным электрическим вентилям-диодам. К диодам подключены свои реостаты, при помощи которых осуществляется регулирование токов катодного и анодного полупериодов. Сила токов в каждом плече регистрируется амперметрами магнитоэлектрической системы, то есть предназначенных для измерения силы тока в цепи постоянного тока. Регулируя силу тока одного и другого направления, легко добиться любого их соотношения, то есть асимметрии.
Регулируя катодную и анодную составляющие силы тока можно изменять режимы электролизов, при этом применяя анодно-катодные отношения и два параметра (рисунок 1):
1. Плотность тока катодного полупериода Дк, представляет отношение силы тока в катодный полупериод к площади катода, а это соответствует площади деталей, загружаемых в ванну.
2. Катодно-анодным отношением в, которое показывает, во сколько раз плотность тока катодного полупериода больше тока анодного полупериода, то есть катодно-анодное отношение равно:
Дк
ß =
Да
где:
ß - катодно-анодное отношение;
Дк - плотность тока катодного полупериода, А/дм ;
Да - плотность тока анодного полупериода, А/дм .
Так, как в анодный и катодный период площади электродов не изменяются, то плотности тока можно заменить соответствующими значениями силы тока:
ß = *, А Та , А
При электролизе с применением асимметричного переменного тока, величина катодно-анодного отношения оказывает действие на механические свойства электролитического железа и железоникелевого сплава. Это позволяет проводить электролиз разнообразнее, чем при работе на постоянном токе. Такие условия оптимальны, и это важно при применении такой технологии для восстановления изношенных деталей.
Рисунок 1. Электрическая схема преобразователя для получения асимметричного переменного тока
Тр - однофазный трансформатор;
Д1, Д2 - силовые диоды;
Я1, Я2 - реостаты катодного и анодного полупериодов;
А1, А2-амперметры магнитоэлектрической системы.
Ввиду сложности электрохимической реакции при электроосаждении металлов, влияние режимов электролиза асимметричным переменным током на механизм кристаллизаци, свойства осадков железа невозможно объяснить каким-либо одним фактором. Здесь играют роль много не зависящих друг от друга эффектов. При изменении направления тока, на электроде вместе с образованием кристаллов металла, создаются условия, соответствующие их растворению, когда направление тока соответствуют анодному полупериоду. Поскольку электролитический осадок представляет собой совокупность различных по величине кристаллов, то при анодном направлении асимметричного переменного тока, в первую очередь начнут растворяться мелкие кристаллы, как менее устойчивые. При частом повторении циклов и достаточно большой плотности тока анодного полупериода, например, при в = 2, благодаря более интенсивному растворению мелких кристаллов, структура осадка в целом, получается крупнокристаллической. При уменьшении плотности тока анодного полупериода (в = 4; 6; 8; и т. д.) влияние анодного тока сказывается меньше, так как в этом случае количество мелких кристаллов, способных растворяться в данных условиях, уменьшается.
Таким образом, чем больше величина анодно- катодно соотношения, тем осадки более мелкокристаллическиея. Благодаря частичному растворению в моменты анодного полупериода, скорость осаждения железа имеет нели-
нейный характер; при небольших величинах катодно-анодного отношения, например, при ß = 2 скорость осаждения значительно ниже, чем при более высоких значениях катодно-анодного отношения. Это необходимо учитывать при расчете времени выдержки деталей в гальванической ванне.
Другим важным фактором, влияющим на величину кристаллов, может быть склонность металлов группы железа к пассивированию, то есть адсорбированию поверхностью электрода, покрываемого железом, посторонних частиц, которые мешают нормальному осаждению железа.
Если осаждать железо при помощи постоянного тока, то на катоде начинается защелачивание приэлектродного пространства и в больших количествах появляется гидрат закиси железа Fe(OH)2, который при одновременном осаждении с железом, тормозит кристаллизацию железа. это способствует деформации кристаллических решеток. В осадке появляется большое напряжение. Это ослабляет сцепление железа с поверхностью и приводит при дальнейшей механической обработке к отслаиванию.
При воздействии на катод не постоянным, а асимметричным переменным током, картина электрокристаллизации несколько меняется.
Во-первых, при анодном направлении тока уменьшается количество гидрата закиси железа в прикатодном слое, а при значительных плотностях тока анодного полупериода, например, при ß = 2, появление гидрата закиси железа вообще маловероятно и пассивирования катода либо совсем не происходит, либо происходит весьма незначительно.
Во-вторых, вследствие отсутствия в осадке гидратов закиси железа, особенно в начальной стадии электролиза, внутреннее напряжение на границе осадок - основной металл незначительное, что обеспечивает высокую сце-пляемость наносимого осадка с деталью.
Поэтому необходимо учитывать, что увеличение катодно-анодного отношения сопровождается уменьшением влияния анодного тока на кристаллизацию осадка. Был изучен структурный состав покрытий, и факторы, влияющие на эти характеристики.
Нами исследована зависимость скорости осаждения от плотности катодного импульса и коэффициента асимметрии при железнении (рисунок 2). С их ростом скорость осаждения железа возрастает. Если при начальном времени электролиза осуществлять железнение (при ß =1,3), постепенно увеличивая до ß = 8...10, то напряжение в осадке будет развиваться медленно, что позволит получить надежные сцепления осадков железа с любыми марками сталей и чугуна, что недостижимо при электролизе постоянным током, даже при температуре электролита 90°С.
Рисунок 2. Скорость осаждения железа в зависимости от величин катодно-анодных отношений и плотностей токов катодных полупериодов:1 - Дк =30 А/дм2 ,2 - Дк = 20 А/дм2, 3 - Дк =10 А/дм2
Список литературы
1.Полищук, С.Д. Восстановление сельскохозяйственной техники и оборудования гальваническими покрытиями на основе железа/ С.Д. Полищук, Ю.А. Стекольников, Д.Г. Чурилов, Н.Ю. Стекольникова, И.С. Арапов //Вестник Рязанского государственного агротехнологического университета им. П.А. Костычева. - 2019. -№ 3 (43). - С. 130135.
2. Чурилов, Д.Г. Комбинированный способ восстановления и упрочнения деталей сельскохозяйственной техники типа "вал" с использованием легированных ферромагнитных порошков/ Д.Г. Чурилов//Диссертация ... кандидата технических наук: 05.20.03. Мичуринский государственный аграрный университет. Мичуринск.- 2014.- 158 с.
3.Астанин, В.К. Композиционные покрытия на основе сплавов железа с икелем/В.К. Астанин, Ю. А., Стекольников, В.В. Емцев, Г. Д. Чурилов .//В сборнике: Проблемы совершенствования машин, оборудования и технологий в агропромышленном комплексе. материалы международной научно-технической конференции. -2019.- С. 74-77.
4.Чурилов, Д. Г. Промышленное использование хромирования при ремонте деталей сельскохозяйственной техники / Д.Г.Чурилов, Ю.А. Стекольников, И.С..Арапов, А.В.Шемякин, К.П. Андреев // Вестник Рязанского государственного агротехнологического университета им. П.А. Костычева.- 2019. -№ 4 (44).- С. 120-125.
5. Арапов, И.С. Повышение эффективности процесса хромирования/И.С. Арапов, Д.Г. Чурилов, С.Д. Полищук//В сборнике: Молодежь и XXI век - 2020. материалы Х Международной молодежной научной конференции. -2020. -С. 115-119.
6.Горохова, М.Н. Влияние полярного эффекта и материала электродов на перенос присадочного порошкового материала при электроимпульсном способе/Горохова, М.Н., Чурилов, Д.Г.//Труды ГОСНИТИ. -2012. -Т. 109. - № 2. - С. 51-56
7. Бышов, Д.Н. Методы нанесения металлопокрытий электромагнитной наплавкой / Бышов Д. Н., Чурилов Д.Г., Горохов А. А. // Вестник Рязанского государственного агро-технологического университета им. П.А. Костычева. 2012. № 3 (15). С. 66-68.
8. Полищук, С.Д. Нанотехнологии и наноматериалы в сельскохозяйственной технике/С.Д. Полищук, Д.Г. Чурилов, В.В. Чурилова, И.С. Арапов //В сборнике: Инновационное научно-образовательное обеспечение агропромышленного комплекса. материалы 69-ой Международной научно-практической конференции. - 2018. - С. 302-307.
9. Горохова, М.Н. Технологические особенности электро- искрового упрочнения/ М.Н. Горохова, Д.Г. Чурилов, С.Д. Полищук // Вестник Рязанского государственного агротехнологического университета им. П.А. Костычева. -2012.- № 1 (13).- С. 38-43.
10.Полищук С.Д. Защита латунных деталей с.-х. техники от воздействия коррозионной среды// С.Д. Полищук, М.Н. Горохова //Тракторы и сельхозмашины. -2013.- № 4.-С. 50-53.
11.Полищук, С. Д. Термохимическая очистка поверхности чугунной основы деталей машин для формирования адгезионных связей при холодном газодинамическом покрытии/ С. Д. Полищук, Д.Г.Чурилов//Вестник Рязанского государственного агротехнологического университета им. П.А. Костычева. -2017. -№ 4 (36). -С. 103-107.
12. Polischuk, S.D. Peculiarities of chromium coating in low-concentrated electrolytes when repairing details/ S.D. Polischuk, Yu.A.Stekolnikov, D.G. Churilov, N.V. Byshov S.N. Borychev, I.A. Uspenskiy, I.S. Arapov //Key Engineering Materials. -2020. -Т. 836. -С. 151157.
13. Polischuk, S.D. maintenance and hardening of agricultural machinery parts/ S.D. Polischuk, D.G. Churilov, N.V. Byshov S.N. Borychev, Yu.A.Stekolnikov, N.A.,
Stekolnikova N.Y., V.K.Atsanin //Key Engineering Materials. -2020. -Т. 836 KEM. -С. 158167.
14.Stekolnikov, Y.A.Theoretical analysis of chroming electrolytes and properties of chrome coatings/Y.A.,Stekolnikov, S. D. Polischuk, D. G. Churilov, N. V. Byshov, S. N. Borychev, I. A. Uspeunskiy, I. A.Yukhin, I. S. Arapov //Key Engineering Materials. -2020.Т. 836 KEM. -С. 142-150.
15. Барановский, В.И. Исследование уменьшения потерь прочности электролитически хромированной стали, применительно к упрочнению и восстановлению деталей автомобилей./ Автореф. дис. канд. техн. наук. - Одесса.- 1974.- С.28.
Churilov Dmitry Gennadyevich, Candidate of Technical Science, Associate Professor (e-mail: churilov.dmitry@yandex.ru)
Stekolnikov Yuri Alekseevich, Candidate of Technical Science Arapov Ilya Sergeevich, Postgraduate Student
Ryazan State Agrotechnological University Named after P.A. Kostychev, Ryazan, Russia RESTORATION OF PARTS USING COMBINED COMPOSITE COATINGS WITH FURTHER HARDENING
Abstract. The article discusses the ways of improving galvanic technologies for repairing worn parts. Due to the complexity of the electrochemical reaction during the electrodeposition of metals, the influence of electrolysis modes with asymmetric alternating current on the crystallization mechanism is shown. It should be borne in mind that an increase in the cathode-anode ratio is accompanied by a decrease in the influence of the anodic current on the deposit crystallization.
Key words: restoration ofparts, hardening of coatings, technological methods, asymmetric alternating current.
