автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Разработка технологии размерного восстановления внутренних цилиндрических поверхностей гильз гидроцилиндров сельскохозяйственной техники композитным покрытием на основе хрома

На правах рукописи

Цысоренко Павел Владимирович

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ БЕЗМЕРНОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ ВНУТРЕННИХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХПОВЕгаНОСТЕЙ гильз ГИДТОЦИЛИНДГОВСЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕН НОЙ ТЕХНИКИ КОМПОЗИТНЫМ ПОКРЫТИЕМ НА ОСНОВЕХРОМА

Специальность 05.20.03 - Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 4 МАМ 2012

Мичуринск - Наукоград РФ 2012

005044870

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образова-тельном учреждении высшего профессионального образования «Воронежский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО ВГТУ)

Научный руководитель:

доктор технических наук, доцент Жачкин Сергей Юрьевич

Официальные оппоненты:

Ли Роман Иннокентьевич - доктор технических наук, профессор,

ФГБОУ ВПО МичГАУ / кафедра «Технология обслуживания и ремонта машин и

оборудования», профессор

Астанин Владимир Константинович - доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Воронежский аграрный университет им. императора Петра 1» / кафедра «Технология конструкционных материалов, метрология, стандартиза-ция и сертификация», профессор

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Российский научно-исследовательский институт информации и технико-экономических исследований по инженерно-техническому обеспече-нию агропромышленного комплекса» (ФГБНУ «Росинформагротех»)

Защита состоится «24» мая 2012 г. в 12 часов на заседании диссертацион-ного совета ДМ 220.041.03 в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Мичуринский государственный аграрный университет» (ФГБОУ ВПО МичГАУ) по адресу: 393760, Тамбовская область, г. Мичуринск, ул. Интернациональная 101.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МичГАУ

Автореферат разослан «19» апреля 2012 г. и размещен на сайте ФГБОУ ВПО МичГАУ www.mgau.ru

Ученый секретарь

диссертационного совета

Н. В. Михеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Цена сельскохозяйственной техники, а также стоимость поддержания ее в рабочем состоянии в период эксплуатации в условиях современных рыночных отношений, в значительной мере определяет ее конкурентоспособность.

На современном этапе развития науки и техники неоднократно отмечалось, что одним из важнейших направлений научно-технического прогресса является широкое освоение и внедрение передовых технологий восстановления изношенных деталей. Это позволяет поддерживать в рабочем состоянии стареющую технику, а также вернуть в эксплуатацию уже отслужившие свой срок изделия.

Гидравлические цилиндры очень широко используются в современной сельскохозяйственной технике. Однако, за период жизненного цикла машины, они подлежат не однократной замене. Расходы на это составляют до 40% от стоимости техники. Отказы гидравлики неизбежно приводят к простоям техники, и как следствие, к удорожанию производимой ими продукции, что неизбеж-но снижает ее конкурентоспособность.

Вся гидравлическая арматура, применяемая в сельскохозяйственном оборудовании, в целях обеспечения ее коррозионной стойкости подлежит обязательному хромированию. Нанесение хрома на современном этапе возможно несколькими способами: по традиционной технологии, с использованием реверсивного тока, струйное хромирование, анодно-струйное хромирование, хромирование при нестационарном токе, использование различных электролитов и т.д. Однако, применение всех известных на сегодняшний день технологических приемов нанесения хромового покрытия не обеспечивает гарантированного получения беспористого покрытия, что является основной причиной отказа гидравлических цилиндров сельскохозяйственной техники. Причина этого - недостаток, присущий всем хромовым покрытиям, осаждаемым по существующим технологиям: негерметичность их при высоких давлениях в системе, которая проявляется вследствие наличия в осажденном покрытии развитой сетки пор и трещин, являющейся результатом высоких растягивающих остаточных напряжений в нем, которые превышают предел прочности хрома, и он растрескивается. Ко всему вышесказанному необходимо добавить, что при хромировании деталей на поверхность металла наносится покрытие с уже существующими микроканалами и трещинами, а значит, существует угроза потери коррозионной устойчивости покрытий и возникновения негерметичности по слою хрома. Решение этой проблемы на современном этапе направлено на устранение уже имеющихся пор и трещин в осажденном покрытии, что значительно увеличивает себестоимость деталей. Известные технологические приемы дают возмож-ность повысить герметичность хромовых покрытий. Однако они не позволяют решить проблему герметичности износостойких хромовых покрытий при восстановлении изношенных гидроцилиндров. Связано это с тем, что известными

методами не устраняется основная причина появления трещин в покрытии -высокие растягивающие остаточные напряжения, возникающие в процессе электролиза, т.е. микроканалы, трещины в покрытии уже существуют, а значит, существует и возможность проявления негерметичности по слою хрома в любой момент времени эксплуатации изделия. Следует отметить, что механическая обработка покрытий отличается высокой трудоемкостью и значительным процентом брака, доходящим при обработке толстослойных покрытий на внутренних цилиндрических поверхностях до 87%. Механическая обработка деталей, кроме трудоемкости, несет еще одну негативную характеристику, а именно после нее в поверхностном слое детали образуются микротрещины, которые в дальнейшем реализуются в наносимом покрытии, способствуя трещинообразо-ванию и пористости в нем, что делает проблематичным обеспечение коррозионной устойчивости покрытия и его герметичности.

Комплексное решение проблемы негерметичности при восстановлении изношенных деталей хромированием возможно лишь при получении в процессе электролиза сжимающих остаточных напряжений в хромовом покрытии, что исключит возможность растрескивания его при эксплуатационных нагрузках, и устранение из цикла технологического процесса предварительной и последующей механической обработки восстанавливаемой поверхности.

Эти качества покрытий, возможно, получить одним из нестационарных методов электролиза - нанесением покрытия с одновременной его механической обработкой в гальванической ванне в процессе осаждения. Покрытия, осажденные по этой технологии, лишены вышеуказанных недостатков. Они имеют сжимающие остаточные напряжения, повышенную адгезию к основе, хорошую равномерность.

Перспективным направлением восстановления деталей хромовым покрытием является разработка технологии нанесения композитных покрытий. Ведение в осаждаемый слой мелкодиперсных частиц позволит армировать материал покрытия и, учитывая специфику его нанесения, получать герметичные хромовые покрытия толщиной до 500 мкм на строну с повышенной адгезией к основе и точностью по 7-му квалитету. Это позволит создать основу для разработки высокоэффективных технологических процессов восстановления, обеспечивающих дальнейшее повышение долговечности узлов гидроарматуры и снижение затрат на ремонт сельскохозяйственной техники.

Настоящая работа посвящена повышению эффективности восстановления гидроарматуры сельскохозяйственной техники композитным покрытием на основе хрома, обеспечивающим увеличение долговечности и снижение себестоимости восстановленных деталей и узлов.

В диссертации проведены исследования композитного покрытия на основе хрома, разработана технология восстановления, которая внедрена в ООО «Гидротехника М» г. Воронеж.

Работа выполнялась в соответствии с комплексной целевой программой

РАН 2.25.1.1 «Новые процессы получения и обработки металлических материалов», ГБ работы кафедры «Автоматизированное оборудование машиностроительного производства» ФГБОУ ВПО Воронежский государственный технический университет «Теория и практика машиностроительного производства» 2009.39.

Цель работы. Повышение эффективности восстановления гидравличе-ских цилиндров сельскохозяйственной техники и разработка практических рекомендаций по получению герметичных износостойких композитных покрытий на основе хрома на их рабочих поверхностях.

Объект исследований. Композитные гальванические покрытия на основе хрома, нанесенные методом гальваноконтактного осаждения (ГКО).

Предмет исследования. Физико-механические и эксплуатационные характеристики композитных гальванических покрытий, полученных методом ГКО.

Методика исследования. Исследования проводились с использованием методов системного анализа, теоретических основ электрохимического формообразования и обеспечения требуемого качества поверхностного слоя. Применялись численные методы. 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.

На защиту выносятся:

• теоретические предпосылки повышения физико-механических свойств гальванических покрытий при введении в них дисперсных наполнителей;

• результаты экспериментальных исследований шероховатости поверхности, микротвердости и остаточных напряжений, полученных в покрытиях, нанесенных методом ГКО;

• технология восстановления внутренних цилиндрических поверхностей гидроцилиндров гальваническим композитных покрытием на основе хрома без применения предварительной и последующей механической обработки.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложена математическая модель формирования композитных покрытий со сжимающими остаточными напряжениями посредством контролируемого внедрения дисперсного наполнителя в гальваническую матрицу.

2. Получены математические модели, связывающие условия обработки с шероховатостью, микротвердостью и остаточными напряжениями получаемых покрытий при восстановлении деталей методом ГКО.

3. Разработан способ получения композитных гальванических покрытий на внутренних цилиндрических поверхностях, отличающийся тем, что процесс ведется при переменном давлении инструмента на обрабатываемую поверхность

в зависимости от ее износа (способ проходит патентование).

4. Разработан инструмент для получения качественных гальванических композитных покрытий на внутренних цилиндрических поверхностях (патент № 100520), отличающийся тем, что прижимная поверхность выполнена в виде сегментов, имеющих возможность свободного перемещения относительно базовой оси.

Практическая ценность работы Разработан способ хромирования, позволяющий получать герметичные беспористые композитные покрытия на основе хрома с высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами на внутренних цилиндрических поверхностях (способ проходит патентование). Разработаны электроды-инструменты (патент № 100520) для осуществления способа, позволяющие получать восстановлением по методу ГКО высококачественные композитные покрытия с заданными параметрами поверхностного слоя.

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 2007.. .2011 гг.;

- Региональной научно-технической конференции «Инновационные технологии и оборудование машиностроительного комплекса», ВГТУ (г. Воронеж), 2007 г.;

- Региональной научно-технической конференции «48 научно-техническая конференция ВГТУ», ВГТУ (г. Воронеж), 2008 г.;

- Региональной научно-практической конференции «Инновации в авиационных комплексах и системах военного назначения», ВАИУ (г. Воронеж), 2009 г.;

- Региональной научно-технической конференции «49 научно-техническая конференция ВГТУ», ВГТУ (г. Воронеж), 2009 г.;

-Международной научно-практической конференции «Инженерное обеспечение инновационных технологий в АПК», МичГАУ (г. Мичуринск), 2010 г.;

- Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы инновационных систем информатизации и безопасности», ИПЦ «Научная книга» (г. Воронеж), 2010 г.;

- Региональной научно-технической конференции «50 научно-техническая конференция ВГТУ», ВГТУ (г. Воронеж), 2010 г.;

-Международной научно-технической конференции «Технологические методы повышения качества продукции в машиностроении - ТМ 2010» ВГТУ, Воронеж, 2010 г.

- XVI Международной научно-практической конференции «Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции — новые технологии и техника нового поколения для растениеводства и животноводства» ГНУ ВНИИТиН Россельхозакадемии, (г. Тамбов), 2011г.

Публикации. По результатам выполненной работы опубликована 31 печатная работа, в том числе две статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получен патент на полезную модель № 100520 РФ.

Структура н объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пя-ти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 134 страницах машинописного текста, содержит 30 рисунков, 5 таблиц, 9 при-ложений и библиографию из 91 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложены актуальность темы и основные положения, которые выносятся на защиту.

В первой главе «Состояние вопроса. Цель и задачи исследований» приведен анализ существующих технологий восстановления внутренних цилиндрических поверхностей гильз гидроцилиндров сельскохозяйственной техники гальваническим хромовым покрытием с обеспечением герметичности по слою хрома. Эксплуатация гидроцилиндров сельскохозяйственной техники, прошедших ремонтно-восстановительное хромирование с толщиной покрытия до 200 мкм проходит под высоким 5-15 МПа давлением. После ремонта с нанесением хрома по традиционной технологии нередко обнаруживается утечка жидкости и газов из зоны высокого давления по слою хрома, т.е. деталь становится негерметичной по хромированной поверхности и требует доработки. Из-за этого дефекта при проверке на герметичность, на предприятиях отрасли при изго-товлении бракуется не менее 40% готовых изделий, а на ремонтно-восстановительных предприятиях большая часть деталей, прошедших восстановительную операцию хромированием. Негерметичные детали проходят перехромирование и дополнительную обработку (алмазное выглаживание и т.д.). Все это приводит к усложнению производства, снижению качества деталей, повышению трудоемкости и сдерживанию выпуска в нужные сроки. К этому необходимо добавить, что поскольку высокопрочные стали, применяемые при производстве гидроагрегатов склонны к коррозионному растрескиванию и чувствительны к наводораживанию, в промышленности введено ограничение на количество перехромирований. Введение ограничений по перехромированию фактически означает уменьшение срока службы многих деталей, особенно деталей гидравлических систем в 2-3 раза и более.

Установлено, что негерметичность по слою хрома возникает вследствие появ-ления на поверхности пор и трещин, которые появляются из-за высоких растягивающих остаточных напряжений в покрытии. Причем выявлена зависимость, что чем выше растягивающие напряжения, тем выше пористость; сжимающие остаточные напряжения не способствуют возникновению пористости.

В последнее время применяется способ гальваноконтактного восстановления поверхностей деталей (ГКО), в котором в качестве инструмента исполь-

зуется вновь синтезированный материал, обеспечивающий регулируемый массовый перенос инструментального материала в осаждаемое покрытие. Это позволяет получить целый ряд преимуществ: во-первых, метод обеспечивает разную скорость осаждения покрытия на различные участки восстанавливаемой поверхности в зависимости от их износа, что позволяет устранять геометрические погрешности деталей, вызванные износом не прибегая к традиционной механической обработке деталей до восстановления или покрытия после нанесения покрытия, во-вторых, регулируемое внедрение инструментального материала в виде мелкодисперсных частиц в покрытие, позволяет повысить его микротвердость и износоустойчивость по сравнению с покрытиями, полученными по традиционной технологии и получать в покрытиях сжимающие остаточные напряжения. Необходимы теоретические исследования, которые позволят разработать технологию размерного восстановления внутренних цилиндрических поверхностей гильз гидроцилиндров сельскохозяйственной техники композитным покрытием на основе хрома.

На основании проведенного анализа в диссертационной работе сформулированы следующие задачи исследований:

1. Разработать модели формообразования толстослойных композитных покрытий на основе хрома с остаточными напряжениями сжатия.

2. Определить технологические режимы, нанесения композитных покрытий на основе хрома, обеспечивающих требуемые остаточные напряжения в покрытии при нанесении его на внутренние цилиндрические поверхности, при высокой скорости его роста.

3. Исследовать влияния режимов ГКО на физико-механические и эксплуатационные характеристики толстослойных покрытий на деталях гидро-пневмоагрегатов с целью выработки рекомендаций по применению технологии.

4. Разработать конструкций электродов-инструментов, позволяющих получать методом ГКО высококачественные толстослойные покрытия на внутренних цилиндрических поверхностях.

5. Разработать, изготовить и внедрить оборудование, для герметичного толстослойного гальваноконтактного осаждения композитных покрытий на основе хрома на деталях гидропневмоагрегатов сельхоз машин.

Во второй главе «Методика исследований и пути решения задач» выдвигается следующая научная гипотеза: высокие физико-механические параметры поверхностного слоя восстанавливаемой детали могут быть получены за счет применения технологии гальваноконтактного осаждения (ГКО) гальванических покрытий на внутренние поверхности цилиндрических токопроводящих деталей, обеспечивающей кроме равномерности деформации растущих слоев осадка и регулируемый массовый перенос инструментального материала в осаждаемое покрытие. Исследовался технологический процесс восстановления изношенных поверхностей деталей методом ГКО с получением на них износостойких герметичных композитных покрытий с получением в них сжимающих остаточных

напряжений с повышенной адгезией к основе. Покрытия осажда-лись в стандартном электролите хромирования, содержащем 200-250 г/л СЮ3 и 2,0-2,5 г/л Н,804, нашедшем широкое применение на восстановительных предприятиях отрасли. Для определения режимных параметров обработки методом ГКО исследования проводились на экспериментальных гильзах, изготовленных из стали 30 ХГСА ТУ 14-1-950-74. Внутренний диаметр гильзы составлял 35 мм, длина хромируемой части 46 мм. Для проведения экспериментальных исследований электролит приготавливался из реактивов «ХЧ» и «ЧДА» на дистиллированной воде. Плотность электролита измерялась ареометром, кислотность рН -метромилливольтметром модели рН - 121.

Температура электролита поддерживалась с точностью 1К при помощи термометра ТПП - 11 ГОСТ 13717 - 74 и контролировалась термометром ТН 5 ГОСТ 400 - 80 с ценой деления шкалы 0,2К. В связи с тем, что площадь по-верхностей деталей, восстанавливаемых хромированием составляет от 1,5 до 20 дм2, а на имеющемся в гальванических цехах отрасли оборудовании затрудни-тельно получение на подобных деталях плотности тока свыше 200 А/дм2, мак-симальная плотность тока для исследований была выбрана 200 А/дм2 или 20 кА/м2. В результате области варьирования независимых переменных были вы-браны следующие: плотность тока 10-20 кА/м2, температура электролита 45 - 59 °С, давление инструмента, 2,5 - 3,5 МПа. Исследования проводились на экспериментальной установке для хромирования внутренних цилиндрических поверхностей, спроектированной и разработанной в [24]. На установке возможно широкое изменение рабочего давления инструмента, межэлектродного расстояния, температуры электролита, плотности тока, скорости главного и вспомогательного движения. Общий вид установки показан на рисунке 1. Осевые остаточные напряжения в хромовых покрытиях определялись методом элекгротен-зометрирования при непрерывном стравливании напряженных слоев с исследуемой поверхности на установке УКООНТ. Кольца из стали ЗОХГСА с нанесенными на них покрытиями вырезались из трубчатых образцов электроэрози-онным методом. На поверхность, противоположенную исследуемой, клеем "Циакрин - 30" наклеивали тензодатчик. Поверхности кольца, не подлежащие травлению, защищались пчелиным воском, а исследуемая поверхность обезжиривалась бензином. Исследованию подвергались кольца с хромовым покрыти-ем толщиной до 500 мкм.

Рисунок 1 - Экспериментальная установка

Удаление напряженных слоев осуществлялось в электролите следующего состава: 67 % оргофосфорной 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 - 293°К.

Толщина стравливаемого слоя определялась весовым методом.

Параллельно методу, описанному выше, проверка остаточных напряжений осуществлялась методом рентгеноструктурного анализа.

Шероховатость поверхности получаемых покрытий определялась на профилографе - профилометре модели 252 и профилометре модели 283.

Микротвердость хромовых покрытий измерялась на микротвердомере ПМГ-3 при нагрузке на пирамиду 0,5 Н. Среднее значение микротвердости определялось из 10 измерений на поперечном шлифе образцов.

Сцепляемость (адгезия) хромовых покрытий исследовалась по известной методике весовым методом при осаживании трубчатых хромированных образцов диаметром 32 и длиной 16 мм на четверть их длины на прессе.

Металлографические исследования хромовых покрытий проводились на микроскопе МИМ-8.

Наводораживание сталей в процессе хромирования определялось нагревом образцов в вакууме с последующим пересчетом выделившегося водорода на 100 г металла по известной методике.

Коррозионные исследования хромированных образцов проводились в коррозионной камере в атмосфере распыленного 3 % раствора хлористого натрия при температуре 308 К.

Исследования износостойкости покрытий осуществлялись на натурной типовой конструкции узла трения типа «ось + цилиндрические подшипники скольжения» на стенде СТ01А, имитирующего условия работы подвижных шарнирно-болтовых соединений. Скорости скольжения не превышали 0,1 м/с при нормальном температурном режиме работы узла (313 - 323 К).

Герметичность хромовых покрытий исследовалась на серийных деталях, на стенде при давлении 15 МПа.

Третья глава «Моделирование процесса получения композитных покрытий методом ГКО на внутренних цилиндрических поверхностях» посвящена созданию модели формообразования композитного покрытия при его непрерывном росте.

Особенность метода гальвано-контактного осаждения (ГКО) заключается в периодической упругопластической деформации растущих слоев покрытия в процессе их осаждения посредством инструмента. Учитывая данную особенность способа, ясно, что на поверхности детали получается слоистый композит. Ввиду изменения скорости продольного перемещения инструмента вдоль образующей цилиндра рассмотрим два основных положения: 1 - характеризуется началом движения инструмента, а II - прохождением точки с максимальной линейной скоростью. Движение инструмента верх показано на рисунке 2, при движении

//

/

\\\

зстсопаявг

-.е ЛУГ*С <~'л тедя

Рисунок 2 - Формирование композита при движении инструмента вверх

инструмента вниз будем наблюдать аналогичную картину, представленную рисунком 3.

Как видно из приведенных схем положение вектора Ук определяет направление формирования композита в слое гальванической матрицы. Причем структура слоистого композита будет зависеть не только от сочетания вектора главного (относится к детали) и вспомогательного (относится к инструменту) движения, реализуемого установкой ГКО, но и от величины скоростей, а также зональности рассматриваемого участка покрытия.

Введем следующие системы координат: общая, «глобальная» (х, у); местные, локальные однонаправленных слоев (1, 2)к. Здесь к — номер однонаправленного слоя в пакете многослойного материала. Силы Тх, Т, Т , приходящиеся на единицу длины сечения, определяются из уравнений равновесия: в в а

Г, = ==(4)

Ы 1-1 ы

где п — число слоев в пакете; Ь - длина контактирующей стороны инструмента.

Разделив правые и левые части уравнений (4) на суммарную площадь обрабатываемой поверхности в пакете слоев , и _ £

и учтя, что инструмент имеет квадратное сечение в нормальной плоскости, получим <г1=£о*>*т;

г,

(5)

Рисунок 3 -Формирование композита при движении инструмента вниз

6Х 6 у Т ^—средние по толщине

Здесь

пакета слоев напряжения. Подставив в соотношения (5) закон Гука для к-го слоя , {о^}*1' = ¡в"']^ У*1 и получим уравнение связи средних напряжений со средними деформациями многослойного материала при плоском напряженном состоянии:

учтя, что , =

«I?

В четвертой главе «Экспериментальные исследования процесса гальваноконтактного хромирования и его влияния на свойства покрытий» приведены результаты исследований влияния основных показателей ГКО на физико-механические и эксплуатационные характеристики получаемых композитных покрытий.

В работе получено регрессионное уравнение, описывающее зависимость микротвердости от исследуемых факторов плотности тока (¡) и давления инструмента (р): Н, =11161,64+13245 ¿-54,46 607,5 р (8)

Интервалы варьирования факторов составили соответственно для плотности тока (010 - 20 кА/м2, для температуры электролита (0 45-59 °С, для давления инструмента (р) 2,5 - 3,5 МПа. Как показала практика, наиболее ра-циональной плотностью тока для получения качественных композитов на осно-ве хромовой матрицы, является значение 18 кА/м2, так как позволяет осаждать покрытия с наивысшей скоростью без ухудшения качества последних. В связи с этим была построена номограмма, показанная на рисунке 4, позволяющая в производственных условиях не прибегая к сложным вычислениям выбрать рациональные режимы осаждения.

45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 Температура электролита, °С

Рисунок 4 - Номограмма для определения микротвердости покрытий

при ¡=18 кА/м2

Величина микротвердости покрытий, полученных методом ГКО, соответствует значениям 12250 МПа, а микротвердости покрытий, полученных традиционным хромированием 10200 МПа. Таким образом, экспериментально доказано, что технология ГКО позволяет превзойти микротвердость хромовых покрытий, полученных по традиционной технологии без ухудшения их остальных физико-механических свойств, что позволяет прогнозировать достаточно высокую их износостойкость.

Уравнение регрессии, описывающее зависимость остаточных напряжений

в покрытии от режимных параметров осаждения имеет вид:

о = &576-,-ЗД77-/-63,853 Р + 0,049 Я (9)

Интервалы варьирования факторов составили соответственно для плот-ности тока (¡) 10 - 20 кА/м2, для температуры электролита (г) 45 - 59 °С, для давления инструмента (р) 2,5—3,5 МПа, для толщины покрытия (5) 40-400 мкм. Напряжения в покрытии получали сжимающими, и их величина составляла 189 МПа при толщине покрытия 450 мкм.

Выявлено, что композитные покрытия на основе хрома, осажденные методом ГКО, имеют сжимающие остаточные напряжения, что положительно сказывается на их герметичности, физико-механических и эксплуатационных свойствах.

Регрессионное уравнение, описывающее зависимость шероховатости покрытий от параметров осаждения

Л^=0,0848+0,00051-а0004/-0,0097р (10)

Интервалы варьирования факторов составили соответственно для плотности тока 0) 10 - 20 кА/м2, для давления инструмента (р) 2,5 - 3,5 МПа, температура электролита (1:) 45-59 °С.

На рисунке 5 представлена номограмма выбора технологических параметров для получения покрытий с заданной шероховатостью поверхности. Ве-личина микрогеометрии покрытий, полученных методом ГКО, лежит в пределах Яа = 0,04 мкм без применения механической обработки, что позволяет рекомендовать метод для финишных операций.

Температура электролита, 'С

Рисунок 5 - Номограмма для определения шероховатости покрытий при 1=18 кА/м2

Вид износа и несущая способность исследуемых пар во многом совпадает. Вместе с этим необходимо отметить большую стабильность покрытий, полученных методом гальваноконтактного осаждения (ГКО).

Исследования износостойкости покрытий показало, что с увеличением

нагрузок на узел с 18,8 МПа до 42,3 МПа, интенсивность изнашивания увеличивается, и составляет соответственно 0,00143 и 0,00720 мкм/мин для традиционного покрытия, и 0,00114 и 0,00587 мкм/мин для композитною покрытия на основе хрома. Объяснение этому автор видит в особой структуре получаемого покрытия. Таким образом, в ходе исследований уточнен механизм износостойкости хромовым покрытий, нанесенных традиционным гальваническим мето-дом и методом ГКО. При этом с увеличением нагрузок в обоих случаях интенсивность изнашивания увеличивается, однако, в случае ГКО в меньшей степени.

Испытания герметичности покрытий проводились на серийных гидравлических гильзах одинакового типоразмера, восстановленных по традиционной технологии (серия 1) и по технологии ГКО (серия 2). Результаты испытаний представлены в таблице 1. Алмазное выглаживание гильз с пористым покрытием, полученных по серийной технологии, имеющее цель устранить поры, привело к положительному результату лишь в одном случае из четырех. Таким образом, испытания на пористость деталей, прошедших восстано-вительные операции по различным технологиям подтвердили, что гальваноконтактное хромирование деталей гидропневмоагрегатов дает возможность получать беспористые хромовые покрытия. Наличие в хромовом покрытии сжимающих остаточных напряжений обеспечивается рациональными режимами ГКО. Регрессионное уравнение, описывающее зависимость адгезионных качеств получаемых покрытий от исследуемых режимных параметров осаждения можно записать в виде

% =75,405-0,5491 + 5,142р (11)

Интервалы варьирования факторов составили соответственно для плотности тока 0) 10 - 20 кА/м2, для давления инструмента (р) 2,5 - 3,5 МПа. Экспериментальные данные позволили выявить высокую адгезию к основе композитных покрытий, полученных методом ГКО. Она достигает 91% против 38% у хромовых покрытий, полученных по традиционной технологии. Таблица 1 - Результаты испытаний штоков

Номер серии штоков Номер штока Толщина покрытия, мкм Время нанесения покрытая час Кол-во положений испытаний Давление в системе МПа Время испытания, мин Результат испытания

Серия 1 МГ-273 АК-251 ПЕ-192 170 170 160 19,3 19,3 18,6 3 3 3 135 135 135 5 5 5 порист, порист, порист.

Серия 2 МГ-273 АК-251 ПЕ-192 170 170 180 1,41 1,41 1,5 3 3 3 135 135 135 5 5 5 беспор. беспор. беспор.

В пятой главе «Технология гальваноконтактного восстановления внутренних цилиндрических поверхностей» приведены разработанная технология

восстановления и ее экономическая эффективность.

По результатам проведенных исследований разработана технология размерного восстановления гильз гидроцилиндров сельскохозяйственной техники композитным покрытием на основе хрома, которая содержит следующие операции: изоляция мест, не подлежащих хромированию; монтаж деталей на подвески; обезжиривание деталей и промывка их; декапирование деталей; хромирование.

Разработанная технология размерного восстановления гильз силовых гидроагрегатов сельскохозяйственной техники внедрена на ООО «Гидротехни-ка М», г. Воронеж. Д ля оценки надежности восстановленных деталей гидроаг-регатов с июня 2009 года по февраль 2010 г. проводили эксплуатационные ис-пытания сельскохозяйственной техники. За период испытаний отказов машин по причине негерметичности хромового покрытия и, как следствие течи рабо-чей жидкости из рабочей зоны агрегатов не наблюдалось.

Результаты исследований используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО ВГТУ при изучении дисциплин «Проектирование инструментов» и «Надеж-ность технических систем».

Расчеты показали экономическую эффективность технологии гальваноконтактного восстановления внутренних цилиндрических поверхностей гидроаппаратуры сельскохозяйственной техники композитным покрытием на основе хромовой матрицы. Годовой экономический эффект от внедрения технологии восстановления на ООО «Гидротехника М» г. Воронеж составил более 325 тыс. руб.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработаны способ и устройство для восстановления гильз цилиндров нанесением гальванического композитного покрытия на основе хрома, исключающие операции предварительной и финишной обработки, обеспечивающие герметичность и повышение износостойкости покрытия.

2. Получены: математическая модель формирования композитных покрытий со сжимающими остаточными напряжениями посредством контролируемого внедрения дисперсного наполнителя в гальваническую матрицу; закономерности осаждения композитного покрытия на основе хрома, позволяющие прогнозировать физико-механические свойства в получаемых осадках.

3. Экспериментальные исследования подтвердили корректность теоретических положений, разработанных в диссертации. Получены регрессионные модели зависимости микротвердости, остаточных напряжений, адгезии, шероховатости покрытия от режимных параметров его нанесения.

4. Экспериментальными исследованиями установлено, что покрытия, полученные методом ГКО, в зависимости от варьирования режимных параметров, имеют шероховатость Яа = 0,04 - 0,07, что позволяет исключить операции

предварительной и финишной обработки, являются герметичными при толщине до 450 мкм, их микротвердость на 20% выше, а скорость изнашивания до 1,25 раза ниже чем у покрытий, полученных тра-диционным хромированием.

5. Определен рациональный режим обработки: плотность тока 17-19 кА/м2, температура рабочей среды 55 - 58 °С, давление инструмента 2-3 МПа. Скорость осаждения покрытия составляет 1,5 мкм/мин, что более чем в 4 раза превышает стандартную скорость осаждения хрома.

6. Разработаны технология и оборудование для восстановления гильз гидравлических цилиндров сельскохозяйственной техники и оборудования. Технология внедрена в ООО «Гидротехника М» г. Воронеж. Годовой экономический эффект от внедрения новой технологии составил более 325 тыс. руб.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: В изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Цысоренко П.В. Исследование износостойкости композитных хромовых покрытий [Текст] / Жачкин С.Ю., Цысоренко П.В. // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2009. -№11. - С. 25-28.

2. Цысоренко П.В. Аналитическое определение усилия воздействия инструмен-та с целью получения композитных покрытий с заданными физико-механическими свойствами [Текст] / Жачкин С.Ю., Цысоренко П.В. // Труды ГОСНИТИ. - М., 2012.-Т. 109 часть 2.-С. 125-129.

В изобретениях:

3. Устройство получения композитных гальванических покрытий на внутрен-них поверхностях: [Текст]: пат. № 100520 Рос. Федерация: МПК С25Д 5/22, Жачкин С.Ю., Цысоренко П.В., Сидоркин O.A., Живогин A.A. Патентооблада-тель - ФГОУ ВПО ВГТУ - № 2010116716/02; заявл. 27.04.2010; опубл. 20.12.2010, бюл. № 35.

В сборниках научных трудов и материалах конференции:

4 Цысоренко П.В. Аналитическая оценка оптимальной фазы наполнителя композитных покрытий [Текст] / Жачкин С.Ю., Цысоренко П.В. // Инновационные технологии и оборудование машиностроительного комплекса: межвуз. Сб. на-уч. Тр. Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2007. Вып. 9, С 47.

5. Цысоренко П.В. Исследование шероховатости поверхности композитных гальванических покрытий [Текст] / Жачкин С.Ю., Цысоренко П.В., Шашков .Г. // Теория и практика машиностроительного оборудования. Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2007. Вып. 15. С 82.

6. Цысоренко П.В. Математическое моделирование свойств композитных хромовых покрытий [Текст] / Жачкин С.Ю., Цысоренко П.В. // Инновационные технологии и оборудование машиностроительного комплекса: Материалы ре-гион. науч.-техн. конф. Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2007. С 57.

7. Цысоренко П.В. Восстановление деталей плунжерных пар композитным хромовым покрытием [Текст] / Жачкин С.Ю., Цысоренко П.В., Шашков И.Г. // Инновационные технологии и оборудование машиностроительного комплекса: Материалы регион, науч.-техн. конф. Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2007. С 93.

8. Цысоренко П.В. Эффективность восстановления деталей машин композит-ным гальваническим хромом [Текст] / Жачкин С.Ю., Цысоренко П.В. // 48 на-учно-техническая конференция ВГТУ. Секция «Автоматизированное оборудо-вание»: материалы регион, научно-техн. конф. Воронеж: ГОУВПО «Воронеж-ский государственный технический университет», 2008. С 38.

9. Цысоренко П.В. Оптимизация геометрических характеристик инструмента для

ГКО [Текст] /Жачкин С.Ю., Цысоренко П.В. //48 научно-техническая кон-ференция ВГТУ. Секция «Автоматизированное оборудование»: материалы ре-гион. научно-техн. конф. Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2008. С 42.

10. Цысоренко П.В. Закономерность механического контакта инструмента при нанесении композитных хромовых покрытий [Текст] / Жачкин С.Ю., Цысорен-ко П.В., Сидоркин O.A., Лиховой Т.В. // Инновации в авиационных комплексах и системах военного назначения. Сб. науч.-метод. материалов науч. практ. конф. ВАИУ, 2009. Вып. 32 С148.

11. Цысоренко П.В. Значение устранения механической обработки перед нанесением гальванического покрытия при восстановлении методом ГКО [Текст] / Жачкин С.Ю., Цысоренко П.В. //49 Научно-техническая конференция ВГТУ Секция «Автоматизированное оборудование машиностроительного производ-ства»: материалы регион, науч.-техн. конф. Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2009. С 26.

12. Цысоренко П.В. Повышение эффективности хромирования деталей [Текст] / Жачкин С.Ю., Цысоренко П.В. // Теория и практика машиностроительного оборудования: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2009. Вып. 17. С 72.

13. Цысоренко П.В. Значение устранения механической обработки после нанесения гальванического покрытия при восстановлении методом ГКО [Текст] / Жачкин С.Ю., Цысоренко П.В. // Инновационные технологии и оборудование машиностроительного комплекса: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2009.Вып. 12, С 53.

14. Цысоренко П.В. Инструмент, применяемый при восстановлении по методу ГКО [Текст] / Жачкин С.Ю., Цысоренко П.В. // Инновационные технологии и оборудование машиностроительного комплекса: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2009.Вып. 12, С 72

15. Цысоренко П.В. Формирование остаточных напряжений в дисперсно-упрочненных гальванических композитах [Текст] / Жачкин С.Ю., Цысоренко П.В., Живогин A.A. // Инженерное обеспечение инновационных технологий в АПК. Матер, международной науч-практ конф. Мичуринск: ФГОУВПО «Ми-чуринский государственный аграрный университет, Мичуринск: 2010. С 126.

16. Цысоренко П.В. Основы процесса нанесения композитных хромовых покрытий [Текст] / Жачкин С.Ю., Цысоренко П.В., Пеньков H.A., Коростылев A.B. / / Технологические методы повышения качества продукции в машино-строении (ТМ-2010). Сб. науч. Тр. Междунар. науч-технич. конф. Воронеж: филиал ФГУП ГКНПЦ им. Н.В. Хруничева, Воронеж: 2010. С. 94.

17. Цысоренко П.В. Твердотельное моделирование инструмента для гальваноконтактной обработки в системе «CAD/CAM CIMATRON» [Текст] / Жачкин С.Ю., Цысоренко П.В., Пеньков H.A., // Актуальные проблемы инновационных систем

информатизации и безопасности. Сб. науч. тр. междунар. Научно-практической конференции. Часть 2 - Воронеж, ИПЦ «Научная книга», 2010. - С 173.

18. Цысоренко П.В. Расчет напряженного состояния композитных покрытий на основе хромовой матрицы [Текст] /Жачкин С.Ю., Цысоренко П.В., Пеньков H.A., Сидоркин O.A., Шварев B.C. // Средства аэродромно-технического обес-печения полетов (вып. 1, часть 3). Сб. науч. тр. — Воронеж: Военный авиаци-онный инженерный университет, 2010. - С 74.

19. Цысоренко П.В. Восстановление деталей машин композитным хромовым покрытием повышенного качества [Текст] / Жачкин С.Ю., Цысоренко П.В., Минакова О.В., Сидоркин O.A., Шварев B.C. // Средства аэродромно-технического обеспечения полетов (вып. 1, часть 3). Сб. науч. тр. — Воронеж: Военный авиационный инженерный университет, 2010. - С 77.

20. Цысоренко П.В. Исследование наводороживания основы и шероховатости поверхности при нанесении композитных хромовых покрытий методом ГКО [Текст] / Жачкин С.Ю., Цысоренко П.В., Минакова О.В., Сидоркин O.A., Шва-рев

B.C. // Средства аэродромно-технического обеспечения полетов (вып. 1, часть 3). Сб. науч. тр. — Воронеж: Военный авиационный инженерный универ-ситет, 2010. -С 80.

21. Цысоренко П.В. Эффективность хромирования деталей [Текст] / Жачкин С.Ю., Цысоренко П.В. // 50 Научно-техническая конференция ВГТУ. Секция «Автоматизированное оборудования машиностроительного производства»: тезисы регион, науч.-техн. конф. Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2010. С 37.

22. Цысоренко П.В. Инструмент, применяемый при восстановлении по методу ГКО [Текст] / Жачкин С.Ю., Цысоренко П.В., Живогин A.A. Коростылев A.B. // Инновационные технологии и оборудование машиностроительного комплекса: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2010. Вып. 13.С 182.

23. Цысоренко П.В. Расчет технологических параметров осаждения покрытий по методу ГКО [Текст] / Жачкин С.Ю., Цысоренко П.В., Пеньков H.A. Коро-стылев A.B. // Инновационные технологии и оборудование машиностроитель-ного комплекса: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2010. Вып. 13. С 186.

24. Цысоренко П.В. Расчет и корректировка гальванических ванн [Текст] / Жачкин

C.Ю., Цысоренко П.В., Пеньков H.A. Коростылев A.B. // Инновацион-ные технологии и оборудование машиностроительного комплекса: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2010. Вып. 13. С 238.

25. Цысоренко П.В. Анализ причин высокого перенапряжения при восстановлении ионов железа [Текст] / Жачкин С.Ю., Цысоренко П.В., Сидоркин O.A., Живогин A.A. // Обеспечение качества продукции на этапах конструкторской и технологической подготовки производства: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж:

ГОУВПО "Воронежский государственный технический университет", 2011, Вып. 6. С. 39.

26. Цысоренко П.В. Механизм окисления электролитов железнения [Текст] / Жачкин С.Ю., Цысоренко П.В., Пеньков H.A., Живогин A.A. // Обеспечение качества продукции на этапах конструкторской и технологической подготовки производства: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ГОУВПО "Воронежский государственный технический университет", 2011, Вып. 6. С. 52.

27. Цысоренко П.В. Возникновение дефектов в металлах и их влияние на свой-ства железнения [Текст] / Жачкин С.Ю., Цысоренко П.В., Пеньков H.A., Живо-гин A.A. // Обеспечение качества продукции на этапах конструкторской и тех-нологической подготовки производства: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ГОУВПО "Воронежский государственный технический университет", 2011, Вып. 6. С. 94.

28. Цысоренко П.В. Анодно-струйное хромирование при восстановлении деталей [Текст] / Жачкин С.Ю., Цысоренко П.В., Лазукин В.Ф., Рыжков В.В. // Обеспечение качества продукции на этапах конструкторской и технологиче-ской подготовки производства: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ГОУВПО "Во-ронежский государственный технический университет", 2011, Вып. 7. С. 103.

29. Цысоренко П.В. Хромирование с применением нестационарного тока деталей [Текст] / Жачкин С.Ю., Цысоренко П.В., Лазукин В.Ф., Рыжков В.В. // Обеспечение качества продукции на этапах конструкторской и технологиче-ской подготовки производства: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ГОУВПО "Во-ронежский государственный технический университет", 2011, Вып. 7. С. 106.

30. Цысоренко П.В. Аналитическое выражение осевых напряжений в композитном покрытии [Текст] / Жачкин С.Ю., Цысоренко П.В., Живогин A.A. // Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции - новые технологии и техника нового поколения для растениеводства и животноводства. Сб. науч. докладов XVI Междунар. научно-практич. конфер. ГНУ ВНИИТиН Россельхозакадемии, Тамбов, 2011. С. 125.

Отпечатано на полиграфическом предприятии ООО «Фаворит»

Подписано в печать 17.04.2012 года. Формат А5 х 10. Бумага офсетная, печать офсетная. Тираж 100 экз. Заказ № 697

Общество с ограниченной ответсвенностью «Фаворит». ИНН 2347011997 ОГРН 1052326317229 353860, Краснодарский край, г. Приморско-Ахгарск, ул. Ростовская, д. 42 тел. (86143) 2-12-56

61 12-5/3298

ФГБОУ ВПО ВОРОНЕЖСКИМ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Цысоренко Павел Владимирович

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ РАЗМЕРНОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ ВНУТРЕННИХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ГИЛЬЗ ГИДРОЦИЛИНДРОВ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ КОМПОЗИТНЫМ ПОКРЫТИЕМ НА ОСНОВЕ ХРОМА

Специальность: 05.20.03 - Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве

диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук Жачкин С. Ю.

Мичуринск - Наукоград РФ 2012

Оглавление

Введение 4

1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследований 10

1.1.Восстановление высоконагруженных деталей гидропневмоаг-регатов сельхозмашин гальваническим хромированием 10

1.2.Методы устранения негерметичности по слою хрома при ре-монтно-восстановительных мероприятиях 17

Выводы. Цели и задачи иследований 28

2. Методика исследований и пути решения задач 31 2.1.Способ гальваноконтактного нанесения хромовых покрытий

на внутренние цилиндрические поверхности и рабочая гипотеза 31 .2,2. Технологическое оснащение для реализации метода ГКО 3 6

2.3.Методика проведения экспериментальных исследований 42

2.4.Математическая обработка экспериментальных данных 45 Выводы 48

3. Моделирование процесса получения композитных покрытий методом ГКО на внутренних цилиндрических поверхностях 49

3.1.Анализ характеристики многослойных композитов при плоском напряженном состоянии 49

3.2.Экспериментальная проверка модели формирования гальванического композита 63 Выводы 65

4. Экспериментальные исследования процесса гальваноконтактного хромирования и его влияния на свойства покрытий 66 4.1 .Исследование влияния основных показателей ГКО на микротвердость покрытия 66

4.2.Исследование влияния основных показателей ГКО на оста-

точные напряжения в покрытии 70

4.3.Исследование влияния основных показателей ГМХ на шероховатость поверхности после покрытия 74

4.4.Исследование износостойкости композитных покрытий на основе хрома 80

4.5.Исследования пористости композитных покрытий на основе хрома ^ 84

4.6.Исследование адгезии покрытия к основе 87 Выводы 89

5. Технология гальваноконтактного восстановления внутренних цилиндрических поверхностей 91

5.1. Общие положения технологии 91

5.2.Технологический процесс хромирования 96 5.3.Оборудование для осуществления метода нанесения композитных хромовых покрытий на внутренние цилиндрические поверхности 97

Выводы 106

Основные результаты работы и выводы •. 108

Литература 110

Приложения 120

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

Цена сельскохозяйственной техники, а также стоимость поддержания ее в рабочем состоянии в период эксплуатации в условиях современных рыночных отношений, в значительной мере определяет ее конкурентоспособность.

На современном этапе развития науки и техники неоднократно отмечалось, что одним из важнейших направлений научно-технического прогресса является широкое освоение и внедрение передовых технологий восстановления изношенных деталей. Это позволяет поддерживать в рабочем состоянии стареющую технику, а также вернуть в эксплуатацию уже отслужившие свой срок изделия [44].

Гидравлические цилиндры очень широко используются в современной сельскохозяйственной технике. Однако, за период жизненного цикла машины, они подлежат не однократной замене. Расходы на это составляют до 40% от стоимости техники. Отказы гидравлики неизбежно приводят к простоям оборудования, и как следствие, к удорожанию продукции, что неизбежно снижает ее конкурентоспособность.

Вся гидравлическая арматура, применяемая в сельскохозяйственном оборудовании, в целях обеспечения ее коррозионной стойкости подлежит обязательному хромированию. Нанесение хрома на современном этапе возможно несколькими способами: по традиционной технологии, с использованием реверсивного тока, струйное хромирование, анодно-струйное хромирование, хромирование при нестационарном токе, использование различных электролитов и т.д. Однако, применение всех известных на сегодняшний день технологических приемов нанесения хромового покрытия не обеспечивает гарантированного получения беспористого покрытия, что является основной причиной отказа гидравлических цилиндров сельскохозяйственной

техники [48]. Причина этого - недостаток, присущий всем хромовым покры-

4

тиям, осаждаемым по существующим технологиям: негерметичность их при высоких давлениях в системе, которая проявляется вследствие наличия в осажденном покрытии развитой сетки пор и трещин, являющейся результатом высоких растягивающих остаточных напряжений в нем, которые превышают предел прочности хрома, и он растрескивается. Ко всему вышесказанному необходимо добавить, что при хромировании деталей на поверхность металла наносится покрытие с уже существующими микроканалами и трещинами [9, 10, 18, 20, 24], а значит, существует угроза потери коррозионной устойчивости покрытий и возникновения негерметичности по слою хрома [48, 59, 61]. Решение этой проблемы на современном этапе направлено на устранение уже имеющихся пор и трещин в осажденном покрытии, что значительно увеличивает себестоимость деталей [64, 81]. Известные технологические приемы дают возможность повысить герметичность хромовых покрытий. Однако они не позволяют решить проблему герметичности износостойких хромовых покрытий при восстановлении изношенных гидроцилиндров. Связано это с тем, что известными методами не устраняется основная причина появления трещин в покрытии - высокие растягивающие остаточные напряжения, возникающие в процессе электролиза, т.е. микроканалы, трещины в покрытии уже существуют, а значит, существует и возможность проявления негерметичности по слою хрома в любой момент времени эксплуатации изделия. Следует отметить, что механическая обработка покрытий отличается высокой трудоемкостью и значительным процентом брака, доходящим при обработке толстослойных покрытий на внутренних цилиндрических поверхностях до 97% [60]. Механическая обработка деталей, кроме трудоемкости, несет еще одну негативную характеристику, а именно после нее в поверхностном слое детали образуются микротрещины [11, 15, 44, 60], которые в дальнейшем реализуются в наносимом покрытии, способствуя трещинооб-разованию и пористости в нем, что делает проблематичным обеспечение коррозионной устойчивости покрытия и его герметичности [8, 13, 20, 23, 57].

Комплексное решение проблемы негерметичности при восстановлении изношенных деталей хромированием возможно лишь при получении в процессе электролиза сжимающих остаточных напряжений в хромовом покрытии, что исключит возможность растрескивания его при эксплуатационных нагрузках, и устранение из цикла технологического процесса предварительной и последующей механической обработки восстанавливаемой поверхности.

Эти качества покрытий, возможно, получить одним из нестационарных методов электролиза - нанесением покрытия с одновременной его механической обработкой в гальванической ванне в процессе осаждения [24]. Покрытия, осажденные по этой технологии, лишены вышеуказанных недостатков. Они имеют сжимающие остаточные напряжения, повышенную адгезию к основе, минимальную разнотолщинность.

Перспективным направлением восстановления деталей хромовым покрытием является разработка технологии нанесения композитных покрытий. Ведение в осаждаемый слой мелкодиперсных частиц позволит армировать материал покрытия и, учитывая специфику его нанесения, получать герметичные хромовые покрытия толщиной до 500 мкм на строну с повышенной адгезией к основе и точностью по 7-му квалитету. Это позволит создать основу для разработки высокоэффективных технологических процессов восстановления, обеспечивающих дальнейшее повышение долговечности узлов гидроарматуры и снижение затрат на ремонт сельскохозяйственной техники.

Настоящая работа посвящена повышению эффективности восстановления гидроарматуры сельскохозяйственной техники композитным покрытием на основе хрома, обеспечивающим увеличение долговечности и снижение себестоимости восстановленных деталей и узлов.

В диссертации проведены исследования композитного покрытия на основе хрома, разработана технология восстановления, которая внедрена в ООО «Гидротехника М» г. Воронеж.

Работа выполнялась в соответствии с комплексной целевой программой РАН 2.25.1.1 «Новые процессы получения и обработки металлических материалов», ГБ работы кафедры «Автоматизированное оборудование машиностроительного производства» ФГБОУ ВПО Воронежский государственный технический университет «Теория и практика машиностроительного производства» 2009.39.

Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены

на:

- научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников, докторантов и аспирантов Воронежского государственного технического университета в 2008...2011 гг.;

- региональной научно-технической конференции «Инновационные технологии и оборудование машиностроительного комплекса», Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2007 г

- 48-ой региональной научно-технической конференции ВГТУ. Секция «Автоматизированное оборудование». Воронеж: ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2008 г.

- научно-практической конференции «Инновации в авиационных комплексах и системах военного назначения». ВАИУ (г. Воронеж), 2009 г.

- 49-ой региональной научно-техническая конференция ВГТУ. Секция «Автоматизированное оборудование машиностроительного производства». Воронеж: ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2009 г.

- Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы инновационных систем информатизации и безопасности». ВИВТ (г. Воронеж) 2010 г.

- 50-ой региональной научно-техническая конференция ВГТУ. Секция «Автоматизированное оборудование машиностроительного производства». Воронеж: ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2010 г.

- Международной научно-технической конференции «Технологические методы повышения качества продукции в машиностроении - ТМ 2010» ГОУ ВПО ВГТУ, Воронеж, 2010 г.

- Международной научно-практической конференции «Инженерное обеспечение инновационных технологий в АПК». МичГАУ, Мичуринск 2010г.

- XVI Международной научно-практической конференции «Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции - новые технологии и техника нового поколения для растениеводства и животноводства» ГНУ ВНИИТиН Россельхозакадемии, (г. Тамбов), 2011 г.

- заседании кафедры «Автоматизированное оборудование машиностроительного производства» ФГБОУ ВПО ВГ.ТУ в 2011 г.

Публикации. Материалы диссертации отражены в 30 печатных работах, в том числе в двух работах в изданиях, рекомендованных ВАК РФ получен патент на изобретение РФ №100520 «Устройство получения композитных гальванических покрытий на внутренних поверхностях» (приложение 3).

Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 132 страницах машинописного текста, содержит 30 рисунков, 5 таблиц, библиографию из 91 наименования.

На защиту выносятся:

- теоретические предпосылки повышения эффективности композитных покрытий на основе хрома при введении в процессе нанесения в гальваническую матрицу мелкодисперсных наполнителей;

- результаты экспериментальных исследований микротвердости, остаточных напряжений в осадках, качества микрогеометрии получаемой поверхности, пористости, адгезии композитных покрытий на основе хрома;

- технология восстановления гидроцилиндров сельскохозяйственной техники композитным покрытием на основе хрома и технико-экономическая эффективность разработанной технологии восстановления.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Восстановление высоконагруженных деталей

гидропневмоагрегатов сельхозмашин гальваническим хромированием

Среди технологических процессов, применяемых при ремонте гидравлических цилиндров сельскохозяйственной техники, наибольшее применение находят процессы электрохимического покрытия. В частности гальванического хромирования [21, 23, 24, 43]. В современном восстановительном производстве гидропневмоагрегатов ни один гальванический процесс не имеет столь широкого применения как хромирование с целью восстановления размеров изношенной детали до номинальных, сохранения герметичности, увеличения твердости, механической износостойкости, коррозионной устойчивости.

Анализ состояния агрегатов гидравлических систем, поступающих в ремонт, показывает, что до 80 % основных деталей агрегатов требуют ремонта в связи с наличием на них следующих дефектов [49, 71]:

- нарушение защитных и износостойких покрытий и коррозии основного металла;

- износ посадочных мест основных кинематических звеньев гидравлических цилиндров.

Влияние толщины покрытий на герметичность деталей, прошедших ремонт, в литературе отсутствует, либо исследования крайне незначительны. Например, в [82] отмечается, что герметичность хромовых покрытий существенно зависит от толщины покрытия и указывается, что чем больше толщина покрытия, тем сложнее обеспечить его герметичность, а начиная с толщины 120 мкм вообще невозможно получение герметичных хромовых покрытий. В [67, 73] указывается, что применением реверсивного тока при гальваническом осаждении удается получить беспористые хромовые покрытия толщиной 5-8 мкм, а в [22, 64] утверждается, что получены беспористые покрытия

10

толщиной 0,2-1,0 мкм, но это не является решением проблемы, потому что, как правило, детали гидропневмоагрегатов сельскохозяйственной техники, прошедшие подготовительные операции перед восстановлением хромированием, требуют нанесения герметичного хромового покрытия толщиной от 100 мкм [62, 69]. Эксплуатация деталей сельскохозяйственной техники, прошедших восстановительное хромирование с толщиной покрытия до 200 мкм проходит под высоким 5-15 МПа давлением [23]. После ремонта с нанесением хрома по традиционной технологии нередко обнаруживается утечка жидкости и газов из зоны высокого давления по слою хрома, т.е. деталь становится негерметичной по хромированной поверхности [9, 13] и требует доработки.

Из-за этого дефекта при проверке на герметичность, на предприятиях отрасли при изготовлении бракуется не менее 40% [23] готовых изделий, а на ремонтно-восстановительных предприятиях большая часть деталей, прошедших восстановительную операцию хромированием. Негерметичные детали проходят перехромирование и дополнительную обработку (алмазное выглаживание и т.д.). Все это приводит к усложнению производства, снижению качества деталей, повышению трудоемкости и сдерживанию выпуска в нужные сроки. К этому необходимо добавить, что поскольку высокопрочные стали, применяемые при производстве гидроагрегатов склонны к коррозионному растрескиванию и чувствительны к навЬдораживанию, в промышленности введено ограничение на количество перехромирований [22]. Введение ограничений по перехромированию фактически означает уменьшение срока службы многих деталей, особенно деталей гидравлических систем в 2-3 раза и более.

К недостаткам традиционного процесса гальванического хромирования относится низкая производительность при гальваноосаждении, отрицательное влияние на усталостные характеристики деталей, особенно из высокопрочных сталей. [16, 47]. Усталостные характеристики хромированных дета-

лей восстанавливают упрочнением поверхностного слоя пластическим деформированием и трехкратным низкотемпературным отпуском [14, 51, 56].

1.1.1 Влияние гальванических покрытий на механические

характеристики деталей

Исходя из производственного опыта известно, что при восстановлении деталей хромированием с толщиной покрытия более 40 мкм значительно снижается сопротивление усталости основного металла (особенно высокопрочных сталей), что обусловлено в основном низкой прочностью и пластичностью хрома, а также наводороживанием стали [74, 77, 78]. Хромовые покрытия отрицательно влияют на предел выносливости стали <r_i [74]. Литературные данные [74, 86, 90] свидетельствуют, что хромирование снижает a.i стали вследствие влияния внутренних напряжений в покрытии авн, которые вызывают напряженное состояние поверхности основного металла. При эксплуатации детали в таком покрытии образуются трещины, являющиеся концентраторами напряжений, значительно снижающими срок эксплуатации детали. Это не позволяет традиционными ремонтными мероприятиями добиться восстановления исходных эксплуатационных характеристик изделий.

Сопротивление усталости в результате хромирования может снижат�