Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса. Методы восстановления плунжерных пар ТНВД дизельных двигателей. Цели и задачи исследования 13
1.1 Особенности эксплуатации плунжерных пар ТНВД 13
1.2 Анализ технических требований для плунжерных пар ТНВД 14
1.3 Анализ эксплуатации плунжерных пар ТНВД 16
1.4. Методы восстановления и упрочнения деталей плунжерных пар 21
1.5 Нанесение композитных покрытий с применением дисперспых частиц 27
1.6. Выводы. Постановка целей и задач исследования 35
Глава 2. Теоретические предпосылки и обоснование процесса по лучения гальванических композитных покрытий с диэлектриче ским нополнителем 37
2.1 Процесс получения дисперсно-упрочненных гальваниче-ских композитных покрытий с диэлектрическим наполните-лем 37
2.2 Механизм упрочнения гальванических покрытий при внедрении дисперсных наполнителей 44 2.3. Обоснование увеличения износостойкости гальваниче-ского композитного покрытия на основе хрома с диэлектри-ческим наполнителем 52
2.4 Выводы 60
Глава 3. Программа и методика исследований 61
3.1 Программа исследований 61
3.2 Требования к процессу нанесения дисперсно-упрочненных гальванических композитных покрытий на ос-нове хрома с диэлектрическим наполнителем 61
3.3 Методика выбора наполнителя для получения гальвани-ческих композитных покрытий на основе хрома 63
3.4 Технологическое оснащение для реализации метода
3.4.1 Выбор материалов для рабочих сред и исследований 64
3.4.2 Оборудование 3.5 Методика проведения экспериментальных исследований 69
3.6 Методика стендовых испытаний 83
3.7 Методика эксплуатационных испытаний и математиче-ская обработка экспериментальных данных 87
3.8 Выводы 91
Глава 4. Экспериментальные исследования процесса нанесения дисперсно-упрочненных композитных гальванических покрытий на основе хрома с диэлектрическим наполнителем 92
4.1 Исследование влияния основных показателей прцесса на микротвердость покрытия 92
4.2 Исследование влияния основных показателей процесса на остаточные напряжения в покрытии 97
4.3 Исследование влияния основных показателей процесса на шероховатость поверхности после покрытия 101
4.4 Исследование адгезии покрытия к основе 105
4.5 Выбор рациональных режимов осаждения покрытия 108
4.6 Исследование износостойкости композитных покрытий на основе хрома 110
4.7 Исследования пористости композитных покрытий на ос-нове хрома 112
4.8 Коррозионная стойкость покрытий 115
4.9 Производительность процесса 1 4.10 Наводороживание 118
4.11 Структура покрытий 120
4.12 Результаты исследования качественного и количест венного состава покрытия 122
4.13 Результаты стендовых и эксплуатационных испытаний плунжерных пар ТНВД, восстаноаленных дисперсно-упрочне гальваническим покрытием на основе хрома 124
4.14 Выводы 126
Глава 5. Технология восстановления плунжерных пар тнвд дизельных двигателей 129
5.1 Модернизация технологии восстановления плунжерных пар с учетом ведения операции нанесения гальванических дисперсно-упрочненных покрытий на основе хрома 129
5.2 Технологические рекомендации по нанесению гальвани-ческих композитных покрытий 130
5.3 Оборудование для осуществления метода нанесения композитных покрытий на основе хрома на внутренние и наружные цилиндрические поверхности 132
5.4 Технико-экономическое обоснование эффективности технологии
5.4.1 Определение рабочих мест 138
5.4.2 Расчет прямых затрат на восстановление 145
5.4.3 Номенклатура и расчет расходов на содержание, и экс-плуатацию оборудования 147
5.4.4 Номенклатура и методика расчета сметы общецеховых расходов 152
5.5 Калькуляция себестоимости восстановления гильзы
цилиндра двигателя СМД-60 155
5.6 Выводы 158
Заключение 159
Литература
- Методы восстановления и упрочнения деталей плунжерных пар
- Обоснование увеличения износостойкости гальваниче-ского композитного покрытия на основе хрома с диэлектри-ческим наполнителем
- Методика выбора наполнителя для получения гальвани-ческих композитных покрытий на основе хрома
- Исследование влияния основных показателей процесса на шероховатость поверхности после покрытия
Введение к работе
Актуальность темы. Эксплуатационная надежность элементов топливной арматуры дизельных двигателей в значительной степени определяет экологическую безопасность двигателя, стабильность и безотказность его работы, а также его эксплуатационно-экономические показатели.
Износ плунжерных пар дизельного двигателя сельскохозяйственной техники является причиной отказа системы питания в 30 – 50% случаев всех отказов силовых установок. Это вызвано высоким давлением при прокачке топлива, качеством применяемых материалов при изготовлении узлов, качеством сборки, заклиниванием и т.д. Но главная причина заключается в качестве используемого дизельного топлива, которое в своем составе имеет твердые механические частицы, что ведет к появлению эффекта абразивного изнашивания.
Учитывая то, что для изготовления плунжерных пар применяется высоколегированная сталь, а сами они являются прецизионными деталями, что накладывает высокие технологические и экономические требования к их производству видно, что их восстановление приведет к значительной экономии материальных и временных затрат. Существующие на сегодняшний день методы восстановления деталей топливной аппаратуры требуют обязательной финишной операции шлифования, которая являясь по своей сути высокотемпературным методом воздействия, ведет к образованию на восстановленной поверхности микротрещин, которые, являясь концентраторами напряжений приводят к сколам и выкрашиваниям на рабочей поверхности деталей. Это ведет к заклиниванию плунжерной пары и, как следствие, полному выходу из строя топливных насосов высокого давления (ТНВД). Выход из сложившейся ситуации при восстановлении деталей предлагается найти путем получения в процессе финишного нанесения композитных гальванических покрытий, исключающего механическую обработку покрытий после их осаждения, сжимающих остаточных напряжений, что исключит возможность растрескивания покрытий при эксплуатационных нагрузках.
Степень разработанности темы Вопросам восстановления деталей топливной аппаратуры дизельных двигателей с/х машин композитными покрытиями посвящены труды Бобрикова Ю.В., Молчанова В.Ф., Погодаева М.И., Леонтьева А.Л., Гаркунова Д.Н., Ли Р.И., Жачкина С.Ю., Задорожного
Р.Н. и многих других отечественных ученых. Анализ исследований показывает, что все существующие методы восстановления плунжерных пар ТНВД используют механическую обработку восстанавливаемой поверхности. Однако, такой подход не только ведет к удорожанию производства, но и значительно сокращает процент восстановленных деталей. Восстановление деталей гальваническими композитными покрытиями позволяет избежать вышеназванных недостатков. Однако, крайне мало исследований и рекомендаций по нанесению данного типа покрытий на детали малого диаметра, к которым относятся плунжерные пары. Работа выполнялась в соответствии с комплексной целевой программой ГБ работы кафедры «Автоматизированное оборудование машиностроительного производства» ФГБОУ ВПО Воронежский государственный технический университет «Теория и практика машиностроительного производства» 2013.39.
Цель работы – повышение эксплуатационной эффективности плунжерных пар ТНВД дизельных двигателей сельскохозяйственной техники при восстановлении дисперсно-упрочненным композитным покрытием на основе хрома с диэлектрическим наполнителем.
Достижение поставленной цели требует решения следующих задач исследования
-
На основании литературных данных и патентного поиска изучить причины отказов сельскохозяйственных машин из-за выхода из строя плунжерных пар ТНВД и способы их восстановления;
-
Обосновать теоретически возможность обеспечения требуемой износостойкости плунжерных пар ТНВД при восстановлении их гальваническим композитным покрытием на основе хрома с диэлектрическим наполнителем.
-
Разработать регрессионные модели, связывающие технологические параметры восстановления деталей с физико-механическими свойствами рабочих поверхностей изделий и определить рациональные режимы нанесения гальванического композитного покрытия на основе хрома с диэлектрическим наполнителем.
-
На основе разработанного способа предложить технологию восстановления плунжерных пар ТНВД с применением гальванического композитного покрытия на основе хрома с диэлектрическим наполнителем.
5. Провести стендовые и эксплуатационные испытания плунжерных пар и
определить технико-экономическую эффективность разработанной
технологии их восстановления.
Объект исследований Композитные гальванические покрытия на основе хромовой матрицы с диэлектрическим наполнителем, нанесенные способом гальваноконтактного осаждения (ГКО) на изношенную поверхность.
Предмет исследования Физико-механические характеристики композитных гальванических покрытий с диэлектрическим наполнителем, полученных методом ГКО и закономерности их формообразования.
Методика исследования Исследования проводились с использованием методов системного анализа, теории электрохимического формообразования и обеспечения требуемого качества поверхностного слоя. Экспериментальные исследования и обработка полученных данных проводились с использованием современных методик, а постановка и обработка результатов эксперимента с применением методов математической статистики. Результаты исследований обрабатывались с использованием методов дисперсионного и регрессионного анализа.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Теоретически обосновано и экспериментально доказано повышение физико-механических свойств гальванических покрытий при введении дисперсных диэлектрических наполнителей.
-
Получены математические модели, связывающие условия обработки с физико-механическими, и, как следствие, эксплуатационными характеристиками получаемых покрытий при восстановлении деталей методом ГКО, отличающиеся от известных учетом как гальванической, так и механической составляющей процесса нанесения покрытий.
-
Разработан способ получения композитных гальванических покрытий на цилиндрических поверхностях, отличающийся тем, что процесс ведется с введением диэлектрических наполнителей в гальваническую матрицу при переменном давлении инструмента на обрабатываемую поверхность в зависимости от ее износа. Это позволяет восстанавливать плунжерные пары ТНВД ранее считавшиеся безнадежно изношенными.
Теоретическая значимость заключается в обосновании и разработке технологии нанесения композитных гальванических покрытий с диэлектри-5
ческим наполнителем на изношенные поверхности деталей плунжерных пар ТНВД с целью увеличения их долговечности, работоспособности и живучести, что развивает аппарат теории электрохимических и электрофизических методов обработки.
Практическая ценность работы. Разработана технология, позволяющая получать герметичные, беспористые, композитные покрытия на основе хрома с диэлектрическим наполнителем, отличающиеся высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами, на внутренних и наружных цилиндрических поверхностях (способ проходит патентование), что позволяет сократить время технологического процесса изготовления детали на 40%, увеличить ресурс изделия до 25%, значительно снизить технологический брак, наносить покрытия толщиной до 40 мкм на сторону, повысить коррозионную стойкость покрытий и устранить их растрескивание при эксплуатации. Это в комплексе позволяет повысить эксплуатационную эффективность плунжерных пар ТНВД дизельных двигателей сельскохозяйственной техники.
На защиту выносятся:
теоретические предпосылки повышения физико-механических свойств гальванических покрытий при введении в них дисперсных диэлектрических наполнителей;
результаты экспериментальных исследований по физико-механическим и эксплуатационным характеристикам покрытий, нанесенных методом ГКО;
технология восстановления плунжерных пар ТНВД двигателей гальваническим композитных покрытием с диэлектрическим наполнителем на основе хрома, без применения предварительной и последующей механической обработки;
Конструкция инструмента для получения качественных гальванических композитных покрытий на внутренних и наружных цилиндрических поверхностях.
Достоверность полученных в диссертационной работе научных результатов обеспечивается обоснованным выбором основных допущений и ограничений, соответствующим конкретным условиям и особенностям функционирования плунжерных пар ТНВД дизельных двигателей сельскохо-
зяйственной техники; корректным использованием современного апробированного математического аппарата исследований, в частности теории элек-трохимикофизических методов обработки; удовлетворительным совпадением данных математического моделирования с данными, полученными в ходе натурных экспериментальных исследований на базе действующих образцов сельскохозяйственной техники; апробацией результатов, выводов и рекомендаций на всероссийских и международных конференциях, публикациях в центральных и ведомственных изданиях.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на: научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников, докторантов и аспирантов Воронежского государственного технического университета в 2012 –2015 гг.; межвузовской научно-практической конференции курсантов и слушателей «Молодежные чтения памяти Ю.А.Гагарина» ВУНЦ ВВС «ВВА» (г. Воронеж) 2015 г.; 53 региональной научно – технической конференции Воронеж ФГБОУ ВПО Воронежский государственный технический университет, 2015 г.; международной научно-технической конференции «Инновационные технологии и оборудование машиностроительного комплекса» Воронеж ФГБОУ ВПО Воронежский государственный технический университет, 2015 г.; международной научно-практической конференции «Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика» (г. Санкт-Петербург), 2015 г.; на заседании кафедры «Автоматизированное оборудование машиностроительного производства» ФГБОУ ВПО Воронежский государственный технический университет, 2015 г.
Публикации. По результатам выполненной работы опубликовано 11 печатных работ, в том числе четыре статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В статьях, выполненных в соавторстве, лично соискателем разработаны модели формообразования композитных покрытий на основе хрома с остаточными напряжениями сжатия, определена последовательность технологических операций нанесения композитных покрытий, исследованы влияния режимов ГКО на физико-механические и эксплуатационные характеристики покрытий на токопроводящих деталях малого диаметра, разработаны конструкции электродов-инструментов, позволяющие получать методом ГКО высококачественные покрытия.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 193 страницах машинописного текста, содержит 40 рисунков, 25 таблиц, 8 приложений и библиографию из 123 наименований.
Методы восстановления и упрочнения деталей плунжерных пар
Плунжерные пары эксплуатируются в условиях повышенного давления рабочей среды, высокой ее скорости протекания, а также наличия механических примесей в перемещаемых средах.
Литературные данные [21, 30, 32, 58, 63, 78, 101] свидетельствуют, что основным фактором, вызывающим износ элементов плунжерной пары является наличие механических примесей в перекачиваемом топливе. Детальное изучение состава дизельного топлива [15, 109, ПО, 112, 113, 116, 119] показало, что 90% загрязнения состоит из кварца и оксидов металлов (БегОз, А1203, ZnO и т.д.) [18, 119, 120]. Как известно микротвердость таких включений очень высокая и составляет для кварца 10300 -=- 11000 МПа, для оксида алюминия 10000 - 12000 МПа [31]. Для сравнения, микротвердость рабочих поверхностей плунжерных пар ТНВД колеблется в пределах 9000 - 10500 МПа [13, 69]. Сравнивая эти данные, становится очевидной причина абразивного изнашивания контактных поверхностей. Следует отметить, что в процессе эксплуатации плунжерных пар происходит абразивное истирание рабочих поверхностей вследствие попадания твердых частиц в рабочий зазор между поршнем и втулкой и гидроабразивный износ, вызванный воздействием частиц примеси топлива при их скоростном движении относительно рабочих поверхностей.
Гидроабразивный износ вызван совместным действием топлива и твердых частиц, находящихся в нем. Механизм износа заключается в срезании микрослоев, вымывания нарушенных слоев материала и внедрения жидкости в дефектные очаги на поверхности детали.
Авторы [4, 13, 10 – 12, 88] указывают, что абразивное изнашивание имеет место в том случае, когда размер твердых частиц в перекачиваемом топливе превышает зазор в плунжерной паре. В этом случае частицы не только выступают в роли резцов, срезающих стружку с рабочих поверхностей, но могут и перекатываться в зазоре между поршнем и втулкой тем самым пластически деформируя рабочие поверхности плунжерной пары [13, 33, 58, 66, 69]. При этом авторы [33, 66, 69] отмечают, что в большей степени абразивному изнашиванию, как правило подвергаются сопрягаемые поверхности, а гидроабразивному изнашиванию только участки, соприкасающиеся с движущимся топливом.
Особенность износа плунжерных пар проявляется в образовании зон повышенного износа, получивших название местных износов, которые не охватывают всю поверхность плунжерной пары. Так, у гильзы наибольший износ наблюдается выше впускного и ниже перепускного окна, а у плунжера в зонах непосредственно у впускного окна и у отсечной кромки.
Расположение этих зон износа не случайно и объясняется наиболее интенсивным протеканием топлива в моменты нагнетания и перетекания его в конечном моменте нагнетания.
Большинство авторов [13, 33, 58, 66, 69, 70, 80] в своих работах отмечают, что наибольшему износу подвергается часть плунжера, примыкающая к впускному окну гильзы. Величина износа непосредственно у кромки достигает 30 -т- 35 мкм, а на расстоянии 1 мм от кромки 20 ч- 25 мкм. По ширине износ достигает 7,5 мм по окружности плунжера симметрично относительно впускного окна, а по длине износ достигает 9 ч- 10 мм от верхней кромки.
Особенностью возникновения местных износов можно назвать образование впадин с увеличивающейся глубиной к кромкам у плунжера и у гильзы. Это свидетельствует о наличии процесса гидроабразивного изнашивания.
На основании вышесказанного логично представить, что процесс изнашивания плунжерной пары протекает по следующей схеме. В начальный момент времени подачи топлива (рис. 1.1а) абразивные частицы, находящиеся в нем, подвергают износу кромку впускного окна гильзы и кромку плунжера напротив окна гильзы. В момент времени, соответствующий началу нагнетания топлива (рис 1.1б), процессу нагнетания (рис. 1.1 в) и при отсечке подачи (рис 1.1 г) находящиеся в топливе и движущиеся вместе с ним твердые частицы подвергают износу кромки окон гильзы и плунжера. Частицы, попавшие в технологический зазор плунжерной пары, подвергают абразивному изнашиванию цилиндрическую поверхность плунжера и гильзы.
В цикле отсечки подачи (рис. 1.1 г) струя топлива завихряется при выходе из перепускного окна.
Это приводит к тому, что абразивные частицы, содержащиеся в топливе, ударяются о поверхность плунжера, находящуюся выше отсечной кромки. Вследствие этого на плунжере образуются многочисленные микроскопические вмятины. Движущееся с большой скоростью топливо размывает дефектные очаги, к которым относятся микроскопические вмятины. В процессе эксплуатации плунжерной пары вместе с топливом в технологический зазор попадают абразивные частицы (рис 1.1 в). Частицы, имеющие размер меньше технологического зазора между гильзой и плунжером, двигаясь вместе с топливом, наносят царапины на поверхность плунжера и гильзы. Боле крупные частицы расклинивает в зазоре плунжерной пары и они изнашивают рабочие поверхности деталей в результате абразивного изнашивания с образованием бороздок направление которых совпадает с направлением движения плунжера рис 1.2. Необходимо отметить, что при прочих равных условиях скорость изнашивания плунжерной пары ТНВД возрастает при увеличении протечек топлива через зазоры.
Обоснование увеличения износостойкости гальваниче-ского композитного покрытия на основе хрома с диэлектри-ческим наполнителем
К индукционным приборам относится прибор ТПО, при помощи которого можно вести автоматизированный контроль толщины покрытий на мелких деталях в условиях их массового производства. Он предназначен для измерения толщины немагнитных и слабомагнитных покрытий на изделиях.
Приборы подобного типа имеют переносные датчики, позволяющие измерять толщину покрытия на разнообразных деталях, а также на труднодоступных участках и отверстиях. Компенсация влияния магнитных свойств, формы и габаритных размеров деталей на показания приборов достигается установкой нуля по детали не подверженной нанесению хрома и подобной исследуемой.
Для контроля толщины наносимого слоя использовался химический метод снятия. Всем химическим методам присуща низкая производительность. При их использовании возможность автоматизации процесса контроля толщины покрытия в условиях серийного и массового изготовления деталей практически исключается. Подобный метод наиболее часто применяется для выборочного контроля толщины металлопокрытий, а также покрытий, конфигурация которых не позволяет применять другие методы измерения. Погрешность подобного измерения тем ниже, чем больше толщина наносимого слоя. Нижний предел погрешности такого метода составляет 5%. Для покрытий толщиной до 600 мкм данный метод можно в полной мере считать состоятельным [23].
Метод снятия заключается в растворении покрытия в таком растворе, который не повреждает основного металла. Растворение проводилось химическим или электрохимическим методом. Толщину покрытия при этом определяли по массе удаленного материла.
Использовались способ определения массы покрытия по непосредственному взвешиванию деталей до и после снятия покрытия. Применялась следующая последовательность операций: деталь обезжиривали венской известью, промывали и тщательно высушивали в сушильном шкафу при температуре 105 - 120 С. После охлаждения деталь взвешивали и погружали в соответствующий раствор до полного растворения покрытия. Затем деталь промывали водой, вновь высушивали в сушильном шкафу и после охлаждения взвешивали.
Среднюю толщину покрытия (hср, мкм) при этом определяют по формуле: hср = 10000(Р1 – Р2)/(Sd), (2.1) где Р1 и Р2 – массы деталей до и после снятия покрытия, г; S – поверхность детали, см2; d – плотность металла покрытия, г/см3. Взвешивание производили на аналитических весах с точностью до 0,0001 г или на технических с точностью до 0,01 г в зависимости от массы и размера детали. Составы растворов и режимы процессов для определения толщины покрытия методом снятия приведены в таблице 3.2 (химическое снятие) и таблице 3.3 (электрохимическое снятие) [23].
Методом элекгротензометрирования определялись осевые остаточные напряжения в хромовых покрытиях, причем сам процесс проходил при непрерывном стравливании напряженных слоев с исследуемой поверхности на установке УКООНТ [57]. Указанная установка предназначена для измерения относительных деформаций и состоит из тензометрического усилителя 8АНЧ-7М и самопишущего потенциометра КСП-4. первичными преобразователями служили тензорезисторы 2ФКПА-10-200 В.
Остаточные напряжения (МПа) в исследуемом слое "А" представлялись в виде суммы [57] х = хв + хс (2.2) где хв - линейная составляющая, определяемая по деформации образца при вырезке из детали, МПа; хс - нелинейная составляющая, вычисляемая по кривой деформации при стравливании образца на глубину наносимого слоя, МПа.
В ходе измерения линейной составляющей пренебрегали в связи с тем, что глубина поверхностного слоя много меньше толщины исследуемого образца. Нелинейную часть остаточных напряжений вычисляли по формуле, приведенной в работе [32].
Кольца из стали ЗОХГСА с нанесенными на них покрытиями вырезались из трубчатых образцов электроэрозионным методом. На поверхность, противоположенную исследуемой, клеем "Циакрин - 30" наклеивали тензодатчик. Пчелиным воском защищались поверхности, не подлежащие травлению, исследуемая поверхность обезжиривалась бензином. Исследованию подвергались кольца с хромовым покрытием толщиной до 40 мкм.
Удаление напряженных слоев осуществлялось в электролите следующего состава: 67 % ортофосфорной кислоты (уд.вес = 1,56 г/см3 ) 33 % серной кислоты (уд.вес 1,24 г/см3), 50 г/л хромового ангидрида. Режим электрохимического травления: Плотность тока – 10 А/дм2 , температура электролита - 293К. [23] Величина стравливаемого слоя определялась весовым методом. Контрольное измерение остаточных напряжений, после описанного выше метода, осуществлялась методом рентгеноструктурного анализа на рентгеноструктурном дифрактометре Дрон – 3, который показан на рисунке 3.3.
Шероховатость поверхности получаемых покрытий определялась на профилографе - профилометре модели М252, внешний вид которого показан на рисунке 3.4.
Измерение микротвердости проводилось на микротвердомере ПМТ-3, изображенном на рисунке 3.5, при нагрузке на пирамиду 0,5 Н. Среднее значение микротвердости определялось из 10 измерений на поперечном шлифе образцов.
Методика выбора наполнителя для получения гальвани-ческих композитных покрытий на основе хрома
Хорошо известная устойчивость хрома против атмосферного влияния основана на образовании невидимой благодаря своей прозрачности тончайшей пленки окиси хрома. Окисная пленка защищает также хром от различных химических воздействий [17, 89]. Вследствие этого, несмотря на то, что хром в ряду нормальных потенциалов занимает место достаточно отрицательного металла, он имеет хорошую коррозионную устойчивость. Однако эта пленка является крайне неустойчивой к механическим воздействиям.
Литературные данные свидетельствуют о том, что окисная пленка хрома на деталях плунжерных пар практически отсутствует из-за постоянного механического контакта трущихся пар и основной причиной коррозии ме-115 таллов под гальваническими покрытиями в этом случае является наличие глубоких пор в осадке, доходящим до основного металла [4, 28, 47, 82]. В связи с этим, исследования проводились по ГОСТ 9.308-85 на образцах, восстановленных по разным технологиям. Серия1 – образцы, восстановленные по стандартной технологии. Серия2 – образцы, восстановленные по технологии ГКО на режимах, обеспечивающих получение беспористых хромовых покрытий. Толщина покрытий в обеих сериях составляла 180 мкм. Коррозионные исследования проводились в камере соляного тумана КСТ-2 в атмосфере распыленного раствора хлористого натрия концентрацией 50 г/дм2 при температуре 350С по ГОСТ 9.308-85 в течении 240 часов. Раствор изготавливался путем растворения NaCl ГОСТ 4233-77 в дистиллированной воде ГОСТ 6709-72. Оценку результатов испытаний проводили в соответствии с ГОСТ 9.908-85. Образцы готовили по ГОСТ 9.909-86. Результаты экспериментов представлены в таблице 4.4.
Экспериментальные данные полностью подтверждают теорию о перво-степенности влияния пористости покрытия на его коррозионную стойкость, описанную в работах [17, 20, 47]. Можно утверждать, что метод ГКО, рекомендованный для восстановления деталей гальваническими покрытиями не уступает новейшим достижениям технологии в этой области.
Для исследования влияния параметров процесса нанесения гальванических композитных покрытий на основе хрома на скорость их осаждения был реализован полный факторный эксперимент 23 . Характеристики плана эксперимента выбирались из условий получения беспористых хромовых покрытий со сжимающими остаточными напряжениями. Все режимные параметры изменяли исходя из технологических рекомендаций по получению герметичных хромовых покрытий с максимальной производительностью процесса, которые и были выбраны в качестве независимых переменных: температуру электролита изменяли от 55 до 58 С, плотность тока - от 17 до 19 кА/м2, давление инструмента - от 1,0 до 3,0 МПа. Остальные факторы поддерживались на постоянном уровне, соответствующем рациональным режимам осаждения, определенным в п. 4.5 настоящей работы. Основные характеристики плана эксперимента представлены в Приложении Д.
В результате расчета пошаговой множественной регрессии с применением пакета “Statistika” получено линейное уравнение, описывающее зависимость производительности процесса от исследуемых факторов:
Корреляционный анализ позволил выявить, что зависимость производительности от исследуемых факторов линейная, а связь между ними довольно сильная - множественный коэффициент корреляции достигает значения 0,99.
Проверка значимости коэффициентов регрессионного уравнения выявила, что значимыми являются только коэффициенты при плотности тока и взаимодействии плотности тока с температурой. В связи с этим полученное уравнение (4.7) может быть представлено в виде:
Анализ влияния исследуемых факторов на производительность процесса ГКО, показывает, что с увеличением температуры электролита производительность процесса уменьшается, что согласуется с характером влияния температуры электролита на скорость осаждения покрытий, как при обычном хромировании, так и при гальвано контактном хромировании и объясняется, видимо увеличением пластичности хрома с, повышением температуры электролита и, следовательно, более легкой пластической деформацией растущих слоев осадка. Увеличение плотности тока приводит к росту производительности и объясняется, видимо, ускорением роста кристаллов покрытия.
Экспериментальные данные, полученные в ходе эксперимента, а также в [17, 45] показывают, что производительность процесса при восстановлении деталей по методу ГКО в 9 - 12 раз превосходит стандартную скорость осаждения покрытий при гальваническом хромировании и составляет 1,35 -е- 1,8 мкм/мин.
Исследование влияния основных показателей процесса на шероховатость поверхности после покрытия
Модернизация технологии восстановления плунжерных пар с учетом ведения операции нанесения гальванических дисперсно-упрочненных покрытий на основе хрома. За основу технологического процесса взят стандартный маршрут восстановления плунжерной пары [11].
Однако, учитывая особенности восстановления деталей разработанной технологией, он претерпел некоторые изменения, а именно: из действующей технологии устранены операции механической обработки по устранению погрешностей пространственной формы поверхности перед нанесением покрытия и обработки самого покрытия после осаждения, с целью придания ему заданной чертежом микрогеометрии и пространственных отклонений формы детали. Также претерпела изменение и сама гальваническая операция, как по технологии её проведения, так и по времени осуществления процесса. Вновь разработанная маршрутная технология размерного восстановления плунжерных пар показана на рисунке 5.1, а подробная операционная технология восстановления плунжерной пары ТНВД НД-22/6Б4 дизельного двигателя СМД – 60 представлена в приложении Ж. Технология внедрена в сервисном локомотивном депо Белгород структурного подразделения филиала «Южный» структурного подразделения ООО «ТМХ - сервис».
Технологические рекомендации по нанесению гальванических композитных покрытий 1. Требования к деталям, поступающим на восстановление гальваническим композитным покрытием на основе хрома. 1.1. Поверхности, подлежащие восстановлению не должны иметь следы коррозии, царапин, забоев. 1.2. С целью обеспечения равномерности наносимого покрытия необходимо обеспечение надежного токоподвода к детали. Токоподводы должны обладать достаточным сечением, чтобы не перегреваться в процессе работы. 1.3. при монтаже деталей на приспособление для осуществления гальванической операции не допускать загрязнения поверхности под нанесение покрытий. 1.4. Поверхности, не подлежащие хромированию надежно изолировать. Для этого использовать диэлектрические материалы, а канавки плун жера, топливоподводящие каналы изолировать путем установки фто 130 ропластовых заглушек с целью не допущения изменения их геометрии и пропускного сечения. 1.5. После загрузки в ванну хромирования детали выдержать без тока для прогрева. В начальный момент повысить плотность тока до 80... 120 А/дм2 на 1-2 мин, затем снизить плотность тока до расчетного значения. 1.6. По окончании процесса нанесения покрытий в течении 4 -5 минут производить осаждение при давлении инструмента 0,02 – 0,04 МПа с целью гарантии образования защитного износостойкого хромового покрытия без включений оксида алюминия. 1.7. Контроль электролита проводить не реже одного раза в 10 дней, контроль на содержание железа и меди - не реже одного раза в месяц. Допускается содержание железа до 15 г/л, меди - до 5 г/л. Корректировку электролита рекомендуется проводить после хромирования на толщину слоя 50 мкм 0,5 м2 поверхности в 1 л электролита или при получении матовых осадков хрома. 1.8. Аноды изготовлять из сплава свинца с 10 % олова. Допускается изготовлять аноды на основе свинца с 5 % сурьмы и 15 % олова. 1.9. Площадь поверхности анодов должна быть не меньше площади поверхности катодов, увеличение площади поверхности анодов (в пределах 2— 3 площадей катодов) способствует устойчивости электролита. 1.10. По окончании процесса хромирования аноды извлечь из ванны, промыть и хранить в ванне с проточной водой. 1.11. После хромирования детали промыть в дистиллированной воде с целью улавливания хромового электролита, этот раствор использовать для пополнения хромовой ванны. 1.12. После хромирования детали следует подвергать обезводорожива-нию при температуре 200...230 С в течение 2...3 ч в масляной ванне или в воздушной среде. 2. Контроль хромированных деталей. 131 2.1. Хромированные детали подвергнуть внешнему осмотру, проверке толщины покрытия, шероховатости. Контроль хромовых покрытий проводить по ГОСТ 9.301-86 и 9.302-88. 2.2. Хромовое покрытие должно быть блестящим, полублестящим или молочным, гладким, равномерным по толщине в пределах допуска по всей поверхности работающей на трение. Не допускается наличие дендридов, вздутий, отслаиваний, сколов. 2.3. Пористость хромовых покрытий определять в соответствии с ГОСТ 9.302-88 при толщине покрытия более 25 мкм. Пористость хромового покрытия должна быть не более трех пор на 1 дм при диаметре отпечатка на бумаге не более 0,8 мм. 2.4. Недоброкачественное хромовое покрытие удалять анодным растворением в водном растворе едкого натра 50-100 г/л при температуре 60 С и плотности тока 5-10 А/дм2, после снятия хрома рекомендуется провести обезводороживание деталей в воздушной печи при температуре 200...230 С в течение 2 ч. 5.3 Оборудование для осуществления метода нанесения композитных покрытий на основе хрома на внутренние и наружные цилиндрические поверхности
Для осуществления процесса ГКО плунжерных пар топливных насосов высокого давления была спроектирована и изготовлена в металле установка, общий вид которой представлен на рисунке 5.2. Оборудование представляет собой автономный узел для гальваноконтактного осаждения покрытий, изготовленный на базе вертикально-сверлильного станка. Технические характеристики, реализуемые на установке, приведены ниже:
Диапазон обрабатываемых диаметров, мм 3-250 Максимальная длина обрабатываемых деталей, мм 650 Данное оборудования оснащено прибором активного контроля восста-132 новления поверхности, позволяющего в режиме реального времени контролировать толщину осаждаемого покрытия, без которого применение данного метода в производстве крайне затруднительно. Оборудование предназначено для нанесения композитных покрытий на основе хрома на внутренние и наружные цилиндрические поверхности.
Учитывая особую агрессивность рабочей среды, все детали установки, расположенные ниже зеркала электролита выполнены из титанового сплава и фторопласта. Особенностью восстановления внутренних цилиндрических поверхностей плунжерных пар ТНВД является строго ограниченный межэлектродный зазор, который накладывает некоторые ограничения на проектирование инструмента.
В связи с этим был разработан специальный инструмент [51, 117] обеспечивающий постоянство межэлектродного промежутка в зоне осаждения покрытий, изображенный на рис. 5.3. Для восстановления плунжера, у которого изнашивается наружная цилиндрическая поверхность, был разработан инструмент, изображенный на рисунке 5.4.
Наличие упругого элемента внутри устройства, имеющего механический привод, обеспечивает строгое соответствие теоретического давления на восстанавливаемую поверхность практическому. Кроме этого цилиндрический элемент, служащий в качестве анода, одновременно выполняет роль прокачивающего устройства для подвода свежего электролита, работая в установке как поршень.
Отличительной чертой данной конструкции является обеспечение гарантированного межэлектродного расстояния между анодом и деталью, постоянства отрегулированного давления инструмента на покрываемую поверхность, обеспечиваемую подпружиненными брусками, а также постоянную прокачку электролита в межэлектродный зазор, что обеспечивает необходимую концентрацию рабочей среды, необходимых для получения качественных гальванических композитных покрытий на основе железа.
Данное приспособление снабжено упругими элементами, отводящими прижимные бруски от поверхности восстановления в процессе нанесения по-135 крытий в зависимости от роста толщины слоя композитного материала. Оборудование снабжено шпинделями широкого типоразмера, что позволяет легко восстанавливать композитным покрытием гильзы и плунжеры диаметром 3 – 250 мм без опасения потери жесткости технологической системы в целом.
Для обеспечения точного позиционирования оси шпинделя с осью обрабатываемых деталей применяется прямая его установка с помощью специального установочного микрометрического прибора, как обеспечивающая наивысшую точность при обработке. Общий принцип работы установки показан на рисунке 5.5. Контроль толщины наносимого покрытия контролируется специальным щупом с отсчетом толщины покрытия по часам индикаторного типа 526-125 с точностью измерения 0,001 мм.