автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Технологические основы восстановления и упрочнения деталей сельскохозяйственной техники из алюминиевых сплавов электрохимическими способами



МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА И ПРОДОВОЛЬСТВИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ ЗАОЧНЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ

ОРЛОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ

АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

Новиков Александр Николаевич

кандидат технических наук

УДК 669.716

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИМИ СПОСОБАМИ

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

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант - заслуженный деятель науки РФ, член-корреспондент МАИ, доктор технических наук профессор Батищев А.Н.

Москва, 1999

РЕФЕРАТ

+ Объем диссертации составляет 297 страниц, в том числе 30 таблиц, 146 ил-

люстраций , 30 приложений, список литературы из 304 наименований.

Ключевые слова: сельскохозяйственная техника, деталь, надежность, технология, восстановление, упрочнение, износостойкость, параметр, размер, допуск, выбор, гальванопокрытия, электролит.

Объект исследования: технологии восстановления деталей сельскохозяйственной техники из алюминиевых сплавов электрохимическими способами % (ЭХС).

Цель исследования: разработать научные и технологические основы ЭХС восстановления и упрочнения деталей сельскохозяйственной техники из алюминиевых сплавов.

В диссертации разработаны научные основы обеспечения надежности технологии восстановления и упрочнения деталей. Разработаны составы электролитов и оптимизированы технологические параметры ЭХС восстановления и упрочнения. На основе экспериментальных исследований разработаны новые способы восстановления и упрочнения деталей из алюминиевых сплавов ЭХС, по-* зволяющие получить покрытия с высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами и прогнозировать их ресурс.

Результаты исследований реализованы в методических рекомендациях, утвержденных Департаментом механизации и электрификации Минсельхозпрода РФ. Технологические процессы восстановления некоторых деталей внедрены на ряде ремонтных предприятий АПК, а также использованы в учебных пособиях, в том числе для вузов. Приведена экономическая эффективность результатов исследований.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...........................................................................................................................7

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЙ...........................................................................................13

1.1. Сплавы алюминия и перспективы их применения в сельскохозяйственном

машиностроении...................................................................................................13

1.2. Анализ износов деталей из алюминиевых сплавов..............................................16

1.3. Анализ способов ремонта и восстановления деталей

из алюминиевых сплавов......................................................................................24

1.3.1. Способы ремонта и восстановления деталей из алюминиевых

сплавов.......................................................................................................24

1.3.2. Восстановление деталей с применением электрохимических

способов.....................................................................................................35

1.4. Современные способы упрочнения деталей из алюминиевых сплавов.............39

1.5. Способы специальной подготовки поверхности деталей из алюминиевых сплавов перед нанесением гальванических покрытий.......................................45

1.6. Выводы, цель и задачи исследований...................................................................51

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

ПРОЦЕССОВ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ......................................................53

• 2.1. Теоретическое обоснование количественных значений показателей

надежности электрохимического процесса нанесения покрытий....................53

2.2. Теоретическое обоснование обеспечения износостойкости при

повышенных погрешностях механической обработки деталей.........................64

2.3. Теоретическое обеспечение надежности технологического процесса по

показателю "толщина и равномерность покрытий"............................................71

2.3.1. Расчет необходимой толщины покрытия...................................................71

2.3.2. Влияние гидродинамических факторов на показатель "толщина и

равномерность покрытий".........................................................................74

2.3.3. Обеспечение геометрических параметров при восстановлении

деталей сложной формы (на примере канавок поршня)........................77

2.3.4. Обеспечение равномерности нанесения покрытий по высоте

• деталей при использовании спиралевидного анода...............................86

2.4. Теоретическое обоснование обеспечения надежности по показателю

"сцепляемость покрытий".....................................................................................91

2.4.1. Теоретические предпосылки к совершенствованию технологии

подготовки поверхности деталей из алюминиевых сплавов..................91

2.4.2. Теоретические предпосылки удаления шлама с поверхности детали

в электролите анодирования и повышения сцепляемости покрытия с основой....................................................................................................95

2.4.3. Теоретические предпосылки обеспечения сцепляемости при подготовке

поверхности в электролите осаждения....................................................99

2.5. Выводы..................................................................................................................103

ГЛАВА 3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ..........................................105

3.1. Программа исследования.....................................................................................105

3.2. Объект и предмет исследования..........................................................................105

3.3. Материалы и оборудование для проведения исследований..............................105

3.4. Методики определения режимов ЭХС и физико-механических

свойств покрытий...............................................................................................115

3.4.1. Приготовление, контроль и корректировка электролитов для

микродугового оксидирования (МДО)....................................................115

3.4.2. Приготовление, контроль и корректировка электролитов для

нанесения гп-Ре и Zn-Ш сплавов...........................................................116

3.4.3. Методика исследования подготовки поверхности..................................118

3.4.4. Методика определения сцепляемости покрытий....................................118

3.4.5. Методика измерения микротвердости и равномерности покрытий.............124

3.4.6. Методика изучения микроструктуры и граничного слоя между

основой и покрытием...............................................................................125

3.4.7. Методика определения химического состава сплава.............................125

3.4.8. Методика проведения рентгеномикроанализа........................................126

3.4.9. Методика проведения рентгеноструктурного анализа...........................127

3.5. Методика испытаний на изнашивание.................................................................127

3.6. Методика проведения ускоренных стендовых испытаний насосов НШ-10Е... 131

3.7. Определение ошибки эксперимента и повторности опыта...............................134

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ АНАЛИЗ........................................136

4.1. Исследование состава и микроструктуры осаждаемых сплавов......................136

4.1.1. Рентгеномикроанализ и химический анализ осаждаемого сплава........136

4.1.2. Рентгеноструктурный анализ железо-цинкового сплава........................145

4.2. Исследование микротвердости покрытий..........................................................146

4.2.1. Исследование микротвердости железо-цинкового сплава....................146

4.2.2. Исследование микротвердости цинк-никелевого сплава.......................151

4.2.3. Исследование микротвердости при МДО................................................153

4.2.4. Исследование микротвердости упрочненных деталей МДО,

*

восстановленных наплавкой...................................................................157

4.3. Исследование сцепляемости электролитических покрытий.............................158

4.3.1. Исследование сцепляемости при подготовке поверхности деталей

из алюминиевых сплавов в растворе ортофосфорной кислоты..........158

4.3.2. Исследование сцепляемости при подготовке поверхности деталей

из алюминиевых сплавов в электролите осаждения............................173

4.4. Обоснование необходимого значения изменения линейных размеров восстанавливаемых деталей..............................................................................182

Ф 4.5. Восстановление деталей из алюминиевых сплавов электролитическими

покрытиями..........................................................................................................183

4.5.1. Исследование толщины покрытий железо-цинкового сплава,

нанесенного при проточно-струйной подаче электролита и вращении детали (на примере восстановления поршня).....................183

4.5.2. Исследование толщины цинк-никелевых покрытий, осаждаемых при

проточной подаче электролита (на примере восстановления посадочных отверстий)...........................................................................187

4.5.3. Исследование толщины цинк-никелевых покрытий, нанесенных при

проточно-контактном способе.................................................................191

4.5.4. Исследование толщины цинк-никелевых покрытий, нанесенных при

• ванном способе........................................................................................195

4.5.5. Исследование равномерности гальванопокрытий..................................195

4.6. Восстановление и упрочнение деталей из алюминиевых сплавов МДО.........198

4.6.1. Исследование влияния состава электролита и режимов МДО на

толщину и скорость формирования покрытий.......................................198

4.6.2. Исследование равномерности толщины покрытий, получаемых

при МДО...................................................................................................211

4.7. Исследование износостойкости покрытий........................................................215

4.7.1. Исследование износостойкости электролитических сплавов................215

4.7.2. Износостойкость покрытий, полученных МДО........................................216

4.8. Эксплуатационные и стендовые испытания восстановленных

и упрочненных деталей.......................................................................................223

• 4.8.1. Эксплуатационные испытания деталей, восстановленных

электролитическими покрытиями...........................................................223

4.8.2. Стендовые испытания шестеренных насосов НШ10Е............................224

4.8.3. Эксплуатационные испытания насосов НШ-10Е.....................................230

4.9. Выводы..................................................................................................................232

ГЛАВА 5. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ, ИХ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ.................................236

5.1. Технология восстановления деталей нанесением гальванопокрытий............236

5.1.1. Технология восстановления поршней с подготовкой поверхности в

растворе ортофосфорной кислоты........................................................236

5.1.2. Технология восстановления корпуса гидронасоса НШ-46 с

подготовкой поверхности в растворе ортофосфорной кислоты..........239

5.1.3. Технология восстановления деталей с подготовкой поверхности в

электролите осаждения..........................................................................241

5.2. Технология восстановления и упрочнения с применением МДО..........................244

5.2.1. Технологический процесс восстановления колодцев корпусов

шестеренных насосов НШ-10Е МДО......................................................244

5.2.2. Технологический процесс восстановления подшипниковых и

поджимных обойм гидронасоса НШ-50-2 наплавкой с

последующим упрочнением МДО...........................................................246

5.3. структурная схема технологического процесса восстановления

и упрочнения деталей ЭХС.................................................................................248

5.4. Рекомендации по осуществлению технологий восстановления деталей гальванопокрытиями...........................................................................................248

5.5. Рекомендации по осуществлению технологий восстановления

и упрочнения деталей из алюминиевых сплавов МДО.....................................253

5.6. Экономическая эффективность ЭХС при восстановлении

и упрочнении деталей.........................................................................................256

5.7. Выводы..................................................................................................................267

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ..........................................................................................................268

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..................................................................................................273

ПРИЛОЖЕНИЯ.................................................................................................................298

ВВЕДЕНИЕ

* В Федеральной целевой программе стабилизации и развития агропромышленного производства в Российской Федерации на 1996-2000 годы отмечается, что парк тракторов и зерноуборочных комбайнов за пять лет сократился в 1,3 раза, кормоуборочных комбайнов - в 1,2 раза. В настоящее время обеспеченность хозяйств основными видами сельскохозяйственной техники составляет 40...70%, сохраняется тенденция старения парка, возрастает срок эксплуатации машин и оборудования /1,2, 3/.

* Наряду с сокращением машинно-тракторного парка продолжает снижаться его техническая готовность, причем, темпы снижения с каждым годом увеличиваются.

Важнейшим резервом в повышении технической готовности является обеспечение предприятий агропромышленного комплекса запасными частями за счет восстановления изношенных деталей /4, 5/. Однако применяемые в настоящее время технологические процессы восстановления деталей не всегда удовлетворяют современным требованиям /6, 7/.

Анализ литературных источников /6/ и опыта ремонтных предприятий по-

* казал, что в последние годы наметилась тенденция использования упрочняющих технологий, которые позволяют повысить относительную износостойкость деталей и соединений в несколько раз. Так, например, микродуговое оксидирование деталей (МДО) сельскохозяйственной техники из алюминиевых сплавов повышает их износостойкость в 2.. .6 раз.

Среди технологических процессов восстановления деталей сельскохозяйственной техники заслуживают внимания электрохимические способы. Электрохимические способы (ЭХС) позволяют восстанавливать и упрочнять как наружные, так и внутренние поверхности деталей всех типов. Однако широкое их применение для восстановления деталей из алюминиевых сплавов сдерживается от-

» сутствием теоретических основ восстановления и упрочнения. Поэтому разработка технологических основ восстановления и упрочнения деталей из алюминиевых сплавов электрохимическими способами является актуальной проблемой.

Большой вклад в развитие технологий восстановления деталей и повышения долговечности соединений внесли: Авдеев М.В., Аскинази Б.М., Ачкасов К.А., Батищев А.Н., Бугаев В.Н., Бурумкулов Ф.Х., Власов П.А., Воловик Е.Л., Ерохин М.Н., Каракозов Э.С., Косов В.П., Кряжков В.М., Курчаткин В.В., Лезин П.П., Лисунов Е.А., Лялякин В.П., Михлин В.М., Молодык Н.В., Некрасов С.С., Петров Г.К., Потапов Г.К., Поляченко А.В., Рудик В.Я., Северный А.Э., Сидоров А.И., Сковородин В.Я., Стрельцов В.В., Тельнов Н.Ф., Цыпцын В.И., Ульман И.Е., Черепанов С.С., Черновол М.И., Черноиванов В.И., Челпан Л.К., Чижикова Т.В. и другие ученые.

Целью настоящей работы является на основе теоретических и экспериментальных исследований разработать технологические основы восстановления деталей сельскохозяйственной техники из алюминиевых сплавов электрохимическими способами. В соответствии с постановленной целью определены следующие задачи:

1. Теоретически обосновать количественные показатели надежности технологических процессов нанесения покрытий на детали из алюминиевых сплавов.

2. Теоретически обосновать необходимый уровень износостойкости покрытий с учетом погрешностей их финишной обработки.

3. Теоретически обосновать получение необходимых геометрических параметров при восстановлении деталей сложной формы.

4. Создать теоретические основы подготовки деталей из алюминиевых сплавов к нанесению покрытий.

5. Исследовать влияние режимов нанесения электролитических Zn-¥e и Ъп-N1 сплавов на толщину и равномерность покрытий.

6. Исследовать влияние режимов МДО на толщину и равномерность покрытий.

7. Исследовать влияние режимов обработки на сцепляемость гальванических покрытий с поверхностью алюминиевых сплавов.

8. Исследовать влияние режимов электролиза на микротвердость гальвани-

ческих покрытий.

9. Исследовать состав и микроструктуру осаждаемых сплавов.

10. Исследовать износостойкость и эксплуатационные свойства восстановленных деталей по разработанным технологическим процессам.

11. Разработать усовершенствованные технологические процессы восстановления и упрочнение деталей ЭХС.

12. Произвести технико-экономическую оценку внедрения результатов исследований в производстве.

Научную новизну исследований составляют:

- теоретические обоснования количественных показателей надежности ЭХС восстановления деталей из алюминиевых сплавов;

- разработанные теоретические основы обоснования необходимого уровня износостойкости покрытий с учетом погрешностей их финишной обработкой и прогнозирования надежности;

- обоснование необходимой толщины покрытий с учетом их неравномерности;

- разработанные теоретические гипотезы обеспечения сцепляемости при нанесении покрытий;

- исследованные механизмы и закономерности восстановления изношенных деталей из алюминиевых сплавов ЭХС с применением математических моделей;

- теоретическое обоснование получения равномерных покрытий при использовании спиралевидного анода.

Работа осуществлялась в соответствии с Федеральной государственной программой "Машиностроение для агропромышленного комплек