автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Ресурсосберегающая технология восстановления внутренних поверхностей деталей сельскохозяйственной техники скоростным железнением

На правах рукописи

ВЕСЕ10ВСКИЙ НИКОЛАЙ ИВАНОВИЧ

РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ВНУТРЕННИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ СКОРОСТНЫМ ЖЕЛЕЗНЕНЙЕМ

Специальность 05.20.03 - "Эксплуатация, восстановление и ремонт сельскохозяйственной техники"

Диссертация в вире научного доклада на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1999

Работа выполненана кафедре надежности и ремонта машин ям. Й.С.Левитского Российского государственного аграрного заочного университета (ЕГАЗУ).

Научные руководители:

Заслуженный деятель науки доктор технических наук; профессор Батищев А.Н.

кандидат технических наук; доцент Юдин В,И.

Официальные оппонента:

доктор технических наук, профессор Мороз В.П.

доктор технических наук, старший научный сотрудник Голубев Й.Г.

Ведущая организация:

ОАО Ремонтно-механический завод "Краснопахорский"

Защита состоится в часов

на заседании диссертационного совета к 120.30.01 при Российском государственном аграрном заочном университете. ^^^ С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке'гЖЗУ. Отзывы на диссертацию в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, оросим присылать по адресу: 143900,Еалашиха-б„ РГАЗУ, ученый совет инженерного факультета.

Диссертация разослана

Ученый секретарь диссертационного совета канд. техн .наук доцент

--

.1999 г. О.П.Мехоаа

- а -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы» Более половины затрат при ремонте машш связано с приобретением запасных частей. Основным направлением снижения себестоимости ремонта машин, экономии материально-сырьевых и энергетических ресурсов является восстановление изношенных деталей. Одним из эффективных способов восстановления деталей является железнение.

При нанесении гальванических покрытий на внутренние поверхности корцусннх и других деталей объем гальванической ванны и источник тока используются малоэффективно, т.к. площадь покрываемой поверхности невелика, а объем, занимаемый деталями, большой. В этом случае повысить эффективность использования гальванического оборудования можно за счет увеличения рабочей плотности тока, что позволит также повысить скорость нанесения покрытия. В современных условиях технология нанесения покрытий должна оказывать минимальное отрицательное воздействие на окружающую среду. Поэтому разработка малоотходной ресурс ©сберегающей технологии восстановления внутренних поверхностей деталей сельскохозяйственной техники скоростным железнением является актуальной задачей.

Актуальность темы диссертации подтверждается и. тем, что она являлась составной часть» координационного плана НИР ГОСНИТИ на 1981...85 гг. по решению научно-технической проблемы создания и освоения прогрессивных технологических процессов и оборудования для технического обслуживания, ремонта я восстановления изношенных деталей тракторов, автомобилей и с.-х. машш (задание 04.07 "Разработка малоотходной технологии восстановления деталей желез-нением"), а также общесоюзной Программы 2.6 "Разработать и освоить прогрессивные методы организации, технологические процессы и оборудование, обеспечивающие повышение уровня использования, технического обслуживания, ремонта и восстановления изношенных деталей тракторов, автомобилей и с.-х. машин" на 1986...1990 г г. (тема 20.1, » ГР 018600Э6999).

Целью работы является разработка ресурсосберегающей малоотходной технологии скоростного железнения внутренних поверхностей восстанавливаемых деталей.

Объектом исследований является технологический процесс восстановления внутренних поверхностей деталей скоростным железнением.

Научная новизна. Теоретически и экспериментально обоснована возможность значительного повышения рабочей плотности тока и скорости нанесения покрытий за счет применения вращающейся перфорированной токонепроводадей перегородки. Показано, что при вращении перегородки электролиз проходит при более низком катодном потенциале. Установлены зависимости катодного выхода по току, скорости нанесения покрытий и их Микротвердости от условий электролиза. Определены рациональные режимы электролиза. Научная новизна подтверждена двумя авторскими свидетельствами на изобретения.

Практическая ценность работы состоит в разработке малоотходной ресурсосберегающей технологии скоростного железнения внутренних поверхностей деталей.

Реализация результатов исследований. Технологические и технические разработки внедрены на трех ремонтных предприятиях. Результаты исследований включены в учебные пособия и используются в учебном процессе с.-х. вузов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на международной конференции яРемдеталь-88", г. Пятигорск; на четырех всесоюзных и ресцубликанских конференциях (г. Минск, 1983 г.; г. Рязань, 1986 г.; г. Кишинев, 1986 г.; г. Рига, 198? г.); на конференциях ВСХЙЗО (РГАЗУ).

Технология и установки экспонировались на ВДНХ СССР ("НТТМ-84И, 1988 г. - третья премия выставки "Изобретательство и рационализация - 88") и на международной выставке "Ремдеталь-88" (г. Пятигорск).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 26 работ, в т.ч. 2 авторских свидетельства на изобретения.

На защиту выносятся:

- теоретическое обоснование необходимости и возможности повышения рабочих плотностей тока при железнении внутренних поверхностей деталей;

- результаты исследований влияния режимов электролиза на производительность процесса и свойства гальванических покрытий при использовании вращающейся между анодом и катодом - деталью перфорированной токонепроводящей перегородки;

- ресурсосберегающая технология восстановления внутренних поверхностей деталей сельскохозяйственной техники екоростнш же-лезнением.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССВДОВАНИЙ

Важным резервом снижения себестоимости ремонта машин и расхода запасных частей является восстановление деталей. До 80% деталей имеет износ не более 0,3 мм. Себестоимость их восстановления не превышает 60% ценн новых при практически равных сроках службы. На ремонтных предприятиях для восстановления деталей с небольшими износами недостаточно широко используют малоотходные технологии, такие как полимерные, гальванические покрытия, газотермическое напыление и др. Джя восстановления деталей с малыми износами часто применяют наплавочные процессы, сопровождающиеся большим расходом дорогостоящих материалов (порошок, проволока, газы) и требующие значительных объемов механической обработки.

Технологические процессы восстановления внутренних поверхностей деталей вызывают дополнительные сложности: увеличиваются тепловложения из-за уменьшения теплоотвода в окружающую среду, усложняются приспособления, йце с большими трудностями сталкиваются при восстановлении внутренних поверхностей чугунных деталей.

Одним из аффективных способов восстановления внутренних поверхностей деталей является электролитическое железнение, обладающее следующими преимуществами.

По сравнению с хромированием достигается более высокая скорость нанесения покрытия, снижается расход электроэнергии, улучшается распределение металла на поверхности изделий сложной формы, ниже стоимость используемых материалов, вше экологическая безопасность.

По сравнению с металлизацией обеспечивается высокая прочность сцепления покрытия с основой, экономней расход материалов, возможность наращивать тонкие работоспособные покрытия.

По сравнению с наплавкой отсутствует термическое влияние на металл основы, не происходит коробление деталей, возможно одновременное восстановление большого числа изделий, что повшает производительность .

Однако при нанесении гальванических покрытий на внутренние поверхности крупных и корпусных деталей объем гальванической ванны и источник тока используются малоэффективно,т.к. площадь покрываемой поверхности невелика, а объем, занимаемый деталями в ван-

- б -

не, большой. Повысить эффективность использования гальванического оборудования можно за счет усложнения состава электролита или за счет подбора режимов электролаза. В современных: условиях высоких требований к экологической безопасности важно использовать простые по составу электролиты. Нами выбран хлористый электролит с концентрацией 580...620 г/л Feilz • , рН = 0,5...0,8 [3, 4, 5, 6] .

Увеличение рабочей плотности тока я скорости нанесения покрытия можно достигнуть за счет интенсивного перемешивания электролита вблизи поверхностей электродов, а также использования различных форм тока, что подтверждается многими исследователями (школы Петрова D.H., Батищева А.Н. и др.).

Практическое применение получили струйный, анодно-струйный, проточный способы нанесения гальванических покрытий.

Эти способы применяют для восстановления посадочных мест под подшипники крупногабаритных корпусных деталей, шеек коленчатых валов двигателей и т.п. Они позволяют вести электролиз при плотностях тока до 160 А/дм^. Недостатками этих способов интенсификации электролитического осаждения металлов являются: потребность в специальном кислотостойком оборудовании и материалах (насосы, трубы, шланги, уплотнения,...). Это усложняет конструкцию установки и ее эксплуатацию. Технологическая схема этих процессов предусматривает подачу в электролитическую ячейку последовательно разных электролитов (для обезжиривания,, травления, нанесения покрытия), что неизбежно ведет к постепенному взаимному загрязнению и, как следствие, требует частой замены электролитов, повышенному расходу материалов я снижению экологической безопасности.

В связи с вышеизложенным целью настоящей работы является разработка малоотходной технологии скоростного железнения внутренних поверхностей деталей, обеспечивающей повдаение производительности труда, экономив материально-сырьевых и энергетических ресурсов, снижение вредного воздействия на окружающую среду.

При этом предусматривается решение следующих задач:

- определить геометрические параметры электролизера;

- исследовать влияние режимов электролиза на скорость осаждения железа, микротвердость покрытий и их структуру;

- определить условия, обеспечивающие получение высокой прочности сцепления покрытий с основой;

- разработать ресурсосберегающую малоотходную технологию восстановления внутренних поверхностей скоростным железнением и определить ее технико-экономическую эффективность.

2. ТЕЮРЕТИЧЕСКИЕ ЩДДОСШКИ ПОВЫШШ СКОРОСТИ ЭЛЕКТРО-ЖГКЧВ2К0Г0 ЖЕШНЕНШ

Решающее влияние на скорость нанесения покрытий оказывает катодная плотность тока:

_ С«Б*-Як

V

(I) 1000 Г

где V - скорость осаждения покрытий, мм/ч;

С - электрохимический эквивалент, г/А*я;

]Рк- катодиая плотность тока, А/даг;

катодный выход металла по току, %; р - плотность осаждаемого металла, г/см3 Поскольку С и у1 - величины постоянные, и при желез-нении составляет более 80%, те основной цуть резкого повышения скорости осаждения покрытий - увеличение катодной плотности тока.

Известно, что существенное увеличение плотности тока возможно при перемешивании электролита. Движение электролита вблизи катода, особенно в турбулентном режиме, обеспечивает значительную интенсификацию массообменных процессов. При этом уменьшается за-щелачивание электролита вблизи катода и его поляризация ["£I] . Возникает реальная возможность увеличения катодной плотности тока, а следовательно, и скорости нанесения покрытия. Особенно это важно при восстановлении внутренних поверхностей корцусных и других деталей с относительно небольшой покрываемой поверхностью, загрузка которых в ванне железнения занимает большой объем. В этом случае при стационарных условиях электролиза ванна железнения и источник тока используются малоэффективно.

Вместимость ванны для нанесения гальванических покрытий подбирают, исходя из объемной плотности тока и рабочей силы тока, которая необходима для нанесения покрытий и по которой подобран источник тока:

, отсюда. (2)

л

где Уь - вместимость ванны для нанесения покрытий, м3; % - рабочая сила тока при нанесении покрытий, А; Бу- объемная плотность тока, А/м3 Количество деталей в загрузке ванны составит:

(3)

N1 =

_ , (4)

где N - количество деталей в загрузке, вт;

Вк- катодная плотность тока, А/д»г;

5 к - площадь покрываемой поверхности детали, дм^

Фактическое количество деталей в загрузке ( N9 ) может быть значительно меньше расчетного Ы<р < N . Именно такая ситуация возникает при железнении отверстий корцусньк и других деталей. В этом случае для достижения рабочей силы тока ( Зр 3, на которую подобраны гальваническая ванна и источник тока, целесообразно применять повышенную катодную плотность тока ( В< Рост катодной плотности тока может достигать значений в соответствии с пропорцией -гч? , |

— (5)

ы?

Существующие способы перемешивания электролита малоэффективны применительно к железнению внутренних поверхностей деталей. Нами предложено использовать для этого токонепроводящую перфорированную перегородку, которая вводится в межэлектродное пространство и приводится во вращение £2, 3, 4, .

Анализ работы электролизера с вращающейся перфорированной токонепроводящей перегородкой (рис. I) показывает, что перегородка действует как турбинка центробежного насоса, электролит в межэлектродном пространстве при этом вращается и под действием центробежных сил прижимается к наружному электроду, обтекает его поверхность в турбулентном режиме и удаляется в основной объем ванны. На его место засасывается свежий электролит из основного объема ванны, который движется вдоль оси вращения перегородки, омывая поверхности электродов. За счет этого обеспечивается интенсивный обмен электролита в межэлектродном пространстве.

"15** О"!

Рис. I. Схема работы электролизера

I - анод; 2 - катод-деталь; 3 - перфорированная токонепроводящая перегородка; 4 - электролит.

При железнении из хлористого электролита ограничение катодной плотности тока может быть связано с достижением предельного тока диффузии ионов из-за резкого понижения концентрации разряжающихся ионов в прикатодном слое, а также с повышением рН в црисатодном слое и образованием гидрооксида железа. В этих случаях нарушаются условия электролиза и образуются шероховатые или губчатые осадки железа низкого качества. На основе формулы Нернста катодная плотность тока составляет

0.=

Со" Сз

(6)

где

,к- _ , ^ср £

23ц - катодная плотность тока, А/м^ 2. - количество ионов, г-экв/моль; р - число Фарадея, Кл/г-экв; Д,- коэффициент диффузии, *Г/с; Со - концентрация в глубине раствора, моль/м3; Сз - приэлектродная концентрация раствора, моль/м3; 3 - толщина диффузионного слоя, м.

Предельный ток диффузии достигается при такой катодной плотности тока, когда Сэ приближается к нулю. При высокой концентрации разряжающихся на катоде ионов железа, имеющихся в выбранном электролите железнения, достижение предельного тока диффузии, на наш взгляд, может быть при очень большой катодной плотности тока, значительно превышающей обычно применяемые рабочие плотности тока. Поэтому мы считаем, что катодная плотность тока при же-лезнении из концентрированного хлористого электролита ограничивается значительным увеличением рН в прикатодном слое и образованием гидрооксида железа.

Общая катодная плотность тока ( Юк. ) складывается из парциальных плотностей тока железа двухвалентного (Б ) и трехвалентного ( Вр/5 ), а также парциальной плотности тока выделяющегося на катоде совместно с железом водорода ( Бн+ )

0н+ (7)

Наилучшие условия для получения качественных железных покрытий обеспечиваются при отсутствии ионов трехвалентного железа. Однако в производственных условиях они всегда содержатся в ванне из-за" окисления двухвалентного-железа кислородом воздуха, диффундирующим в электролит через его свободную поверхность.

Концентрация ионов водорода Н+ в электролите в основном определяется рН электролита и по сравнению с концентрацией ионов железа во много раз меньше. В условиях применения высокой катодной плотности тока ( С к ) также составляет существенное значение. При этом скорость восстановления ионов Н+ на катоде настолько велика, что их убыль из прикатодного слоя не успевает восстанавливаться за счет притока из объема электролита. В результате рН электролита в прикатодном слое, становится значительно больше, чем в общем объеме электролита. Происходит защелачивание прикатодного слоя. Кислотность прикатодного слоя может снизиться до такого значения, при котором начнется образование практически нерастворимого гидрооксида железа, который входит в состав покрытия и ухудшает его свойства или приводит к нарушению всего процесса нанесения покрытий.

С помощью вращающейся токонепроводящей перфорированной перегородки (