CC BY
2
The article discusses the impact of coating preparation for electroplating. Recommendations are given for the production of restoration and hardening of agricultural machinery parts with electrodeposited iron-based binary coatings. Keywords: electrodeposition, current density, recovery, hardening
ВОССТАНОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ ЭЛЕКТРООСАЖДЕННЫМИ ЛЕГИРОВАННЫМИ ЖЕЛЕЗНЫМИ ПОКРЫТИЯМИ
Серебровский Владимир Исаевич, д.т.н., профессор (e-mail: [email protected]) Калуцкий Евгений Сергеевич, к.т.н.
(e-mail: [email protected]) Серникова Ольга Сергеевна, аспирант (e-mail: [email protected]) Курская государственная сельскохозяйственная академия
В статье рассматривается процесс электроосаждения железа и легирующих элементов, условия электролиза, позволяющие получить толстослойные легированные покрытия, а также физико-механические свойства, определяющие работоспособность восстановленных деталей. Даны рекомендации производству по восстановлению и упрочнению деталей сельскохозяйственной техники электроосажденными бинарными покрытиями на основе железа.
Ключевые слова: электроосаждение, плотность тока, восстановление, упрочнение
В целях совершенствования технологии, повышения качества ремонта сельскохозяйственной техники имеют значение исследование процесса получения легированных железных покрытий и разработка надежной технологии восстановления деталей [1,2]. Для применения в ремонтном производстве легированных железных покрытий для восстановления изношенных ответственных деталей двигателей необходимо разработать стабильную технологию получения высококачественных, прочносцепленных гальванопокрытий; исследовать физико-механические свойства покрытий; проверить работоспособность восстановленных деталей. При решении этих задач перспективными для восстановления деталей могут быть гальванопокрытия на основе железа, содержащие легирующие элементы, способствующие повышению физико-механических свойств материала покрытия, придающие ему определенные свойства, при которых обеспечивается высокая работоспособность и детали, и сопряжения [3,4,5].
Целью данной работы было теоретическое обоснование и исследование процесса электроосаждения железа и легирующих элементов, выявление условий электролиза, позволяющих получить толстослойные легирован-
ные покрытия, а также изучение физико-механических свойств, определяющих работоспособность восстановленных деталей.
Электроосаждение железных легированных покрытий производили в хлоридном электролите. Изучали влияние режимов электролиза на скорость осаждения, структуру, твердость покрытий, их прочность сцепления со сталью и чугуном. В качестве образцов для исследования использовались лабораторные образцы, изготовленные из деталей для реновации, на которые были нанесены покрытия. Толщина покрытий для исследований составляла от 2 до 4 мм. Для измерения микротвердости покрытий использовался лабораторный микротвердомер ПМТ-3 [6].
Стабилизация концентрации компонентов электролитов и его кислотности является одним из важнейших факторов, определяющих возможность получения осадков с заданными свойствами. Наилучшим образом этим условиям отвечает процесс железнения, протекающий в электролите, характеризующийся постоянной концентрацией и кислотностью. В процессе изменения уровня и кислотности электролита не гарантируется стабилизация концентрации компонентов, в частности, электроосажденных металлов. В связи с этим целесообразно произвести анализ факторов, влияющих на изменение концентрации железа и других элементов, и определить рациональный способ ее стабилизации [7].
Рассмотрим процесс железнения при температуре (Т), токе электролиза (I) в электролите с начальным значением концентрации металла С^ которая за время 1 изменилась до значения:
Су = С; + ДС;, (1)
Считая, что ДС; вызвано электроосаждением на катоде, электрохимическим и химическим растворением анодов, уносом электролита, уравнение (1) можно выразить в виде:
с- = с1 + дс/1 + ДС* - ДС* - ДС?, (2)
где ДС;а, ДС;Х - изменение концентрации ионов металла в результате электрохимического и химического растворения анодов;
ДС^ - изменение осаждения ионов металла, вызванное электроосаждением;
ДС? - изменение концентрации, вызванное уносом электролита.
Приняв что условие стабильности Су = Су соблюдается при ДС; = 0, из уравнений (1) и (2) после преобразований в соответствии с законом Фара-дея и, задавшись реальными условиями электролиза, а также определенными значениями показателей электрохимических процессов с учетом преобладания процесса анодного растворения над процессом электроосаждения металла для электролитов железнения, получим:
ДС; = Э* • / • ^ - ъ*) + ДС* - ДС?, (3)
Уравнение характеризует изменение концентрации за определенное время электролиза. Постоянство концентрации металла нецелесообразно корректировать путем уноса электролита. В целях экономии он должен
быть минимальным. Рациональным методом стабилизации концентрации ионов металла в электролите может быть применение веществ, способствующих ингибированию анодного процесса.
Металлографическими исследованиями определены интервалы режимов, при которых на катоде формируются бестрещиноватые и трещиноватые электролитические осадки. Установлено также, что трещиноватость осадков существенно зависит от температуры электролита. Следует отметить, что характер трещиноватости осадков по толщине в пределах переходного слоя границы с подложкой до 2...4 мм изменяется несущественно. В процессе исследования выявлены режимы, при которых формируются осадки, имеющие волокнистое, зернистое или слоистое строение структуры. Осадкам, характеризующимся слоистым строением структуры, присуща более развитая трещиноватость, а имеющие волокнистое строение, как правило, пластичны и менее трещиноваты. Анализ результатов исследований процесса нанесения железных легированных покрытий и их свойств показал возможность получения прочносцепленных, толстослойных покрытий, обладающих однородными по толщине свойствами. Этот фактор является определяющим при восстановлении дорогостоящих деталей с большим износом и деформацией, требующих наращивания толстослойных покрытий, компенсирующих дефекты и обеспечивающих восстановление до номинальных размеров. К таким деталям относятся коленчатые валы, распределительные валы, гильзы цилиндров и другие детали двигателей.
В хлоридном электролите при электроосаждении, изменяя условия электролиза, можно получать высококачественные электролитические осадки железа, имеющие твердость от 3,2 до 6,8 Гпа. Значения микротвердости исследуемого покрытия, толщина которого составляла от 2 до 4 мм, и полученного на режимах электролиза, поддерживаемых на уровне 95.93%, является практически одинаковой по толщине, о чем и свидетельствуют данные таблицы 1. На содержание легирующих элементов, углерода, никеля и других существенное влияние оказывают концентрация электролита, содержание соли легирующего элемента и кислотность электролита. Полученные на приемлемых для технологии восстановления образцах толстослойные покрытия содержали до 0,8% углерода, до 6% никеля.
Таблица 1 - Микротвердость легированных осадков железа
Плотность тока, А/дм2 Температура, К Микротвердость покрытия, ГПа, при толщине, мм
0,3 1 2 3 4
20 303 6,2 6,3 6,5 6,4 -
20 333 4,2 4,2 4,4 4,4 4,3
40 303 6,6 6,8 6,6 6,7 -
40 333 4,5 4,6 4,5 4,6 4,4
Предпочтительные режимы для получения высококачественных покрытий, обладающих твердостью 3,0...4,5 ГПа, находятся в интервале плотностей тока 20.100 А/дм2 и температур 323.338 К. Более твердые осадки получаются при пониженных температурах. Условиям формирования толстослойных покрытий соответствуют пониженные плотности тока.
Технологические режимы, обеспечивающие получение твердых толстослойных железных легированных покрытий, были использованы для разработки технологии восстановления чугунных и стальных коленчатых валов, валов газораспределительного механизма и других деталей автомобильных и тракторных двигателей (таблица 2).
Таблица 2 - Характеристика железных легированных покрытий, полученных на деталях при их восстановлении
Деталь Параметры электролиза Толщина покрытия после обработки, мм Микротвердость, ГПа
Температура, К Катодная плотность тока, А/дм2
Коленчатый вал 313... 328 2...5 1.5...2.0 5.5...5.8
Распределительный вал 313... 323 2...6 1.0...2.5 5.5...5.9
Шатуны двигателей 293... 333 2...70 0.1...0.6 3.5...6.7
Корпусные детали 303... 33 8 1...4 0.2... 0.8 3.2...5.0
Гильзы цилиндров двигателей 318... 333 2.4 0.3... 0.6 5.2...5.6
Механическая обработка полученных электроосажденных покрытий может включать в себя следующие типовые операции: шлифование, хо-нингование, обработка лезвийным инструментом. Для шлифования можно использовать режимы, рекомендованные в типовых процессах обработки деталей. Хонингование легированных покрытий целесообразно проводить алмазным инструментом, при этом обеспечивается высокое качество обработки и производительность. Для повышения износостойкости деталей, восстановленных железными легированными покрытиями, их подвергали специальной обработке концентрированным потоком энергии 0,6.0,8 кВт с целью получения на поверхности упрочненного слоя. Как установлено в процессе стендовых и эксплуатационных испытаний, это позволило значительно повысить их износостойкость. По результатам исследований была разработана технология восстановления деталей легированными железными покрытиями с последующим упрочнением интенсивным потоком энергии.
Список литературы
1. Серебровский В.И., Серебровская Л.Н., Калуцкий Е.С. Повышение прочности деталей при электроосаждении железных покрытий // В сборнике: Эффективность при-
менения инновационных технологий и техники в сельском и водном хозяйстве. Сборник научных трудов международной научно-практической онлайн конференции, посвященной 10-летию образования Бухарского филиала Ташкентского института инженеров ирригации и механизации сельского хозяйства. Отв. редактор Т.Х. Жураев. 2020. С. 55-57.
2. Калуцкий Е.С., Серебровский В.В., Блинков Б.С., Должиков Г.В. Электроосаждение бинарных сплавов на основе железа // Сельский механизатор. 2016. № 5. С. 35-37.
3. Блинков Б.С., Серебровский В.В., Калуцкий Е.С. Электроосаждение сплавов на основе железа // Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии. 2016. № 2. С. 67-70.
4. Серебровская Л.Н., Калуцкий Е.С., Блинков Б.С., Серебровский А.В. Упрочнение восстановленных деталей машин электроосажденными бинарными покрытиями на основе железа // В сборнике: Научное обеспечение агропромышленного производства. Материалы Международной научно-практической конференции. 2018. С. 301-308.
5. Серебровский В.И., Калуцкий Е.С., Сафронов Р.И., Гнездилова Ю.П. Влияние параметров нестационарных режимов на структуру электроосажденного железа // В сборнике: Современные автомобильные материалы и технологии (САМИТ - 2020). сборник статей XII Международнойнаучно-технической конференции, посвященной 25-летию кафедры технологии материалов и транспорта. Курск, 2020. С. 335-338.
6. Серебровский В.И., Калуцкий Е.С., Мясоедова М.А. Влияние режимов электролиза на субмикроструктуру электроосажденного железа // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2022. Т. 12. № 2. С. 26-39
7. Калуцкий Е.С., Шевляков А.Г., Сапельников П.С. Исследование прочности сцепления гальванических покрытий, используемых для восстановления деталей машин // В сборнике: Молодежная наука - гарант инновационного развития АПК. материалы X Всероссийской (национальной) научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. 2019. С. 306-309.
8. Упрочняющее легирование электроосажденного железа/ Серебровский В.И., Серебровский В.В., Сафронов Р.И., Гнездилова Ю.П.// вестник курской государственной сельскохозяйственной академии. 2015. № 4. с. 68-71.
9. Синтез нечетких решающих правил для прогнозирования и ранней диагностики по прогностическим таблицам с использованием методов рефлексодиагностики/ Се-ребровский В.И., Коптева Н.А., Крупчатников Р.А., Стародубцева Л.В.// Системный анализ и управление в биомедицинских системах. 2008. Т. 7. № 3. С. 643-648.
10. Упрочнение электроосажденных покрытий цианированием/ Серебровский В.В., Серебровский В.И., Сафронов Р.И., Гнездилова Ю.П., Калуцкий Е.С.// Электрика. 2015. № 11. С. 31-33.
Serebrovsky Vladimir Isaevich, Doctor of Technical Sciences, Professor
Kalutsky Evgeny Sergeevich, Ph.D.
Sernikova Olga Sergeevna, post-graduate student
Kursk State Agricultural Academy
RESTORATION OF PARTS OF AGRICULTURAL MACHINERY BY ELECTRODEPOSITIONED ALLOYED IRON COATINGS
Abstract. The article discusses the process of electrodeposition of iron and alloying elements, the electrolysis conditions that make it possible to obtain thick-layer alloyed coatings, as well as the physical and mechanical properties that determine the performance of the restored parts. Recommendations are given for the production of restoration and hardening of agricultural machinery parts with electrodeposited iron-based binary coatings. Keywords: electrodeposition, current density, recovery, hardening
