CC BY
80
УДК 669.14
Технологии машиностроения
РЕНОВАЦИЯ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОЙ И СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ ГАЛЬВАНИЧЕСКИМИ ЖЕЛЕЗОХРОМИСТЫМИ ПОКРЫТИЯМИ С ПРИМЕНЕНИЕМ
ЦЕМЕНТАЦИИ
В.Н. Гадалов, С.В. Сафонов, В.И. Серебровский, Ю.В. Скрипкина, В.В. Горецкий
Показана возможность восстановления и последующего упрочнения стальных деталей различного профиля комбинированной обработкой (электролитическое железохромистое покрытие плюс цементация)
Ключевые слова: восстановление деталей, комбинированная обработка, железохромистые покрытия
Восстановление деталей - это комплекс операций по устранению основных дефектов деталей, обеспечивающий возобновление их работоспособности и параметров, установленных в нормативно-технической документации, что позволяет повторно, а иногда и многократно использовать детали и узлы в целом. Одним из путей улучшения качества и снижения стоимости ремонта машин является многократное восстановление формы и упрочнения поверхности деталей с помощью металлопокрытий и химикотермической обработкой (ХТО) .
При открытой рыночной экономике расширение промышленного производства невозможно без решения проблем повышения качества и конкурентоспособности выпускаемых машин. Одним из таких подходов в развитии всех отраслей промышленности является «реновация» -системная деятельность по повторному использованию средств материального
производства и модернизации эксплуатируемой техники [1]. Одной из основных задач реновационной деятельности в развитии машиностроения является повышение качества, надежности, долговечности и эффективности использования машин и оборудования. Известно, что до 78% причин выхода из строя машин и механизмов связано с износом узлов трения. Ежегодно огромное количество деталей и узлов выбраковывается и поступает на переплавку из-за износа рабочих поверхностей или других дефектов, возникающих в процессе эксплуатации, которые могут быть устранены тем или иным способом обработки.
Восстановление работоспособности узлов и оборудования различной техники достигается ремонтом, а также заменой изношенных деталей
Гадалов Владимир Николаевич - ЮЗГУ, д-р техн. наук, профессор, e-mail: [email protected] Сафонов Сергей Владимирович - ВГТУ, канд. пед. наук, доцент, e-mail: [email protected]
Серебровский Владимир Исаевич - Курская ГСХА, д-р
техн. наук, профессор, тел. (4712) 39-40-28
Скрипкина Юлия Владимировна - ЮЗГУ, канд. техн.
наук, ст.преп., e-mail: [email protected]
Горецкий Виталий Витальевич - ВГТУ, аспирант, e-mail:
новыми с упрочненной поверхностью [2].
Износостойкие покрытия малоресурсных (слабых) деталей - самый быстрый, дешевый и эффективный путь решения проблемы увеличения ресурса машин. Малоресурсные детали являются также главной причиной отказов машин, их простоев, ремонта. Эти же детали заменяются наиболее часто и их замена или восстановление -главный элемент затрат при ремонте машин. Затраты на упрочнение слабых деталей несоизмеримо меньше расходов, связанных с их недостаточной износостойкостью. Стоимость восстановленных деталей составляет (25...40)% стоимости новых.
В настоящее время проблеме восстановления и упрочнения деталей придается весомое значение. Восстановление деталей после ремонта экономически выгоднее изготовления новых, так как способствует экономии металла, рабочей силы, минеральных и топливно-энергетических ресурсов. Но сложившаяся технология ремонтных работ, их культура и организация находится на чрезвычайно низком уровне и не обеспечивает полноценного восстановления работоспособности оборудования (так средние затраты на ремонт и межремонтное обслуживание в России в (5.7) раз превышают затраты на изготовление новых машин).
Очевидно, что ремонтные процессы нуждаются в коренном изменении технологии, широком использовании современных
упрочняющих технологий и материалов, придании им новых свойств. Повышение надежности отремонтированной техники (станков,
автомобилей, тракторов и др.) за счет применения прогрессивных технологий имеет первостепенное значение и требует глубоких познаний в физике старения и износа конструкционных материалов, а также знаний прогрессивных методов отделки упрочнения материалов, придания им антифрикционных, износо-, коррозионностойких и других повышенных эксплуатационных характеристик всегда было и остается перспективным направлением в машиностроении [2]. В связи с вышеуказанным технически и экономически целесообразно реализовать новый подход к выбору материалов для покрытий. Механическая прочность деталей или инструмента
гарантируется за счет применения одного материала, а сопротивление внешним воздействиям (износу, коррозии и др.) обеспечивается локальным формированием на их поверхности тонких слоев со специальными функциональными свойствами. В результате обеспечивается повышенная работоспособность детали и инструмента. При этом возможно создание изделий с уникальным сочетанием свойств, недостижимых при использовании конструкционных и инструментальных
материалов, например, высокая жаропрочность и жаростойкость, аморфное состояние поверхности деталей и инструмента с
электрофизикохимическими покрытиями
различной конфигурации и размеров и др.
В настоящее время технология
электрофизикохимического нанесения покрытий широко используется как при изготовлении, так и при ремонте деталей машин и механизмов, а также инструмента, изношенного при эксплуатации. Особенно перспективно нанесение покрытий при восстановлении изношенных деталей, так как их повторное (или многократное) использование позволяет сократить затраты на новые запасные части и, кроме того, уменьшить эксплуатационные расходы в хозяйствах и на предприятиях благодаря увеличению срока службы восстановленных
деталей. Это тем более важно, поскольку
стоимость запасных частей достигает (50.70)% от себестоимости капитального ремонта машин.
Задачей разработки методов управления свойствами поверхности занимается инженерия поверхности. Методы могут быть разделены на две основные группы - нанесение покрытий и модифицирование поверхности. В первом случае изменение свойств осуществляется за счет
формирования на поверхности слоя с иным, отличным от основного материала составом. Во втором - за счет изменения структурного состояния поверхностных слоев детали, инструмента (аморфизация с созданием нанокристаллических и метастабильных фаз и др.) или его легирования и упрочнения с помощью ХТО [3, 4].
Среди разнообразных технологий нанесения защитных покрытий за последнее время интенсивное развитие получила группа электрофизических методов, к которой относится электроискровое легирование,
электроакустическое нанесение покрытий, вакуумно-дуговые КИБ (конденсация при ионной бомбардировке), РЭП (реактивное электронноплазменное напыление), электродуговая металлизация, а также, в определенной мере применение гальванических покрытий [3-5].
Одним из наиболее распространенных методов восстановления стальных деталей является электролитическое осаждение железа на изношенные поверхности (железнение) [3, 5].
Процесс железнения отличается высокой
производительностью, экономичностью и технологической простотой, он позволяет компенсировать износы деталей от 0,1 до 1,5 мм, а иногда и более. Однако во многих случаях детали с электроосажденными железными покрытиями по износостойкости и другим эксплуатационным свойствам уступают новым деталям, которые при изготовлении подвергаются упрочняющей обработке. Последнее обстоятельство ограничивает использование железнения в чистом виде, особенно в случаях восстановления тяжелонагруженных деталей современных машин повышенной мощности и производительности.
Известно, что повысить эксплуатационные свойства деталей с гальваническими покрытиями можно методами ХТО, в частности, хорошо известной и освоенной цементацией. Однако цементация нелегированного электролитического железа не обеспечивает повышенной твердости и других свойств, соответствующих свойствам новых деталей, которые, как правило, изготавливаются из легированных сталей. Поэтому для обеспечения возможности эффективного упрочнения восстановленных деталей целесообразно осаждать на их поверхности не чистое железо, а гальванические сплавы на железной основе, в частности, железохромистый сплав.
Хром является наиболее подходящим элементом для легирования цементуемой стали с целью получения в ее диффузионных слоях большого количества карбидной фазы. Он в наибольшей степени способствует усвоению углерода при цементации, образуя специальные карбиды типа (Сг, Ре)23С6 и (Сг, Ре)7С3, а также стабилизирует цементит (Сг, Ре)3С, способствуя его росту в аустенитно - карбидной системе. Кроме того, значительная часть хрома, находящегося в стали, не участвует в карбидообразовании, а остается в растворе, способствуя его хорошей прокаливаемости.
В нашей работе [6] установлено, что хром присутствующий в цементуемой стали, значительно влияет на форму образующихся при цементации карбидных включений. Растворяясь в цементите, хром увеличивает коэффициент поверхностного натяжения растущего карбидного зерна, искривляя межфазную границу и способствуя росту карбида в виде равноосного изолированного включения. Критическая концентрация хрома, при которой становится возможным образование сферических карбидных частиц в цементованных слоях, составляет 2,1%. При содержании хрома ниже указанного значения карбидные включения образуются в виде тонких прослоек по границам зерен и поверхностной корки.
Для получения железохромистых покрытий был использован электролит следующего состава (кг/м3): сернокислое железо Бе804 - (250...400), нитрат хрома Сг(М03)3 - (5...20) [7]. Осаждение гальванического железохромистого покрытия из этого электролита проводили, используя асимметричный ток промышленной частоты, что
способствовало значительному повышению
скорости осаждения. При коэффициенте асимметрии (отношение величины катодного тока к анодному) 3 к 6 и плотности тока Бк = (40... 50) А/дм2 скорость осаждения железохромистого сплава достигает 0,6 мм/ч.
Содержание хрома в электролитических
осадках, как показывают наши исследования, в основном зависит от концентрации хромистой соли в электролите (рис. 1).
^ си"
а-ё
I 2
I *5
§ 5!
П5 о о «о
а
4 в 8 10 12 и 16 18 20
Концентрация Сг(Ы03)3Ь электролите, % Рис. 1. Зависимость содержания хрома в гальваническом осадке от концентрации азотнокислого хрома в электролите (концентрация Ёе804 - 300 кг/м3) при плотности катодного тока (Бк) при заданном коэффициенте ассиметрии (в) Максимальное содержание хрома в гальванических осадках, которое может быть получено при использовании электролита
предполагаемого состава, достигает 7 %, что позволяет, изменяя концентрацию Сг(К03)3 в нем, воспроизвести степень легированности
подавляющего большинства хромистых
конструкционных сталей, используемых в
машиностроении.
Анализ процессов карбидообразования и диффузии углерода в хромистых сталях показывает, что при насыщении таких сталей до высоких содержаний углерода, необходимых для образования в них большого количества карбидной фазы, обеспечивающей им высокую износостойкость, углеродный потенциал традиционных газовых и твердых карбюризаторов недостаточен. Науглероживающая среда, пригодная для этих целей, должна быть настолько активной, чтобы обеспечить приток углерода, достаточный для образования карбидов и для проникновения на большую глубину для эффективного упрочнения.
Такой науглероживающей средой, как показали наши исследования, является пастообразный карбюризатор на основе сажи, которая обладает очень высокой реакционной
активностью благодаря мелкодисперсности и сильно развитой поверхности. Такой карбюризатор удобнее всего использовать в виде пасты, наносимой
непосредственно на цементуемую поверхность. При этом реакции образования активных атомов углерода, которые тут же адсорбируются этой поверхностью и диффундируют в глубину изделия, протекают в непосредственной близости от насыщаемой поверхности. Расход компонентов карбюризатора при таком механизме насыщения минимальный, а насыщающая способность очень высокая.
Экспериментальное исследование
науглероживающей способности пастообразных карбюризаторов различных составов показало, что наилучшие результаты по глубине и содержанию карбидов в железохромистых сплавах обеспечивает цементация в пастообразном карбюризаторе, состоящим из мелкодисперсной газовой сажи ДГ -100, углекислого бария ВаСО3 и
поливинилацетатной эмульсии ПВА (в качестве пастообразователя) в соотношении 50:10:40 (% масс). В качестве газовой атмосферы, подаваемой в цементационную печь для обеспечения углеродного подпора, могут быть использованы продукты распада синтина или другой углеродсодержащий газ. Температура цементации -(900...920) °С. Аналогичные результаты получаются, если цементацию изделий, покрытых пастой, проводить в цементационных контейнерах с твердым углеродсодержащим наполнителем (древесным углем, чугунной стружкой и др.). Это особенно удобно для ремонтного производства, так как позволяет использовать для цементационного нагрева любые термические устройства. Наконец, в цементующей пасте углекислый барий можно заменить более дешевым углекислым натрием (содой), однако при этом нельзя использовать повышение температуры цементации (выше 950 °С) во избежание окисления поверхности.
В результате цементации железохромистых гальванических осадков в карбонатно - сажевой пасте на их поверхности образуются диффузионные слои, насыщенные карбидами, количество которых зависит от содержания в покрытиях хрома (рис. 2).
Рис. 2. Микроструктуры цементованных железохромистых покрытий с различным содержанием хрома (*300): а) - 0,95 %; б) - 1,51 %; в) - 3,07 % Карбидная фаза в цементованных железохромистых покрытиях, как показывают рентгеноструктурные исследования, представлена цементитом. Наиболее высокое содержание
карбидной фазы в диффузионных слоях, как и наибольшая глубина этих слоев, получаются при цементации покрытий с содержанием хрома (1,5...2) %. Меньшее содержание хрома приводит к уменьшению количества карбидов в слое, большее содержание - к снижению глубины цементации. Повышение температуры цементации до (900...920) °С интенсифицирует процесс карбидообразования. Скорость цементации покрытия с двумя процентами хрома при температуре 900 °С составляет (0,18...0,20) мм/ч.
После закалки с 880 °С в масле и низкого отпуска цементованные железохромистые покрытия приобретают весьма высокую твердость, достигающую ЫЯС (66...68), что обусловливается наличием на поверхности покрытия большого количества карбидов и мартенситным превращением в нижележащих зонах.
Увеличение содержания карбидов в
диффузионных слоях цементованных
железохромистых покрытий приводит к
интенсивному возрастанию их износостойкости, в том числе и при абразивном изнашивании, при котором цементованные покрытия практически неработоспособны (рис. 3).
л
§
о
о
§
о
0
а:
5
§
а:
1 1
о
3;
£
СЭ
0 10 20 30 ио 50 60
Содержание карбидной фазы, % поля шлифа
Рис. 3. Зависимость относительной износостойкости (эталон - закаленная сталь 40Х) цементованных железохромистых покрытий от содержания карбидов в их диффузионных слоях С другой стороны, наличие в структуре цементованных покрытий большого количества хрупких карбидных включений предопределяет их невысокую ударную вязкость, хотя округлая форма карбидных частиц (по сравнению с острыми концентраторами напряжений) несколько смягчает их негативное действие. При содержании цементита в структуре до 50 % ударная вязкость
цементованных покрытий вполне
удовлетворительная, на уровне ударной вязкости закаленной на мартенсит высокоуглеродистой стали. При дальнейшем повышении содержания карбидов в структуре ударная вязкость резко падает и при - 70% становится практически равной нулю.
Прочность сцепления гальванических железохромистых покрытий с основным металлом в результате цементации заметно увеличивается. Если в исходном состоянии при самой тщательной подготовке основы под осаждение и применении разгонного режима в начале электролиза прочность сцепления составляет примерно (230...250) МПа, то после цементации (900°С, 6 ч.) прочность сцепления уравнивается с прочностью основы, граница между покрытием и основой полностью размывается.
Цементация железохромистых гальванических покрытий коренным образом изменяет характер внутренних напряжений в этих покрытиях. В исходном состоянии (после электроосаждения) во всех покрытиях с различным содержанием хрома и разной толщины имеют место только растягивающие напряжения. Причем их уровень в некоторых случаях превышает предел прочности покрытия (образуются трещины и расслоения). После цементации и закалки в железохромистых покрытиях возникают сжимающие напряжения, величина которых достигает - (200.. .400) МПа, в зависимости от режимов упрочняющей обработки. При этом наибольшие сжимающие напряжения возникают в относительно тонких слоях с небольшим количеством карбидов. Сжимающие напряжения обеспечивают восстановленным деталям высокий предел выносливости.
Разработанная технология восстановления и упрочнения деталей может быть применена для восстановления многих автомобильных деталей, в частности, ответственных деталей рулевого управления, ходовой части и деталей двигателей. Она была опробована в производственных условиях при восстановлении стержней впускных клапанов двигателей автомобилей ГАЗ - 53 А и ЗИЛ - 130 и наконечников рулевых тяг автомобилей КамАЗ. Гальваническое наращивание производилось в электролите, содержащем 400 г/м Бе804, 17 кг/м Сг(К03)3 и 20 кг/м3 №2804. Для электроосаждения использовали гальваническую ванну с водяным охлаждением, которая позволяла поддерживать температуру электролита на уровне 20 °С.
Электролиз вели при коэффициенте асимметрии в = 6 и плотности катодного тока Бк = 40 А/дм2 в течение
1 ч. Содержание хрома в покрытии составляло ~ 2% при толщине покрытия (0,4...0,5) мм.
После наращивания металла детали подвергали механической обработке для придания им необходимых размеров и формы. При этом остаточная толщина обработанного покрытия составляла около 0,2 мм.
Подготовленные детали покрывали цементующей обмазкой (путем погружения в емкость с пастой) толщиной примерно 1,5 мм и высушивали. Затем детали с сухим цементующим покрытием помещали в герметический контейнер с нейтральным наполнителем (чугунной стружкой). Цементацию проводили при 900 °С в течение 3 часов. После цементации детали очищали от остатков обмазки и закаливали с 880 °С в масле, а затем подвергали отпуску при 300 °С течение 2
часов. Повышенную температуру отпуска использовали для увеличения вязкости сердцевины, твердость поверхности при этом снижалась незначительно.
Упрочненные детали после финишной обработки устанавливали на автомобили, причем для получения сравнительных результатов на те же автомобили устанавливали новые детали, чередуя их с восстановленными. Перед установкой деталей на машины проводилось их микрометрирование.
Эксплуатационные испытания показали, что долговечность деталей, восстановленных электролитическими железохромистыми
покрытиями с последующей цементацией, заметно возросла: по клапанам - до 2,5 раз; по наконечникам рулевых тяг - до 3,5 раз. Высокая эффективность предлагаемого способа восстановления автомобильных деталей позволяет рекомендовать его для внедрения в ремонтное производство. Предлагаемая технология рассчитана на использование дешевых и доступных материалов, типового оборудования и отличается высокой производительностью и экологической чистотой.
Работа выполнялась в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.
Литература
1. Гадалов, В.Н. Реновация - системная деятельность к возрождению материального производства / В. Н. Гадалов, И. С. Захаров // Материалы и упрочняющие технологии - 2003: сб. материалов Х юбил. Рос. науч.-техн. конф. с междунар. участием, посвященной 40-летию Курск.
гос. техп. уп-та. Курск, 2003. Ч. 1. С. 8 - 11.
2. Гадалов, В.Н. К вопросу о применении методов поверхностного упрочнения конструкционных и инструментальных материалов в современных условиях / В.Н. Гадалов, И. С. Захаров // Материалы и упрочняющие технологии - 2004: сб. материалов ХІ Рос. пауч.-техп. копф. Курск: КГТУ. 2004. С. 8 - 12.
3. Гадалов, В.Н. Структура и физико-механические свойства сталей, сплавов и многофункциональных покрытий / В.Н. Гадалов, В. И. Серебровский // Курск: КГСХА. 2003. 318 с.
4. Гадалов, В.Н. Поверхностное упрочнение восстановленных деталей машин химико-термической обработкой - перспективное направление ремонтного производства / В.Н. Гадалов, В.Г. Сальников, В.В. Горецкий и др. // Ремонт, восстановление, модернизация. 2011. №9. С. 2-7.
5. Гадалов, В.Н. Химико-термическаая,
электрофизическая обработка металлов, сплавов и гальванических покрытий / В.Н. Гадалов, В. И. Серебровский, В. Г. Сальников и др. // Курск: КГСХА. 2012. 386 с.
6. Сальников, В.Г. Влияние хрома па морфологию карбидных частиц в цементованных сталях и в железохромистых электролитических покрытиях покрытий / В.Г. Сальников, В.Н. Гадалов, Д.В. Колмыков и др. // Известия Самарского паучпого центра Российской академии паук. Самара: изд-во Самарского паучпого центра РАН. 2010. Том 12(33). №4(3). С. 691-693.
7. Пат. 2285065 Российская Федерация, МПК С 25 D3/56. Способ электролитического осаждепия сплава железо - хром / В.И. Серебровский, Н.В. Копяев и др.: патентообладатель ФГОУ ВПО Курская государственная сельскохозяйственная академия им. Проф. И.И. Иванова. Заявка: 2005106549/02, 09.03.2005; опубл. 10.10.2006, Бюл. № 28.
Юго-Западный государственный университет, г. Курск Воронежский государственный технический университет Курская государственная сельскохозяйственная академия
MACHINE-BUILDING RENOVATION AND AGRICULTURAL MACHINERY GALVANIC ZHELEZOHROMISTYMI COATINGS USING CEMENTATION
V.N. Gadalov, S.V. Safonov, V.I. Serebrovsky, J.V. Skripkina, V.V. Goretsky
The possibility of recovery and subsequent hardening of steel parts of different types of combination treatment (electrolytic iron and chrome coating plus cementation)
Key words: restoration of the details, the combined processing, iron and chrome coverings
