УДК 621. 367: 502. 7

Восстановление металлических деталей машин с помощью гальванического железнения

Мохова Ольга Павловна – кандидат технических наук, доцент кафедры Электрооборудования и электротехнических систем Российского государственного аграрного заочного университета

Коробков Александр Иванович – аспирант кафедры Электрооборудования и электротехнических систем Российского государственного аграрного заочного университета

Аннотация: Предложена методика и установка для восстановления металлических деталей при помощи гальванического железнения за счет нанесения слоя металла. В ходе эксперимента произведено наблюдение на предмет изменения параметров железнения на производительность процесса и свойства восстанавливаемого слоя. Выяснилось, что возрастание плотности тока приводит к увеличению выхода по току железа. Это может быть объяснено тем, что более высокая плотность тока способствует более интенсивному процессу осаждения. Повышение давления инструмента приводит к улучшению сцепления с основой и уменьшению шероховатости поверхности. Это, в свою очередь, может повысить износостойкость поверхностного слоя. Возвратно-поступательные перемещения инструмента также оказывают воздействие на процесс осаждения. Было обнаружено, что с возрастанием частоты перемещений инструмента увеличивается и толщина восстанавливаемого слоя и его твердость. Это может быть связано с более интенсивным воздействием на деталь в результате частых перемещений инструмента. В результате, были получены закономерности и описаны уровни, которые адекватно отображают влияние параметров железнения на производительность и свойства поверхностного слоя. Они могут применяться при проектировании техпроцесса, а для достижения оптимальных результатов. Таким образом, исследование позволило получить новые знания о железнении в условиях механического воздействия и определить влияние разных параметров на техпроцесс и свойства поверхностного слоя.

Ключевые слова: железнение, параметры, перемещения, результат, плотность, процесс.

В настоящее время наблюдается увеличение числа мощных автомобилей и агрегатов машин, таких как ДВС тепловозов, судоходные средства, прокатных станов и других. У многих из них уже вышел эксплуатационный ресурс, и они нуждаются в восстановлении. Размеры этих деталей достигают 3-5 метров и больше, а диаметры используемых поверхностей составляют от 120 до 300мм. Однако стоимость новых узлов слишком высока, и при ограниченных финансовых возможностях замена их на новые происходит редко. В результате, около 20-30% деталей имеют дефекты, а 70-80% из них изношены на 0.3-0.8 мм и выше, при этом ресурс по прочности, который остался у детали, сохраняется. Для восстановления таких деталей нужен слой не менее 0.9-1.7 мм, учитывая припуски на обработку.

Разработка техпроцесса по восстановлению является важной задачей. Самым оптимальным является гальванический метод нанесения слоя при температурах от 19 до 82 градусов по Цельсию, при которых коробление отсутствует. Слой должен быть твердым и износостойким. Нанесение хрома и железнение удовлетворяют этим требованиям. Однако хромирование способно обеспечить износостойкие покрытия при толщине от 0.15 до 3мм, продолжение процесса может привести к растрескиванию слоя. Таким образом, разработка эффективных методов восстановления крупногабаритных деталей становится более важной задачей. Необходимо учитывать экономические ограничения и стремиться к созданию восстановочных слоев с высокой твердостью и износостойкостью [6]. Железнение-это один из эффективных методов восстановления. Благодаря своей применимости, низкой стоимости и простоте использования электролита. Процесс осаждения желез уже достаточно изучен, а покрытие имеет удовлетворительные эксплуатационные характеристики.

Однако у железнения есть некоторые недостатки. В процессе железнения образуются оксидные пленки и водород в газообразном состоянии, которые образуют защитную пленку на поверхности, замедляющие рост наносимого слоя и уменьшают его толщину (обычно до 0.7-1.1 мм). Кроме того, в осадках присутствует много водорода (концентрация водорода достигает 0.1%, в то время как нормативное значение составляет не более 0.0024%) и имеют высокие растягивающие напряжения (200-700Мпа и выше). Восстановленное покрытие также имеет не малую шероховатость (300-800 мкм и более), что требует дополнительной обработки (припуски до 0.5-1.2 мм). Для улучшения процесса железнения и качества восстановленного слоя применяют ассиметричный ток, который частично разрушает оксидные и гидроксидные пленки, а также уменьшает растягивающие напряжения [3].

В исследовании применяется механическое воздействие на восстанавливаемый слой во время осталивания, чтобы удалить оксиды и водород. Это приведет к улучшению условий осаждения, будет достигнута большая толщина слоя (до 2-3 мм и более) и уменьшит неровность и остаточные напряжения (до 0-15 Мпа), даже переведя их в сжимающие напряжения. В результате эта методика позволит улучшить качество и долговечность нанесенного покрытия. В ходе исследования были получены математические модели, которые показывают влияние различных факторов на выход по току железа. Эти модели были использованы для построения соответствующих графиков и гистограмм. Одним из факторов, влияющих на выход по току железа является плотность тока. Если плотность увеличивать, то скорость осаждения ионов железа будет выше, чем скорость выделения водорода, что приводит к увеличению выхода по току железа. Также необходимо рассчитывать усилие давления на инструмент, так как происходит деформация слоя железа, что приводит к удалению неплотно сцепившихся дефектных кристаллических образований.

В результате этого выход по току железа уменьшается. Третий фактор-частота перемещений восстанавливаемого инструмента относительно восстанавливаемого слоя. Небольшое увеличение этой частоты способствует давлению посторонних веществ с поверхности осаждения, что приводит к небольшому увеличению выхода по току железа. Однако, если увеличивать частоту дальше, происходит частое экранирование восстанавливаемого слоя детали, что прерывает рост кристаллов и снижает выход по току. Наибольший выход по току, полученный в результате эксперимента, равен 90%, при этом скорость осаждения железа была измерена и составила 0.39*10(-6) м/ч [1]. Также было обнаружено, что шероховатость восстановленного слоя зависит от катодного тока. Чем больше плотность тока, тем больше нитевидных кристаллов, за счет чего деталь становится более шероховатой.

Давление инструмента на нанесенный слой также влияет на шероховатость слоя. При низких значениях давления шероховатость практически не изменяется, но при дальнейшем увеличении давления микронеровности инструмента начинают внедряться в слой осадка, за счет чего повышается шероховатость. Частота перемещений инструмента также оказывает влияние на шероховатость восстановленного слоя. Таким образом, исследование помогло определить зависимость выхода по току металла и шероховатость нанесенного слоя от различных факторов. Полученные результаты могут быть полезные при оптимизации процесса восстановления поверхности железнением.

Рисунок 1. Графики зависимостей: а) зависимость плотности тока, усилия нажатия на инструмент и выхода по току; б) отклонения профиля Ra от частоты np и плотности ік.

Прочность слоя зависит от разных факторов, включая плотность тока (рисунок 2, а), усилие на инструмент и частоту перемещений инструмента. Когда катодная плотность увеличивается, кристаллы осадков становятся более мелкими, за счет чего наносимый слой становится более твердым [4]. То же самое происходит при возрастании усилия инструмента на поверхность. Большая пластическая деформация осадка увеличивает наклеп и повышает твердость слоя [5].

При увеличении этой частоты инструмент подвергает деформации металл, в результате чего слой становится более твердым. Максимально достигнутая твердость составляет 782.8 Н. Однако износ начинает уменьшаться только определенных значений плотности тока и частоты перемещений инструмента. Когда эти показания достигают (к=300 А/м, Р= 2.3 Мпа, nfe=32) мин (рисунок 2, б), твердость осадков возрастает, износ уменьшается. Но как только достигаются данные значения интенсивность износа снова начинает возрастать. Это связано с тем, что более твердые осадки имеют мелкокристаллическую структуру, которая обладает меньшей вязкостью и износостойкостью. Таким образом оптимальные значения тока и частоты перемещений инструмента позволяю добиться высокого показателя твердости восстановленного слоя и снизить интенсивность износа. Также важно учитывать, что более твердые осадки могут иметь свои ограничения в плане износостойкости, поэтому необходимо найти баланс между твердостью и другими механическими свойствами восстановленного слоя.

Рисунок 2. Графики зависимости: а) твердости металла от воздействия на инструмент; б) износа металла Іт от частоты воздействия на инструмент.

При возрастании плотности тока напряжения в нанесенном слое так же возрастают. Происходит это за счет того, что чем выше плотность, тем выше дефектность в микроструктуре осадков. Затем напряжения в металле становятся сжимающими, так как механическое воздействие инструмента приводит к пластическим деформациям, которые постепенно накапливаются в восстановленном слое металла. Увеличение остаточных напряжений вызвано его переуплотнением и переходом в растягивающие напряжения [2]. Сжимающие напряжения в восстановленном слое могут достигать значений до -5.44 Мпа. Слой, восстановленный путем железнения варьируется в пределах 2 х 10м. При этом шероховатость уменьшается, а скорость осаждения становится постоянной (рис. 3, график 1). Это отличается от типового ванного железнения постоянной (рис. 3, график 2).

Выводы

Разработана методика и проведен анализ зависимости качества гальванического железнения от плотности тока, повышение давления на инструмент, исследование позволило получить новые знания о железнении в условиях механического воздействия и определить влияние разных параметров на техпроцесс и свойства поверхностного слоя.

Список литературы

Юдин В. М. Восстановление посадочных отверстий корпусных деталей гальваническими покрытиями / В. М. Юдин, М. Н. Вихарев, Д. Б. Слинко // Технический сервис машин. – 2019. – № 4 (137). – С. 152-159.
Спицын И. А. Восстановление чугунных деталей сельскохозяйственной техники гальваническим цинкованием с механической активацией катодной поверхности / И. А. Спицын, В. М. Юдин, Ю. А. Захаров, И. Г. Голубев // Техника и оборудование для села. – 2020. – № 9 (279). – С. 38-42.
А. С. № 1539244. Устройство для питания гальванических ванн периодическим током с обратным импульсом / Л. П. Шичков, А. Н. Батищев, О. П. Мохова //Опубл. В Б.И. № 4, 1990.
Технология ремонта машин / Под ред. Е. А. Пучина. Москва: Колос, 2007. – 488 с.
Кисель Ю. Е. Влияние дисперсной фазы на коэффициент вариации микротвердости композиционных электрохимических покрытий / Ю. Е. Кисель, Г. В. Гурьянов // Упрочняющие технологии и покрытия. – 2009. – № 3 (51). – С. 18-20.
Кисель Ю. Е. Повышение долговечности деталей сельскохозяйственной техники электротермической обработкой композиционных электрохимических покрытий: автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук / Ю. Е. Кисель. – Саратов, 2014. – 37 с.
Гурьянов Г. В. Повышение износостойкости деталей электрохимическими сплавами на основе железа / Г. В. Гурьянов, Ю. Е. Кисель, А. Н. Лысенко, А. А. Обозов // Сельский механизатор. – 2017. – № 2. – С. 34-35.