С.Ю. Жачкин восстановление деталей машин композитным хромовым покрытием

Воронеж 2009

ГОУ ВПО «Воронежский государственный

технический университет»

С.Ю. Жачкин

ВОССТАНОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ МАШИН КОМПОЗИТНЫМ ХРОМОВЫМ ПОКРЫТИЕМ

Воронеж 2009

УДК 621.9.047

Жачкин С.Ю. Восстановление деталей машин композитным хромовым покрытием: монография / С.Ю. Жачкин. Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2009. 171 с.

В монографии рассматриваются вопросы восстановления деталей композитным гальваническим покрытием на основе хромовой матрицы. Приведены теоретические и практические исследования, позволяющие наносить покрытия с заранее заданными физико-механическими, и как следствие, эксплуатационными свойствами на токопроводящие детали.

Издание предназначено работникам машиностроительных предприятий основного и ремонтного производства.

Монография подготовлена в электронном виде в текстовом редакторе MS Word XP и содержится в файле 002.doc.

Табл. 9. Ил. 46. Библиогр.: 142 назв.

Рецензенты: кафедра естественных дисциплин

Воронежской государственной

технологической академии (зав. кафедрой

д-р техн. наук, проф. А.С. Борсяков)

д-р техн. наук, проф. В.Г. Егоров

 Жачкин С.Ю., 2009

 Оформление. ГОУВПО «Воронежский

государственный технический

университет», 2009

Введение

Интересы текущего и более длительного развития страны требуют всемерной интенсификации производства, ускорения, научно-технического прогресса, роста производительности труда как решающих факторов повышения эффективности производства.

Интенсификация производства и повышение качества выпускаемых изделий невозможны без разработки новых и усовершенствования уже освоенных технологических процессов. Особое внимание при этом должно быть обращено на развитие и применение технологических процессов, позволяющих экономить исходное сырье, топливо и материалы, на применение малооперационной технологии, а также повышение технологической дисциплины.

В настоящее время особенно остро стоит вопрос о необходимости проведения мероприятий по повышению надежности и долговечности машин, механизмов, оборудования и приборов, следствием чего должно быть улучшение их эксплуатационных качеств.

Наряду с термическими, термохимическими и другими способами упрочнения деталей, значительное место занимает электрохимическое хромирование, позволяющее повысить долговечность деталей в 2—4 раза и более (для некоторых деталей до 140 раз) по сравнению с долговечностью деталей, не подвергнутых такой обработке. Этим способом восстанавливается 30—40% наиболее изнашиваемых деталей машин. [59].

Изложению технологии восстановления деталей хромированием, физико-механическим свойствам осадков, получаемых при этом, качеству и эффективности процесса посвящена данная книга.

Книга написана по данным экспериментальных работ, выполненных автором и другими исследователями.

1. ВОССТАНОВЛЕНИЕ ХРОМИРОВАНИЕМ

ДЕТАЛЕЙ МАШИН

1.1. Пути повышения качества покрытия и эффективности

процесса восстановления деталей хромированием

В соответствии с ГОСТ 15467—70 термин «качество продукции» или «качество изделий» толкуется как совокупность функционально полезных свойств, обусловливающих их пригодность удовлетворять определенные потребности. Качество изделий определяется прогрессивностью проектных разработок, совершенством технологии, применяемой при их изготовлении, а также организацией эксплуатации изделий в процессе использования их по прямому назначению. Качество изделий в процессе производства складывается под влиянием многих производственных факторов и зависит от результата деятельности всех звеньев производственного цикла. Поэтому под обеспечением качества продукции на предприятии следует понимать систему, комплекс мероприятий технического, организационного и экономического характера, направленных на поддержание всех условий и факторов в состоянии, позволяющем достичь требуемого уровня качества.

В настоящее время в России ежегодно выпускается около 90 тыс. типов и размеров машин, механизмов и приборов.

Опыт эксплуатации различных машин и проведенные исследования показывают, что работоспособность большинства машин определяется, главным образом, не поломками, а незначительными изменениями размеров, формы и свойств поверхности слоя [16].

Износ деталей машин вызывает необходимость их ремонта и, как следствие этого, расход материалов и запасных частей. Расход материалов, запасных частей, людских и производственных ресурсов мог бы быть меньше, если бы детали подвергались предварительному упрочнению при изготовлении или ремонте.

Чем выше степень упрочнения поверхностей деталей, тем меньше износ и больше их долговечность. Установлено, что, применяя прогрессивную технологию упрочнения деталей машин в процессе изготовления и ремонта, а также улучшая организацию восстановления деталей, можно сократить потребление запасных частей в стране до 40—60% [16].

Среди передовых технологических процессов, применяемых при изготовлении и ремонте деталей машин, важное место занимают процессы химического и электролитического покрытия, а в их числе и хромирования. В настоящее время ни один гальванический процесс не имеет столь широкого и разнообразного применения, как хромирование [50].

Установлено, что упрочнению хромированием при изготовлении некоторых машин подвергаются до 1200 деталей, причем площадь покрытия может достигать 16 м². Еще большее количество деталей машин подвергается хромированию в процессе их ремонта (по некоторым машинам в 1,5—2 раза). [53]

Чем более ответственна функциональная роль машины или ее узлов, тяжелее условия эксплуатации, тем большее количество деталей подвергается хромированию.

Широкое распространение хромирования в производстве обусловлено его высокими физико-механическими и технологическими возможностями.

Электрохимические осадки хрома отличаются исключительно высокой износостойкостью, в 1,5—20 раз и более превосходящей износостойкость других материалов. [45]

Ниже приводятся данные об увеличении износостойкости некоторых деталей в результате хромирования 69:

Цилиндры двигателей Поршневые кольца Толкатели Стержни клапанов Кулачки и шейки распределительного вала Поршневые пальцы Шейки коленчатого вала Посадочные места под шариковые и роликовые подшипники Шипы крестовин карданных валов Пальцы гидроамортизаторов автомобилей и гусеничных машин Отверстия пропусков проволочно-прокатных станов Цилиндры и штоки гидравлических устройств Пресс-формы Валы печатных отделочных машин

2—14 2—4 1,5—3 3—4 3—4 1,1—2,7 3—6 15—20 2—4 7—10 1,5—5,7 1,8—5 2—3 до 140

Резкое увеличение износостойкости, стойкости против коррозии и других показателей работоспособности материалов, подвергнутых хромированию, обусловливает повышение долговечности деталей до 9 раз [8; 10; 53; 55; 86] и более.

Повышение долговечности деталей машин равносильно вводу в действие новых производственных мощностей. Кроме того, оно вызывает сокращение эксплуатационных расходов, связанных с выполнением монтажно-демонтажных работ до 25% [47]. Расчеты показывают, что увеличение числа наименований хромируемых деталей, например, в двигателях автомобилей с 1 до 15 позволит увеличить срок их службы с 100 тыс. до 600 тыс. км пробега [16; 53; 67; 71].

Таким образом, возможности хромирования как технологического процесса упрочнения и восстановления деталей машин весьма велики. В то же время, по данным Ю. Н. Петрова [67], 80% деталей автомобилей и 95% деталей тракторов при износе менее 0,3 мм выбрасываются из-за несовершенства технологии их восстановления и плохой организации ремонта.

Народнохозяйственное значение хромирования состоит также в том, что упрочнение и восстановление деталей хромированием не только технически целесообразно, но и экономически выгодно. По опыту работы многих заводов стоимость восстановленных хромированием деталей ниже стоимости новых деталей на 25— 35% [43; 41]. Так, например, по данным одного из авторемонтных предприятий [75], стоимость восстановленных хромированием поворотных кулаков на 25,7%, а толкателей на 34,8% ниже, чем новых.

Проведенные исследования [61] показали, что электрохимические осадки хрома находят применение как износостойкие покрытия для упрочнения и восстановления деталей машин с последующей механической обработкой и без нее, а также для защиты их от коррозии и декоративной отделки. Выявлена также тенденция к увеличению потребления износостойких хромовых покрытий в тракторном и сельскохозяйственном машиностроении. Это обусловлено тем, что колесные и гусеничные тракторы становятся все более многоприводными, причем в качестве приводов используются гидравлические и пневматические системы, в которых цилиндры и штоки рабочих органов традиционно подвергаются хромированию. Резко возрастает потребление хрома для различных целей при производстве машин и оборудования для легкой и пищевой промышленности [73].

Процесс хромирования осуществляется из электролитов, составленных на основе шестивалентных соединений хрома, состоящих из хромового ангидрида и сульфата с концентрацией хромового ангидрида 250 г/л и серной кислоты 2,5 г/л. Этот электролит обычно называют универсальным (УЭ), сульфатным (СЭ), стандартным. (СТЭ), несаморегулирующимся электролитом (НЭ) и т. д. (далее везде сокращенно обозначается УСЭ). Данный электролит нашел наиболее широкое применение в машиностроении, особенно в ремонтном производстве, из-за удовлетворительной шлифуемости покрытий, полученных на его основе и из-за сравнительно низкой восприимчивости осадков, полученных на его основе к внутренним напряжениям подложки, что позволяет значительно расширить диапазон по толщине покрытия, применяемого при восстановлении деталей. Кроме того, следует особо отметить его сравнительно простую технологию приготовления и периодического корректирования, а также довольно низкую себестоимость, что в настоящее время играет важную роль в выборе типа электролита, используемого для восстановления.

Однако, длительное использование универсального электролита в процессе хромирования позволило выявить его следующие недостатки: 1) низкий и непостоянный выход по току; 2) недостаточная износостойкость; 3) пористость осадков, вызывающая «течь по хрому»; 4) ограниченная толщина осадка; 5) низкая рассеивающая способность; 6) сложность и длительность анализов и корректировок электролита; 7) прочие недостатки. Проведенные инженерно-социологические исследования позволили установить вероятность возникновения отказов по этим причинам соответственно:[73]

1) —0,26; 2) —0,16; 3) —0,21; 4) —0,27; 5) —0,15; 6) —0,08; 7) —0,05.

Необходимо добавить, что с увеличением толщины покрытия свыше 80 мкм вероятность отказа по п. 3 резко возрастает, и при толщинах восстанавливаемого хрома около 120 мкм достигает 0,97. [37]

При производстве некоторых деталей машин не обеспечивается требуемая износостойкость. Например, при упрочнении гидроцилиндров и штоков гидравлических и пневматических устройств, пресс-форм, матриц, пуансонов и некоторых режущих инструментов износостойкость не удовлетворяет требованиям производства.

Более всего подвергают хромированию с целью восстановления полые цилиндры (19%), пресс-формы и инструменты (17,4%), стержни (16,8%), корпусные (базовые) детали (16,9%), а также диски (10,4%). Другие детали подвергаются хромированию в меньшей степени.

Хромовые покрытия наносятся на детали массой до 600 кг, причем преобладающее большинство деталей имеет массу до 1 кг (73%). Детали массой от 1 до 20 кг составляют 20,5%. Частость хромирования крепежа составляет 8,5%, т. е. 6,7% частости хромирования деталей массой до 0,1 кг.

Длина хромируемых деталей может достигать 9 м и более, а диаметр рабочей поверхности до 3 м. Однако наиболее часто длина деталей составляет 10—200 мм. В этом интервале длин частость их практически одинакова и составляет около 9%. Частость хромирования деталей длиной более 2 м составляет около 1%. Диаметр рабочей поверхности деталей, подвергающихся хромированию, обычно составляет 10—40 мм.

В большинстве случаев применяются хромовые покрытия толщиной 5—25 мкм. Повторяемость применения покрытий такой толщины составляет 56,5%.

Для изготовления большинства деталей, подвергающихся хромированию, применяются легированные и углеродистые стали (82%). Из углеродистых сталей наиболее часто хромируется сталь 45 (16,1%). Из легированных подвергаются хромированию стали 1Х18Н9Т, ЗОХГСА и ЗОХГСНА (частость их хромирования равна 14,6%). Частость хромирования деталей из чугуна ХТВ—3,6%, латуни ЛС-59-1 —3%. Хромированию подвергаются детали, имеющие микротвердость 4—9 ГПа. Частость хромирования таких деталей составляет около 70%.

Эффективность процесса хромирования в универсальном электролите очень низка. Так, например, стоимость покрытия выше, чем при осталивании и наплавке, почти в два раза [43; 47; 67].

Таким образом, возникла потребность в нахождении эффективных путей повышения качества хромовых покрытий. На современном этапе развития производства эту важнейшую народнохозяйственную проблему можно решить двумя путями. Первый путь состоит в усовершенствовании технологии хромирования в универсальном электролите за счет применения более форсированных и нестационарных режимов тока, температуры, перемешивания, а также посредством изменения концентрации компонентов в электролите и соотношения между ними. Из этих приемов наибольшее применение в практике нашли реверсивное, проточное, анодноструйное, струйное, импульсное хромирование и др.

Второй путь повышения эффективности хромирования и качества хромовых покрытий — это создание новых электролитов хромирования, например, за счет применения соединений хрома более низкой валентности или применения новых технологий хромирования. Опыт в этом отношении имеется в некоторых странах. В Японии, например, получил распространение электролит на основе трехвалентного хрома [108]. Однако попытки использовать этот электролит для получения износостойких и защитнодекоративных покрытий встретили большие трудности, ввиду чего он нашел применение пока только для металлургических целей. В последнее время для электрохимического хромирования были предложены так называемые тетрахроматные (полихроматные) электролиты. Осадки хрома, полученные из них, отличаются высоким выходом по току, пластичностью и малой пористостью, вследствие чего используются как защитно-декоративные покрытия, а иногда и как износостойкие. Однако осуществление процесса довольно затруднительно ввиду его нестабильности.

В литературных источниках отмечается, что растворы, содержащие два посторонних аниона, характеризуются улучшенными эксплуатационными показателями: рассеивающей и кроющей способностью [10; 86].

Начиная с конца 70-х годов, в литературе, особенно в патентной, появились сообщения о разработке высокопроизводительных (выход по току достигает 20—22%) саморегулирующихся электролитов, способных автоматически поддерживать определенное соотношение между компонентами в растворе. Эти электролиты получили название скоростных ввиду того, что они производительнее универсального электролита в 1,5—2 раза и более. Так как эти электролиты имеют два аниона, их называют еще комбинированными и по названию анионов — сульфатно-кремнефторидными.

Саморегулирующиеся электролиты являются последним достижением в области хромирования. При их использовании расширяются возможности применения различных технологических приемов, обеспечивающих еще большее усовершенствование процесса, к тому же развитие конструкций машин и технологии производства идет в направлении создания саморегулирующихся, самоуправляющихся, самокорректирующихся систем и процессов. По мнению многих ученых, современные техника и производство должны быть на уровне самоорганизующихся, по своей внутренней структуре и составу способными к самосохранению.

Кроме того, применение саморегулирующихся процессов (в том числе электролитов) позволяет расширить и упростить автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП). Это обусловлено тем, что наиболее сложно поддающиеся управлению параметры процесса (концентрация, соотношение компонентов приведения процесса в работоспособное состояние и т. п.) решаются автоматически за счет использования эффекта саморегулирования. Расчеты показывают, что АСУ ТП с использованием самоорганизующихся процессов упрощаются, а эффективность возрастает в 2—3 раза, так как удается построить АСУ ТП на простейших микропроцессорах вместо сложных кибернетических устройств.

Что касается саморегулирующихся электролитов, то они уже разработаны для меднения, цинкования, кадмирования, серебрения, золочения и других процессов. Применение таких электролитов (особенно при хромировании) не отвергает, а наоборот, расширяет возможности повышения эффективности процесса и качества осадков за счет других методов и способов.

Из производственного опыта видно, что существующая нормативно-техническая документация (НТД) не в полной мере отвечает современным требованиям в отношении качества и эффективности процесса. Наиболее перспективным путем в этом отношении является применение саморегулирующихся электролитов, или модернизация технологии восстановления гальваническими покрытиями на базе универсального электролита. Однако работа по повышению эффективности и качества на предприятиях должна начинаться с выявления, устранения и создания условий, исключающих всякое отступление от требований НТД на уровне ГОСТ, ОСТ, нормалей, инструкций для существующего технологического процесса.

Процесс хромирования вызывает снижение усталостной прочности до 40—60% [10; 13; 43; 86]. Это также ограничивает применение хромирования и является его существенным недостатком.

Электролитические хромовые покрытия, особенно блестящие, отличаются большой пористостью. Высокая пористость осадков вызывает возникновение и развитие коррозии хромированных деталей при покрытии их на малую толщину, а также «течь по хрому» в деталях, работающих при постоянном или временном давлении в пределах от 1 до 50 МПа и выше. По этой причине в производстве некоторых деталей брак достигает 95—97% [37]. При получении пористого хромового покрытия пористость осадка — явление положительное.

Все детали, подвергающиеся восстановлению хромированием, проходят механическую обработку до и после хромирования [33;67]. Данные представлены в табл.1

При ремонте электрохимическое хромирование в универсальном сульфатном электролите не обеспечивает восстановления деталей, имеющих большой износ. При толщине осадка хрома более 0,35 мм его физико-механические свойства снижаются, вследствие чего допустимая толщина покрытия ограничивается. В процессе производства и ремонта ряда машин по причине низкой рассеивающей способности универсального электролита и плохой его работы в глубину затруднительно хромирование деталей большой длины и деталей, имеющих сложную конфигурацию. Это вызывает усложнение технологических приемов хромирования и необходимость выполнения дополнительных полировочных работ при защитно-декоративном и размерном хромировании. Установлено, что с увеличением толщины осадка трудоемкость и объем полировочно-доводочных работ после хромирования резко возрастают. [68].

Таблица 1

Статистические данные по механической обработке деталей при восстановлении хромированием

Толщина покрытия мкм	Кол-во деталей, подвергающихся мех. обработке до восстановления %	Кол-во деталей, подвергающихся мех. обработке после восстановления %
0,5-5 5-10 10-25 25-50 50-80 100 и более	100 100 100 100 100 100	5-10 20-30 50-60 80-90 90-95 100