CC BY
28
УДК 669.14: 621.785.52
К ВОПРОСУ ОБ УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ ДЕТАЛЕЙ, ВОССТАНОВЛЕННЫХ ЭЛЕКТРООСАЖДЕННЫМ ЖЕЛЕЗОМ
СЕРЕБРОВСКИЙ В.И.,
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Электротехника и электроэнергетика» ФГБОУ ВО Курская ГСХА; e-mail: [email protected], тел. (4712) 53-13-70.
СЕРЕБРОВСКИЙ В.В.,
доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВО ЮЗГУ; e-mail: [email protected], тел. (4712) 58-71-22. САФРОНОВ Р.И.,
кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Электротехника и электроэнергетика» ФГБОУ ВО Курская ГСХА; e-mail: [email protected], тел. (4712) 53-13-70.
КАЛУЦКИЙ Е.С.,
старший преподаватель кафедры «Электротехника и электроэнергетика» ФГБОУ ВО Курская ГСХА; e-mail: [email protected], тел. (4712) 53-13-70.
Реферат. Ремонтное производство, давая вторую жизнь деталям, высвобождает значительные производственные мощности в машиностроении и этим ускоряет процесс насыщения народного хозяйства новыми машинами. Технологический процесс восстановления деталей машин должен быть высокопроизводительным и экономичным. В современных условиях, характеризуемых физическим старением сельскохозяйственной техники, особую актуальность приобретает совершенствование ремонта машин, их агрегатов и деталей, в частности восстановление изношенных деталей гальваническими покрытиями на основе железа. Эти покрытия позволяют компенсировать значительные износы, имеют более высокие механические и служебные свойства по сравнению с нелегированным электролитическим железом. Усталостные процессы, происходящие в деталях машин при их циклическом нагру-жении, сосредоточены в их поверхностных слоях, на которых, в нашем случае находятся электроосажденные покрытия. Известно, что нанесение на поверхности стальных деталей электролитических покрытий приводит к снижению их усталостной прочности - детали с покрытиями хуже сопротивляются знакопеременным нагрузкам, чем такие же детали без покрытий. Электролитическое железо снижает усталостную прочность стали на 15...45 %, в зависимости от условий его электроосаждения. Снижение усталостной прочности образцов с электролитическими покрытиями на поверхности связано, в первую очередь, с наличием в этих покрытиях внутренних растягивающих напряжений, которые способствуют образованию усталостных трещин в поверхностных слоях гораздо меньших нагрузок, чем в деталях (образцах) без покрытий. Кроме того, по данным некоторых исследователей, на снижение усталостной прочности влияет наводораживание электролитических осадков, которое происходит в процессе их электрокристаллизации. Изучению вопросов, связанных с усталостной прочностью восстановленных деталей, посвящена данная работа.
Ключевые слова: восстановление, наводораживание, усталостная прочность, электроосаждение, нестационарные режимы электролиза.
TO THE QUESTION OF THE LOW STRENGTH OF DETAILS RECOVERED BY ELECTROADACHED GLAND
SEREBROVSKY V.I.,
Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department "Electrical Engineering and Power Engineering" Kursk State Agricultural Academy; e-mail: [email protected], tel. (4712) 53-13-70.
SEREBROVSKY V.V.,
Doctor of Technical Sciences, Professor of the SWSU; e-mail: [email protected], tel. (4712) 58-71-22. SAFRONOV R.I.,
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Associate Professor of the Department of Electrical and Electrical Engineering, Kursk State Agricultural Academy; e-mail: [email protected], tel. (4712) 53-13-70.
KALUTSKY E.S.,
Senior lecturer of the department "Electrical engineering and electric power" Kursk State Agricultural Academy; e-mail: [email protected], tel. (4712) 53-13-70.
Essay. Repair manufacture, giving a second life to the details, liberates significant production capacities in machine building and this accelerates the process of saturation of the national economy with new machines. The technological process of restoring machine parts must be highly productive and economical. In modern conditions, characterized by the physical aging of agricultural machinery, the improvement of the repair of machines, their aggregates and parts, in particular, the restoration of worn out parts by galvanic coatings based on iron, becomes particularly topical. These coatings can compensate for significant wear, have higher mechanical and service properties than unalloyed electrolytic iron. Fatigue
ПРОЦЕССЫ И МАШИНЫ АГРОИНЖЕНЕРНЫХ СИСТЕМ
processes occurring in the details of machines during their cyclic loading are concentrated in their surface layers, on which, in our case, electrodeposited coatings are located. It is known that the application of electrolytic coatings on the surface of steel parts leads to a decrease in their fatigue strength - parts with coatings resist resistance to alternating loads more than the same parts without coatings. Electrolytic iron reduces the fatigue strength of steel by 15 ... 45 %, depending on the conditions of its electrodeposition. The reduction in the fatigue strength of samples with electrolytic coatings on the surface is primarily due to the presence of internal tensile stresses in these coatings, which contribute to the formation of fatigue cracks in the surface layers with much lower loads than in uncoated parts. In addition, according to some researchers, the reduction of fatigue strength affects the electrolytic precipitation, which occurs during their electrocrystallization. The present paper is devoted to the study of the issues related to the fatigue strength of the restored parts.
Key words: recovery, hydrogenation, fatigue strength, electrodeposition, nonstationary electrolysis regimes.
Введение. Наиболее важным вопросом в ремонтном производстве является обеспечение его запасными частями. Экономически целесообразно решать его путем использования сырья вторичного производства, источником которого являются изношенные детали машин. Передовые ремонтные предприятия, используя разнообразные способы восстановления деталей и расходуя при этом малое количество нового металла, успешно решают задачу повторного использования изношенных деталей.
Для получения осадков с различными физико-механическими свойствами широко используются нестационарные режимы электролиза. Однако усталостная прочность деталей, восстановленных на данных режимах, изучена явно недостаточно.
Материал и методика исследования. Нами проведено исследование влияния анодной составляющей на усталостную прочность железненной стали и изучение некоторых особенностей разрушения электролитического железа под действием знакопеременных нагрузок.
Покрытия толщиной 0,1 мм осаждались из хлоридно-го электролита концентрации 400 кг/м3 асимметричным током (Дк=40 А/дм2, Д,=5 А/дм2,1 = 30:С, рН=1,0).
Знакопеременный изгиб постоянной амплитуды и частотой осуществляется на машине консольного типа. Для образцов, подвергающихся исследованию усталостной прочности, амплитудная плотность анодной составляющей изменялась от 0 до 10 А/дм2.
Предел выносливости стали с электролитическим покрытием железа определялся на машине УКИ-10М, обеспечивающей консольный изгиб вращающегося образца [1, 2]. Наводороживание осадков исследовалось методом электролитического растворения.
Результаты исследования. Электронномикроскопи-ческими исследованиями установлено, что при циклическом деформировании электролитического железа имеет место транскристаллитное разрушение, а с ростом амплитуды знакопеременных нагрузок количество микротрещин увеличивается. Наводороживание катодных осадков с увеличением плотности анодной составляющей уменьшается.
Варьирование анодным полупериодом от 0 до 10 А/дм2 при Дк=40 А/дм2 увеличивается предел усталости железненной стали от 100 до 200 МПа.
Можно предположить, что для электролитического железа повышение катодной поляризации способствует увеличению количества избыточных вакансий, которые в процессе пластической деформации объединяются и образуют вакансионные группы или конденсируются на дислокациях. В случае знакопеременной нагрузки происходит интенсивная диффузия водорода. Степень развития микроскопических нарушений сплошности в кристалле находится в прямо пропорциональной зависимости от концентрации водорода.
Остаточные напряжения и твердость покрытия при толщине 100 мкм проходят через максимум. Некоторое
снижение усталостной прочности у образцов, желез-ненных при плотности тока 40 А/дм2, объясняется наличием в них более редких и более глубоких трещин, по сравнению с осадками, полученными при других плотностях тока. Появление таких трещин связано, вероятно, с тем, что несмотря на одинаковый порядок величин остаточных напряжений в тонких слоях осадков, при различных плотностях тока, начало трещино-образования в покрытиях, железненных при плотности тока 40 А/дм2 за счет большей вязкости, сдвинуто в сторону больших толщин осадков, что приводит к образованию более глубоких трещин.
Рисунок 1 - Влияние коэффициента асимметрии на предел выносливости (1) и наводороживания (2)
Небольшое снижение усталостной прочности для образцов, железненных при повышенной температуре, объясняется, очевидно, появлением в осадках при этой температуре трещин более глубоких и редких, чем при пониженной температуре.
Необходимо отметить, что усталостная прочность стали 45, железненной в хлоридном электролите, значительно выше, чем для стали, железненной в сернокислых ваннах [3, 4].
При проведении исследований почти не удается проследить прямой связи между величинами твердости и пределом выносливости. Поэтому принять твердость за критерий оценки усталостной прочности деталей с железными покрытиями для хлористых электролитов, вряд ли целесообразно. Серии образцов с почти одинаковой твердостью показали неодинаковые пределы выносливости. В то же время серии с различной твердостью дали практически совпадающие значения пределов выносливости.
С другой стороны, пределы выносливости стали, железненной в различных электролитах и при различ-
ных условиях электролиза, хорошо коррелируются с типом трещиноватости.
Не подлежит сомнению, что остаточные напряжения оказывают влияние на усталостную прочность деталей с электролитическими железными покрытиями
[5].
Однако, влияние этих свойств сложное. Остаточные напряжения тесно связаны с трещиноватостью покрытий. В бестрещиноватых осадках почти всегда абсолютная величина остаточных напряжений выше, чем в трещиноватых. В первом случае остаточные напряжения оказывают существенное влияние на усталостную прочность, понижая предел выносливости с ростом абсолютной величины растягивающих остаточных напряжений. Во втором случае остаточные напряжения снимаются полностью или частично (в зависимости от величины и характера трещиноватости) и их влияние на предел усталости менее существенно. Однако, в данном случае, может иметь место снижение предела усталости, связанное с наличием трещин и вызываемой ими концентрацией напряжений [6].
Очевидно, характер трещиноватости в этих условиях оказывает преобладающее влияние на усталостную прочность, если покрытия после шлифования не подвержены другим видам упрочняющей обработки.
Вывод. Так как в каждом частном случае осаждения железных покрытий в зависимости от типа электролита, вида покрытий и условий электролиза, возможно получение осадков с различной степенью тре-щиноватости, различными остаточными напряжениями и твердостью, то наблюдаемые отклонения предела усталости, очевидно, являются закономерными. Получение осадков с малыми по величине остаточными напряжениями, бестрещиноватых, с повышенными значениями твердости способствовало бы повышению пределов усталости. Но как показала практика, толстые покрытия редко удается получить не трещиноватыми. Поэтому следует стремиться к тому, чтобы в процессе электролиза получать мелкопористые осадки с повышенной величиной твердости и сравнительно невысокими значениями остаточных напряжений.
Список использованных источников
1. Серебровский В.И., Гнездилова Ю.П. Электроосаждение бинарных сплавов на основе железа для упрочнения деталей машин // Вестник Орловского государственного аграрного университета. - 2009. - № 1. - С. 9-12.
2. К вопросу о сцепляемости электроосажденных покрытий с основным металлом / В.И. Серебровский, В.В. Серебровский, Р.И. Сафронов и др.: материалы Международной научно-практической конференции. Курская государственная сельскохозяйственная академия имени И.И. Иванова. - 2015. - С. 216-218.
3. Использование электроосажденных сплавов на основе железа для упрочнения и восстановления деталей машин / В.И. Серебровский, В.В. Серебровский, Б.С. Блинков, Е.С. Калуцкий // Региональный вестник. - 2016. - № 1. - С. 41-43.
4. Серебровский В.И. Электроосаждение двухкомпонентных покрытий на основе железа и их химико-термическая обработка для упрочнения и восстановления деталей машин: автореф. дисс. ... на соиск. уч. ст. док. техн. наук. - Курск, 2004.
5. Гадалов В.Н., Серебровский В.И. Структура и физико-механические свойства сталей, сплавов и многофункциональных покрытий. - Курск, 2003.
6. Упрочняющее легирование электроосажденного железа / В.И. Серебровский, В.В. Серебровский, Р.И. Сафронов, Ю.П. Гнездилова // Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии. - 2015. - № 4. - С. 68-71.
List of sources used
1. Serebrovsky V.I., Gnezdilova Yu.P. Electrodeposition of binary alloys based on iron for hardening machine parts // Vestnik Orel State Agrarian University. - 2009. - No. 1. - P. 9-12.
2. On the question of the adhesion of electrodeposited coatings to the base metal Serebrovsky, V.V. Serebrovsky, R.I. Safronov et al.: materials of the International Scientific and Practical Conference. Kursk State Agricultural Academy named after II. Ivanova. - 2015. - P. 216-218.
3. Use of electrodeposited alloys on the basis of iron for hardening and restoration of machine parts / V.I. Serebrovsky, V.V. Serebrovsky, B.S. Blinkov, E.S. Kalutsky // Regional Herald. - 2016. - No. 1. - P. 41-43.
4. Serebrovsky V.I. Electrodeposition of two-component coatings based on iron and their chemical-thermal treatment for hardening and recovery of machine parts: author's abstract. diss. ... on the socisk. uch. Art. doc. tech. sciences. - Kursk, 2004.
5. Gadalov V.N., Serebrovsky V.I. Structure and physical and mechanical properties of steels, alloys and multifunctional coatings. - Kursk, 2003.
6. Hardening doping of electrodeposited iron / V.I. Serebrovsky, V.V. Serebrovsky, R.I. Safronov, Yu.P. Gnezdilova // Bulletin of the Kursk State Agricultural Academy. - 2015. - No. 4. - P. 68-71.
