автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.04, диссертация на тему:Технология восстановления деталей судового оборудования газолпазменными покрытиями с повышенной адгезионной прочностью

г 5 ОД

- 8 М^ ^^ Санкт-Петербургский государственный

университет водных коммуникаций

На правах рукописи БАВЫБИН Владимир Алексеевич

ТЕХНОЛОГИЯ ВОССГАНОВЛШЯ ДЕТАЛЕЙ СУДОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ ГАЗОПЛАМЕННЫМИ ПОКРЫЖЯМИ С ПОВЫШЕННОЙ АДГЕЗИОННОЙ ПРОЧНОСТЬЮ

05.08.01 - Технология судостроения, судоремонта и организация судосгроительного производства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1996

Работа выполнена на кафедре технологии металлов к судоремот ;.!;,ршакской государственноI' академик рыбопромыслового ("лота (ЫГА1

Еаучны# руководитель: Ос.кцпальные оппоненты:

Ведущее предприятие:

доктор технических нэ5 профессор Ефремов Л.Б.

доктор технгческкх нау профессор Сумеркин 1С.Е

кандидат техн:гческкх н Бочаров А.Ф.

Центральный конструктс скэ-технологический ш гигуг судоремонта ВМФ

Защита диссертации состоится " 17 " Ж/ОА 1936 го в // часов е аудитории № 235 на заседания Диссертационного С вета Д 116.01.01 при Санкт-Петербургском государственном уш-ше сг.тете водных коммуникаций по адресу: 198035, г.Санкт-Петербург ул.£вгнская 5/7.

С диссертацией южно ознакомиться в библиотеке университета

Отзнш ва автореферат б двух экземплярах, заверенные гербов печатью просим направлять на имя ученого секретаря Совета по ук занному адресу.

Автореферат разослан ", 25" л/а^тд

1956 года

Ученый секретарь

ссертациэнного Совета З.К.^опарев

ОНлАЯ характеристика работы

Актуальность темы диссертации. В ряде отраслей промышленности, в том числе в судоремонте, игроков распосгранение получи способ восстановления и упрочнения деталей машин газопламенным порошковым напылением (ГШ), который позволяет обеспечить необходимую стойкость поверхности к изнашиванию, коррозионным к другим разрушениям, является одним из элективных способов сокращения затрат на эксплуатацию и ремонт судового оборудования. Анализ показывает, что данным способом на отдельных судоремонтных предприятиях восстанавливается до 30-35^ от общего числа всех восстанавливаемых деталей.

Вместе с тем, несмотря на очевидные преимущества, способу восстановления деталей ГШ свойственен ряд недостатков, основным из которых является низкая прочность сцепления напыленного слоя и основы, что существенно ограничивает область применения способа и номенклатуру восстанавливаемых им деталей.

В ряде работ отечественных и зарубе:кных ученых указаны пути повышения адгезионной прочности газопламенных покрытий, при этом,как правило, эти пути связанны или с увеличением энергии напыляемых частиц путем совершенствования оборудования для ГПН,нли с разработкой новых порошков, способствующих повышению адгезионной прочности.

Подготовка же самой поверхности напыляемого изделия с целью ее активации производилась и,как правило, производится сейчас традиционными методами: механической обработкой (сгруй-но-абразивная, нарезка "рваной" резьбы и т.п.) и предварительным подогревом основы перед напылением.

Практика применения этих методов на судоремонтных предприятиях показывает, что адгезионная прочность газопламенных покрытий наносимых на стальные детали даже в случае применения экзотермически-реагкрующих порошков достигает относительно невысоких (до 20 МПа) значений, а в случае ГШ на некоторые медные сплавы, например, свинцовистые бронзы типа Ер.ОЦС 5-5-5 , Ер.ОЦС 6-6-3 и другие вообще не удается получить прочносцеп-ленных покрытий.

Цель и задачи работы. Основная цель настоящей рабо.гы заключается в разработке к корректном обосновании технологии восстановления деталей судового оборудования из сталей и свинцовистых бронз газопламенными порошковыми покрытиями с повышенной адге-

знойной прочностью.

Б основу технологии положен предложенный автором и зап; гентоЕанныЁ способ заключающейся в том, что в технологичесю процесс восстановления после механической подготовки перед ] порошка вводится дополнительная операция химического осажде! на говерхносгь детали стойкого к окислению, легкоплавного, ] носцепленного с основой, химически активного никель-фосфорнс подслоя, который при соответствующем химическом составе в с: ганга; с оптимальными рехшмамк напыления обеспечивает увеличс адгезии наносимых покрыгай.

Для достижения поставленной цели необходимо было решит! следующие задачи:

- исследовать влияние состава ванны химического никели] вания и режимов осаждения на структуру и состав нпкель-фосфс ного подслоя;

- исследовать влияние состава подслоя и режимов ГПН на гезионную прочность напыляемых покрытий;

- определить оптимальный состав никель-фосфорного поде.* и оптимальный режим ТПН через никель-фосфорный подслой, обес чивакицие получение покрытий с максимальной адгезионной про' ностью;

- выяснить особенности химического осаждения и ГПН чере никель-фосфорный подслой на стали к свинцовистые бронзы;

- разработать, утвердить и внедрить промышленную технол гею восстановления деталей из сталей и свинцовистых бронз с вшенной адгезионной прочностью;

- провести эксплутацвонную проверку деталей восстановле по разработанной технологии на стенде и в судовых условиях.

Методы и средства исследований. Для обоснования предлаг мой технологии использовались как экспериментальные, гак и а лктические методы. Экспериментальные исследования проводилис на базе центральной заводской лаборатории ¡ЛлЗ "Севморпугь". борагория аттестована, имеет свидетельство за 836 удэстове ющее наличие необходимых условий для выполнения точного и до товерного контрля качества и состава исследуемых материалов изделий к акт К 300857.150 признания 1Щ ¡,¡.13 "Севморпуть" Ре. тром России» К аналитическим относятся методы многофакторног; спершента и корреляционного анализа, югорые использованы д выбора параметре технологического процесса, которые гаракги

максимальную адгезию напыляемого покрытия.

Научная новизна работы заключается в следующем:

-разработан новый "Способ нанесения покрытий па металлическую поверхность", A.C. J'- 1672749 ог 22.0S.S2 г. (авторы Бгвыкий Б.А. и Рыбаков A.B.), обоснована его эффективность при нанесении газопламенных покрытий на стали и свинцовистые бронзы;

- разработана математическая модель газопламенного покрытия нанесенного через никель-фосфорный подслой и определены основные факторы,повышающие адгезионную прочность газопламенных покрытик,нашленных через никачь-фосфорный подслои;

- получены математические зависимости состава подслоя

о г режимов химического никелирования (кислотность ванны, время обработки, плотность загрузки, содержание гипофосфята в растворе) и математические зависимости адгезионной прочности от состава подслоя и режимов ГПН (содержание фосфора в подслое^ температура подогрева подлога®, расход порошка, толщина подслоя);

- определен оптимальный состав электролита и область оптимальных релошов химического никелирования и режимов ГПН для обеспечения максимальной адгезии покрытий,напыленных через никель-фосфорный подслой;

- построена номограмма для определения режимов химического никелирования,обеспечивающая нанесение газопламенных покрытий с повышенной адгезией к основе;

- установлена взаимосвязь адгезии от электрического потенциала поверхности обработанной детали и времени ожидания нанесения покрытия.

Практическая значимость работы состоит в разработке и внедрении в производство технологии восстановления деталей из сталей и свинцовистых бронз газопламенным напылением с повышенной адгезионной прочностью. Как показали результаты лабо -раторных и натурных испытаний применение предлагаемого способа позволило повысить адгезию на 20-25% для стальных деталей и на 300 - 400$ - для деталей из свинцовистых бронз.

Эффективность новой технологии нанесения порошковых газопламенных покрытий подтверждается результатами опытной эксплуатации восстановленных го этой технологии штоков гидро -цилиндров газовых захлопок дизелей ПЛ из стали 45, стаканов

депдБЗЛшх сальников к рабочих колес осушительных насосов из бронзы БрОЦС 5-о-5 на судах ШФ.

Реализация работ. На основе настоящих исследований разработан технологический процесс РДА.9012.3-9-1, который согласован с Главным Управлением СРЗ ВлФ к применяется на судоремонтных предпрштиях В.® России к судоремонтных предприятиях Северного региона.

Публгкаиш. По теме диссертации опубликовано 10 статей , получено I свидетельство на изобретение.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа изложена в I томе на 136 страницах, включает 39 рисунков, 19 таблиц. Список литературы содержит 87 наименований. Ряд вспомогательных материалов оформлен в приложении на 21 листе.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЬАШЖ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность теш, кратко сформулирована цель работы, определены возможные пути ее решения, изложена сущность научного подхода автора при решении проблем] технологическими приемами и обозначены конкретные этапы Teopi гических и экспериментальных исследований.

Первая глава посвящена анализу опыта применения газопла' меншх покрытий npi восстановлении деталей судового обо рудо в. ния. Статистические данные,юлученные по результатам работы ( крупных судоремонтных предприятий за период 1990 - 1994 гг. казывавт, что по объему восстанавливаемых деталей ( 26,1% ) способ газопламенного порошкового напыления занимает 2 место уступая лишь методам наплавки ( 34,1$ ).

Расширить номенклатуру деталей восстанавливаемых нашле нием мешает низкая адгезионная прочность газопламенных покры тий,не превышающая 20 - 25 МПа,тогда как руководящие докумен ты по оценке пригодности методов и способов восстановления и ношенных деталей в судоремонте требуют более высоких значенл адгезионной прочности восстанавливающих покрытий, особенно д деталей работающих в условиях сложко-напряхенпого состояния пэдвергящкхся ударам к вибрация/.;. Это заставляет либо отказ ваться от восстановления ряда деталей методом газопламенного

— О -

напыления,либо восстанавливать их с адгезионной прочностью на грани допустимых значений.

Анализ работ Кудннэва В.В., Кулика А.Я., Еорюова 10.С., Зверева А.И. и ряда исследований,посвященных изучению динамики формирования газотерлических покрытий,показывает, что сцепление ме;эду напыляемыми частицами и подложкой (адгезия) возникает в результате действия сил механического зацепления расплавленных частиц за микронеровносги поверхности, ковалентных сил и сил химического взаимодействия.

Силы первых двух типов отличаются низким уровнем, поэтому адгезионная прочность покрытий в основном зависит от того насколько полно прошла стадия химического взаимодействия. При этом для того,чтобы напыляемые частицы и подложка перешли от физического контакта к химическому взаимодействию, км совместно необходимо сообсцтгь определенную энергию получившую название энергии активации. Еа. Так как время установления химических связей при крюталлизации и охлаждении частиц на подложке весьма ограничено ( 10"^- 10~®с~* ),очень важно активировать процесс химического взаимодействия, иными еловами-использовать способы,позволяющие повысить энергетический уровень исходного состояния систеш частица-подложка Ей ( увеличением температур! и скорости напыляемых частиц, подогревом подложки, применением экзотермпчески-реагирующих порошков) и уменьшить величину энергии активации Еа, (Рис.1).

Комплекс способов и приемов,позволяющий увеличить адгезионную прочность газопламенных покрытий за счет уменьшения анергии активации Еа,получил общее название - прсдвар:тельная подготовка поверхности перед напылением.

Наиболее часто .для этих целей применяются различные виды струйно-абразивной обработки, механическая обработка (нарезка "рваной" резьбы, накатка, насечка, фрезерование и т.д.),элект-роподготовка, химическое травление к предварительное напыление подслоев.

Тем не менее практика показывает, что адгезионная прочность покрлий при газопламенном напылении как правило составляет 15-25 Ша из-за низкой энергии напыляемых частиц, что обусловлено их невысокой скоростью ( не более 200 м/сек.) и температурой ( не ше 3000°С ).

Еа - энергия активации; Ет - уменьшение величины энергии активации за счет предварительной подготовки поверхности ; Еп - уменьшение энергии активации за счет подогрева подложки; Еч - часть энергетического барьера, преодолеваемого за счет кинетической и тепловой энергии напыляемой частицы. Необходимое условие для химгческого взаимодействия: Ец > Еа -Еп -Ет.

Рис.2, микроструктура газопламенного покрлия напыленного через никель-узсфорный подслой, х 100. I - напыленное покрытие; 2 - никель-фосфорный подслой; 3 - основа.

- Б -

Анализ возможных путей повышения адгезионной прочности газопламенных покрытий проведенный автором показывает, что несмотря на обилие традиционно используемых способов и приемов подготовки поверхности недостаточно полно исследованы и практически не применяются на практике такие методы уменьшения энергии активации как изменения теплофизических свойств и структуры поверхности подложки нанесением легкоплавких подслоев с низкой энергией сеязи в решетке.

Б то же время развитие хилигческих способов осаждения позволяет в настоящее время наносить на поверхность металлов покрытия и сплавы практически любого состава с заданными свойствами. Так например методом химического восстановления № на ядре Д.?г0г из водных гигофосфитних растворов получают композиционные экзогерыически-реагирующие порошки с оболочкой,в состав которой входит 91 - S5"2 никеля и 5 - 9Î фосфэра. Практика напыления показывает, что горошки с подобной оболочкой полностью удовлетворяют требованиям высокой адгезии и когезии при ГПН. Практически не составляет груда нанести подобную композицию перед напылением на поверхность восстанавливаемого изделия в виде слоя толщиной 2-20 ыкм, в связи с чем автором выдвинуто предположение о повышении адгезии газопламенных покрытий напыленных через подобные подслои.

Проведение предварительных экспершентов показало целесообразность использования такого принципиально нового способа подготовки поверхности перед газопламенным напылением.

Вторая глава посвящена вопросу моделирования процесса газопламенного напыления через никель-фосфорный подслой.

В данном случае (pic.2) адгезионная прочность покрытия в отличие от напыления на чистый металл будет определяться двумя составляющими: прочностью сцепления напыляемых частиц с подслоем <5i и прочностью сцепления никель-фосфорного подслоя с основой бг .

Последняя для сталей и медных сплавов лежит в пределах 200 - -1ОП Ша, го этому прочность сцепления при напылении через кпкель-фоспорный подслой будег_полностью определяться б4 .

Как показано в первой главе на адгезионную прочность газопламенных порошковых покрытий основное влияние оказывают температура и скорость напыляемых частиц и температура и физическое состояние напыляемой поверхности, определяшее время вза -

имодейств:ш,необходимое для установления химической связи,определяемо е вы ракенкем:

где ^ - частота собственных колебаний атомов; N0 - чи< атомов на поверхности подлокки или частицы; N - колпчест] атомов вступивших в химическое взаимодействие; Е а - эяерп активации образования химических связей; 1г. - постоянная Е< цмана; Тк - абсолютная температура контакта:

Тк = Тп +

Ке (Тт -Та) К е + Ф^

(2)

где Тт - температура подлокки, Тп

температура частицы,

Ке, Ф^, - критертй тепловой активности и функция интеграла } роятности,определяемые по номограммам.

Адгезионную прочность южно ориентировочно оценить о тно-шением числа атомов вступивших в химический контакт к общему количеству атомов,уча.ствувдих в физическом контакте. Преобразовав выраженке(1)( юлучим:

Но

1 - ехр

Н

ехр (На/ Ь Тк)

(3)

9

При этом полнота химического взаимодействия для случаев налы: кия на чистый металл и напыления через подслои будет определи ся теплофизическими свойствами напыленной поверхности. (Табл: Анализ таблицы показывает, что теплофизические параметр кель-сюсфорного подслоя являются энергетически более выгоднш для образования прочной химической связи. С учетом предыдуще выражения увеличение адгезионной прочности при напылении чер нккель-^осФорный подслой молено выразить отношением:

= Л /

Мо/ Ыо

где Но - число агэмэв час теш г. подлоглш, находящихся в йг-зстеском контакте; N. - число атомов,вступнЕпих в химическое взаимодействие пр; напылении на Сг.45; - чксло атомов,

вступивших в химическое взаимодействие пр! напылении па никель-фосфорный подслой; К - кзэмгпцент, показывающий увеличение доли хим!гческого взаимодействия в общей адгезии при напылении через никель-фоссоршй подслой по сравнении с напылением на Ст.45.

Таблица I.

Тепло(гизические свойства стальной и шзкель-фоса'орной подло:;а<и {Ь9% нпкеля-11^ (рсфэра)

№ п/п

Наименование параметра

Значение параметра

С т. 45

N1 - Р

1. Температура плавления, С

2. Удельная теплопроводность, Вт/м0С

3. Экзотермический эффект, кДя/кг

4. Толщина окксной пленки при нагреве до 200°С, А

5. Максимально возможная температура подогрева при ГПН, °С

6. Структурное состояние подлокки

1490 50,6

80

150

880 14.1

1032 •

12 300

кристаллическое аморфное

При этом:

к « | ( к4|ка,к5, ,

(5)

где К! - коэдаицент,учитывающий увеличение химического взашо-действия за счет дополнительного подогрева подложки; К^ - за счет экзотермической реакции никель-фоозорного подслоя; К5- за счет низкой теплопроводности ннкель-фоапорного подслоя; Кд - за счет низкой температуры плавления подслоя. С учетом выражений (о),(±) коэа4'ицент К^ вычисляем по гормуле

К, =

1- ехр

ехр^Ба/Ь -ТкО.

1 - ехр

^ tа

ехр ЕаД -ТхО

(6)

Подставив табличные значения К е = 3,04, Ке + Ф,^ = 3 го фора;:ле(2] находим 1430 °К. и Т кг = 1*35° К . Пи

кяв в расчетах = 101ос~Г ; 1 а = 10~ьс; Е а = о.б'МГ1^ в = 1,4-10"23 Дж/К , голучим К4= 1,42.

Для расчета Ка принимаем Ткг= (Тк4+Тэка )• где Тэк: увеличение температуры контакта за счет теплового эффекта эк: мической реакки фосфора и никеля ( ТСЬ2 к1^~/кг). Расчеты по! вают, что в данном случае Ткасоставкт 147О3С, Подставив исз ные данные в выражение 6,получим Ка= 1,49.

При расчете К5 учитываем, что никель-фосфорный подслой ладает более низкой го сравнению со стальной подложкой тепл: водностью.с которой температура контакта связана уравнением:

Тт-

Тк --

А_1 А2

«йа. с11

А

±а

(7)

+ Ф ±

гдеТт- температура плавления материала частицы; А*., Аа -фиценгы теплопроводности частицы и годложки; , С1а - коэфф ты температуропроводности частицы и подложки.

Подставив в (б),(7) числовые значения,получим, что при шении теплопроводности подложки с 50 до 14 Вт/м°с значение к фиценга будет равно К5 = 2,13

Величину коз«;'пцента Кд .'.окно ориентировочно оценить,с нквая экспериментальные данные о взаимодействии напыляемых ч тип, и подложек с различной температурой плавления. Степень х ческого взаимодействия при этом определялась отношением два ра пятна химического взаимодействия к диаметру деформировали частицы Б х / Б.

Сравнив случаи напыления частиц никеля на подложки из А? (1 650°с, 1>х, /Х> = 0,4 ) и Ре ( Тпа = 1539, Ъх21Ъ= 0,7 ), можем числить:

Р хг

1) *л

Подставив числовые значения, ка 1';дем = 1,75

Так™ образом, сравнивая действие приведенных факторов, усиливающее химическое взаимодействие при Ш1 через никель-йосфор -1шй подслой,можно увидеть, что казднй из них в отдельности может значительно увеличить долю химического взаимодействия в общей адгезии покрытия. Оценить суммарное действие приведенных факторов в численном выражении из-за их взаимовлияния не пред-, ставляется возможным, однако, можно предполэкить, что в зависимости от типа подложки, режима ГПН и способа подготовки поверхности в случае напыления через никель-фосфорный подслой, возможно увеличение адгезионной прочности ГПП в 1,5 - 3 раза.

В третьей главе приведены результаты исследований влияния состава раствора химгческого никелирования на состав и структуру никель-фосфорного, подслоя, влияние состава подслоя и режимов газопламенного напыления на адгезионную прочность напыленных покрытий, проведена оптимизация режимов нанесения подслоя и режимов газопламенного напнления через подслой.

С целью выбора оптимального состава для нанесения никель-фосфорного подслоя были опрбованы более 30 составов растворов химического никелирования. Критерием выбора являлись: наличие эффекта повышения адгезионной прочности, стабильность работы электролита, отсутствие дефицитных и вредных компонентов, достаточно высокая (более 10 мк/час) скорость осаждения подслоя и универсальность раствора (возможность получения покрытий на сталях и медных сплавах).

В результате проведенных исследований был выбран электролит состава: сульфат никеля Ш 60/, - 25 г/л; гипофоалит наг-ркяЫаНг^О^- 2о г/л; ацетат натрш №аОНаООО- 10 г/л; амг, но уксусная кислота СгН50гК- 10 г/л и определены особенности его осаждения на стали и медные сплавы.

Данные,полученные путем химического анализа и исследования состава подслоя путем регистрации полного спектра рентгеновского излучения в отдельных точках подслоя,полученных с помощью электронного микроскопа Б - 150 "Стереоскан", показали, что основными составляющими подслоя являются фосфор и никель (присутствуют незначительные до 0,01 примеси азота и углерода). Б зависимости от режимов химического осаждения массовая доля фосфора в подслое может меняться от 3 до 20?,при этом покрытия содержащие менее 4 - 5% фосфора характеризуются кр:стал-

«ческа?', с более 8 - 9% аморфной структурой, а содержание фосфора является основным фактором определяющим структуру и физико-механические свойства подслоя.

В ходе напыления в результате термического воздействия имеет место переход материала никель-фосфорного подслоя из амыор£ногэ состояния в кристаллическое и его структура после напыления представляет собой твердый раствор фосфора в никеле с включением кристаллов Ш3Р

С целью оптимизации режимов газопламенного напыления по рошка ПТЮ-5Н был проведен полный факторный экспершент по ме тоду Бокса-Уилсона.

Основным крптер'1ем при оптимизации режимов была принята адгезионная прочность напыленного гокрлия в зависимости от р - содержания фосфора в подслое; t - температуры по догрева подложки; д - расхода горошка; Н - толщины подслоя. В ходе обработки полученных результатов с помощью сервисной программы для обработки экспериментальных данных на I ВЛ - 285 было получено следующее адекватное уравнение регрессии:

6 - 12.{ +4.7Р 4 4.94 - 1,3д -О.ЙН . (9)

Анализ полученной зависимости позволил сделать вывод, ч наибольшее влияние на прочность сцепления напыленного слоя у. основы оказывают содержание фосфора в подслое и температура подогрева подножки. В меньшей степени на адгезионную прочное влияет расход порошка, а влияние толщины подслоя незначител!

Для получения более точных зависимостей,застабилизировг часть факторов на основном уровне, проводили однофакторные э] перкменты для выявления зависимости адгезионной прочности содержания фосфора в подслое при напылении на сталь и свинцс вистую бронзу и температуры подогрева подложки (рис.3,4,5).

Анализ зависимостей(рис.3,4) показывает, что имея аналог ные тенденции изменения адгезионной прочности, в зависпмоси от содержания фосфора в подслое,они различаются по абсолютш значениям и несмотря на го, что эффект повышения адгезионно] прочности при напылении на свинцовистую бронзу в несколько \ выше, чем пр1 напылении на сталь, абсолютное значение адгезз

22 20 Л 16 14 12. 10 i Ь

Щ////////Ш

%

о.5р-0лр

6 4 ю /г й 16 а Р,%

Рис.3. Зависимость прочности сцепления от содержания фосфора в подслое при напылении порошка ПТЮ 5Н на сталь 45. 1° подл.=120°С,]> <=1,5кг/г.

<5,M Па п

ю

У f —» i ^ *

/ у

'/а

» N

< /1 ь

/ s J.I

Щ/Ш/Ш///А

Ч 6 i 10 /2 И/ 16 и р %

Рис.4. Зависимость прочности сцепления от содержания г'ос-оора в подслое при напылении порошка ПТЮ 5Н на бронзу Ер.0ЦС5-5-5; Глодл.=12сРс. Ъ = 1,5 кг/ч.

Ъ 22

20

18

16

6=/5,7«0,(T+/0'fr;2

У* N

2- s ë'ioS'OPST'vfa

/ ( V -

/ / ^ 4 i

f iî1 / » i X

/ / > tv

с / \

D 5 о ico /se ¿во ¿50 m m ¿"с

.Рис.5. Зависимость прочности сцепления от температуры подогрева подложи. 1-напыле -ние на сталь 45; 2-капыленке на сталь 45 через подслой. *Р = II.

Хмв

500

m ъво 2Û0 wo о

-W0

л {

Ш о " •

\л ! <P'171-5t&(T)

^¿LSJ . i 3 1

> t ®

M

6сц,МПа

15

16 ik /2 10 8 6 Ч

20 НО 60 80 100 Ш \Ч0 т, ч

Рис.6. сависимость поверхностного потенциала к адгезионной прочности от времени мекду подготовкой поверхности и ГШ1. 1,2 -с подслоем ; 3,1- без подслоя.

невелико и достигает небольших для ГПН значений в IG - II Ша, что объясняется низкими значения/.® адгезии к свинцовистой брон зе самого Ni - Р подслоя.

Общей тенденцией для приведенных зависимостей является на личие области оптимальных значений адгезионной прочности при содержании фосфора в подслое 9 - 13$ и температуре подогрева годложки 2ПО - 220°С.

В результате исследований установлено, что напыленное гор рыгие имеет максимальные адгезионные характеристики при содержании фосфора в подслое 11%, температуре подогрева подложки 2] толщине подслоя 6 мкм и расходе порошка 0,8 кг/г.

Так как никель-фосборная композиция обладает более высоко стойкостью к окислению на воздухе, чем стальная поверхность, е тивность поверхности деталей с напыленным подслоем будет сохре нягься в течение более длительного времени. Для изучения этой проблемы были проведены исследования зависимости говерхносгно1 потенциала и адгезионной прочности от времени мевду нанесениел подслоя и напылением. Результаты исследований приведенные на диаграмме рис.6 свидетельствуют о сохранении поверхностью с нг несенным подслоем высокой активности на протяжении 4-5 cyroi

При низких (менее 7%) к высоких (более 15%) содержаниях фосфора в подслое не удается получить прочносцепленных с основой покрытий и черезвычайно важно подобрать режимы химического осаждения подслоя для получения оптимальных значений состава никель-фосфорной композиции (9 - 13% фосфора и 91 - 87% никел?

На этом этапе исследований выяснено, что основное влияни! на содержание фосфора в подслое и его толщину оказывают такие параметр режимов химического осаждения как кислотность раствс ра pH, плотность загрузки А, время обработки Т и концентрация гипофосфкта натрия в растворе С.

Оптимизация режимов химгческого никелирования проводиласз с использованием методов планирования эксперимента по Боксу-Уилсону, при этом получены следующие уравнения регрессии:

%Р =5,7 - 2,1 pH + 1,4С ■» 0,1А ■* 0.55Т , (Ю)

Н = 10,8 + 4.5Т * 5,1рН +1,6 С-1.5 А

(II)

/б

/2

10

8

6

Ч

2

О

\

Г \ £1г£21

\ \ /

> \ ч

\ \н

\ ч

Т>=Мехр к

|

£ рН

р.Х

18 «

1к 12 /О 8 в ч г

Л •

7

Й /

/ 1

/

/ ®

4

яч/'^д

о

1р

гр д о,л!г/л

с. 7. Зависимость содержания сфора в подслое от кислотности створа. 1-С=7 г/л; 2-С=15 г/л; 40 мин.; А=1 да^л.

Рис. 8. Зависимость содержания фосфора в подслое от плотности загрузки. 1-рН=3,5; 2~рй=о,5;Т=4 Омин. С=15 г/л.

X

19 (6 /3 Ю 7

Р= 12,1+£81 >

<

-"Г Р=6М.£Т /

>__/

г

э. < 1

го

8 7 б

н

-с

ч /

/

/Л ч- р- '

/

/

)

/

1

ко бо 8о тт,мин о I/ в 12 16 го гь га с,%

с. 9. Зависимость содержания Рис. Ю.Зависимость содержания фосфора в подслое от врег. аботки. 1-А=3 дм2/л;2-

2/л ; С=15 г/л; рН=4,4. рН='М.

сфора в подслое от времени фора в подслое от концентрации га-работки. 1-А=3 дм2/л;2-А=1 . дотосфита. Т=40 мин; А=2 дм /л ;

Анализ полученных зквусгмсстеТ. показал, что е исследу? интервале варьирования ¿.-акторов наибольшее влияние на соде] нпе оосфора в подслое оказывают кислотность раствора химпче го нккежроваяуя, ¿й и концентрация гипофосфита натрия в рг воре, в меньшей степени на содержание фосфора влияет плотн; загрузки, влияние времени обработки незначительно.

Основное влияние на толщину получаемого подслоя оказыв. время обработки и кислотность раствора, с увеличением кото толщина покрытий возрастает. Б меньшей степени влияет на г: щину подслоя увеличение концентрации гипофосфита в раствор повышение плотности загрузки электролита.

Ввиду того, что влияние приведенных факторов на опред емый параметр взаимосвязано, более точную картину влкяигя дого фактора на исследуемый параметр можно получить путем гедения однофакторного эксперимента.

Зависимость содержания фосфора в подслое от кислотное раствора, концентрации гигофосфига, плотности загрузки и в мени обработки приведена на рте.5,6,7,8. Высокий коэффпцен корреляции ( 12 > 0,99) свидетельствует о адекватности по ченных уравнений регрессии.

Исследования полученных зависимостей позволило выясни чго для получения подслоя с содержанием фосфора 9 - 135? ре дщ химического никелирования необходимо выдерзивать в еле; щих пределах: рН = 4,2 - 4,6 ; А = I - 3 дм^л; Т = 30 -40 С = 15 - 20 г/л. Полученные на данном этапе результаты по: лили приступить к построению номограммы для определения с: ва подслоя при различных режимах его осаждения.

В четвертой главе описывается разработанная комплекс] технология восстановления деталей судового оборудования сталей и свинцовистых бронз газопламенным напылением с по: шенной адгезионной прочностью и приводятся результаты сте: вых и эксплугащтэнных испытаний восстановленных деталей. • санны особенности вновь вводимой в типовой технологически процесс газопламенного напыления операции нанесения никел фосфорного подслоя.

Приведена разработанная в ходе исследований номограм - рН - А - Н позволяющая б зависимости от режимов хими кого никелирования го луча ть никель-фосфорный подслой опта ного состава (рис.II).

Плотность ¿азруэки, ДмУ*

Кислотность растЬора, р11

Рис.11. Номограмма для определения содержания «юофора в подслое и его толщины в зависимости от режимов химического никелирования. Т = 30 мин. I - зона оптимальных значений К и % Р.

Стендовые испытания покрытий,нанесенных по приведенной технолога; .проводились на специально подготовленных образцах и натурных деталях.

Данные,голученные в ходе стендовых испытаний,подтверждают высокую эффективность разработанной технологии особенно лз деталей из свинцовистых бронз. Адгезионная прочность газопламенного покрытия, ПГ I9I.1 - DI (основной слой), ПТЮ 5Н (подслс нанесенного на внутреннюю поверхность стакана дейдвудного caj ника возрастает в среднем в 3,5 раза по сравнению с напыление на чистый металл.

Эксплугационные испытания деталей, восстановленных по р рэбоганной технологии, проводились на 6 стальных штоках гидр лундров газовых захлопок дизелей в течение 3 лег эксплуатиро: шихся на ПЛ проекта 641 Б и на рабочих колесах центробежных i сосов НДВС 40/30 из бронзы Бр.ОЦС 5-5-5 в течение 2 лег эксп тировавшихся на ТАВРК "Адмирал Горшков".

Разращений и отслоений восстановленного покрытия,несмог]: на жесткие условия эксплуатации (динамические нагрузки и госз яннык контакт с морской водой), не наблюдалось.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ V. ВЫВОДЫ /

1. На основании эксперментальных исследований и анализа взаимодействия напыляемых частиц и подложки при ГПН предложен способ ювышения адгезионной прочности газопламенных порошко! покрытий, заключающийся в активации напыляемой поверхности щ тем нанесения на нее перед напылением химическим осаждением н кель-фосфорного подслоя (НФП) определенного состава и толщины На предложенный способ получено авторское свидетельство A.C. 1672749 от 22.04.92 г. "Способ нанесения покрытий на мегалли ческую поверхность" В.А.Бавыюш, А.В.Рыбаков.

2. Разработана математическая модель газопламенного покрытия, напыленного через никель-фосфорный подслой,из анализа которой следует, что основными факторами, которые повышают ад гезионную прочность при нагшлениз; через подслой являются:

- высокая адгезия самих никель-фосфорных покрытий к сталям к медным сплавам (до 350 - 400 ¡Ша);

- высокая стойкость никель-фосфорных покрытий к окислени на воздухе и при повышенных температурах, что позволяет в про

recce напыления подогревать подложку до значительных (180 -253°С) температур;

- дополни тельное выделение тепловой энергии подслоем при взаимодействии с напнлкекнж частицами за счет экзотермической реакции Фосфора с никелеи (тегиювой эффект 1СБ2 кДзк/кг близок к эффекту при синтезе кнгермегаллидэв яшсель-алюмшшЮ;

- наличие ла диаграмме состояния никель-фосфор минимума температуры плавления системы при содержании фосфора II/";

- низкая теплопроводность никель-фосфорного юдслоя (в 1015 раз меньше теплопроводности чистого никеля) и исходное ам-морфное состояние подслоя.

3. Исследована микроструктура и состав никель-фосфорных подслоев,получаемых из различных электролитов и в различных режимах химического никелирования при этом выяснено, что в зависимости от режима осаждения в состав подслоя входит 5 - 20а Р и 80 - 951 Ni ;

4. Исследование особенностей химического осаждения позволило выбрать электролит химического никелирования оптимального состава для получения Б® на сталях и медных сплавах (сульфат никеля - 20 г/л, гигофосфит натрия - 20 г/л, аминоуксусная кислота - 10 г/л, уксусная кислота - 10 г/л).

5. С помощью многофакгорного эксперимента получены функции отклика второго порядка, которые позволили выявить факторы, в наибольшей степени влияющие на химический состав подслоя и адгезионную прочность ГПП, пр? этом на втором этапе!исследований проводился углубленный корреляционный анализ зависимостей химического состава НФП и адгезионной прочности ГШ от наиболее значимых факторов технологического процесса. Высокое значение коэффицента корреляции (R > Г),99) подтвердило достаточную точность проведения эксперимента.

Из полученных зависимостей следует, что наибольшее влияние на величину адгезионной прочности ГПП оказывают содержание косфора в НФП и температура подогрева подложки. Максимальное значение адгезии обеспечивается при содержании фосфора в подслое 9 - 13« и температуре подложки при напылении 180 - 250°С;

- наибольшее влияние на содержание фосфора в НФП оказывают кислотность раствора химического никелирования и концентрация гипофосфита и Для обеспечения оптимального содержания фосфора в подслое кислотность раствора химического никелирования должна поддерживаться в пределах 4,0-4,4 рН, концентрация ги-

пэФосфиге 20-25 г/л, а птоглость зпгрузкп 1-3

- талона подслоя зависит от времени обработки, кислой ти ргствора и плотности загрузки и должна находится в преде; 3-20 мкм,

6. Применение способа газопламенного напыления через Hi по сравнению с традиционными технологиями позволяет повысит! адгезионную прочность восстанавливающих покрытии в 1,2 - 1,2 раза при ГПН на низко- и среднелегированные стали и в 3 - 4 за при ГПН на свинцовистые бронзы.

7. Ввиду высокой стойкости к окислению и сохранения noi ностью восстанавливаемой детали с нанесенным, на нее НФП высо го акшвацюнного потенциала, время между подготовкой детали собственно напылением может быть увеличено с 3 - 5 до 70 - I часов.

8. Восстановление деталей СО с применением разработанно способа подготовки поверхности должно производится по следук технологической схеме:

- предварительная механическая обработка и эбезжир?вани

- нанесение шероховатости (пескоструйная обработка, нар зание "рваной" резьбы и т.д.);

- нанесение никель-фоспорного подслоя в оптимальном рея в соответствии с номограммой,пр:веденной в гл. 4 настоящей р бо ты;

- газопламенное напыление подслоя порошком ПТЮ 5Н и раб чего слоя;

- механическая обработка напыленного слоя с восстановив ем геометр® детали согласно рабочего чертежа.

9. Эксплутационяые испытания восстановленных штоков гид цилиндров из стали 45 и рабочих колес центробежных насосов : Бр.ОШ 5-5-5 показали их высокую надежность и работоспособно

10. Проведенные исследования позволили разработать и cor ласэвать с Главным управлением судоремонтных заводов ШФ Рос сип технологический процесс восстановления деталей СО газопл менными покрытиями с повышенной адгезионной прочностью и вне рить его на Мурманском морском заводе "Севморпугь", Кронштад ком ордена Ленина морском заводе (К.ЮЛЗ), судоремонтном заво г.Петропавловск-Камчатский и АО "¡/¡урманская судоверфь".

тхл.КА15з: по tk.ie ¿.cceptaul

1. Башкин В.А., Мартнин A.A. Применение -электрзэрозконкой обработки .тгдя подготовки поверхности перед гязотормгчес-ким напылением. //Технология судоремонта. - 1289 - ."г I с.33 - 37.

2. Еавнкин В.А., иаршян A.A. Гспользование никель-соспорного подслоя для повышения адгезионной прочности газотермических покрытий, материалы Всесоюзной научно-технической конференции "Восстановление и упрочнение деталей машин и оборудования газотермическим напылением и плазменной наплавкой." ОУла. 1989 - с.79.

3. Еавнкин В.А., ¡/¡аршин A.A. Повышение адгезионной прочности газотермических покрытий. //Судоремонт флота рыбкой промышленности. 1990 - J? 72 - с. 13-11.

4. Бавыкин Б.А., Рыбаков A.B. Способ нанесения покрытий на металлическую поверхность. A.C. - £ 1672749 - 1991 г.

5. Бавыкин В. А., Жильцова К. В. Повышение коррозионной стойкости восстанавливаемых деталей. //Технология судоремонта. -1991. В I с.51 - 54.

6. Бавыкин В.А., "кремов Л.В. элективные меры обеспечения прочности газотермических покрытий. //Технология судоремонта. 1992 - % 2 с.52 - 54.

7. Бавыкин В.А., Ефремов Л.В. Восстановление деталей судовых механизмов и свинцовых бронз ГПН с повышенной адгезионной прочностью. Тезисы 5-й научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава ыГАРФ. Мурманск, 1994 153 с.

8. Ефремов Л.В., Бавыкин В.А. Влияние активациошюй подготовки поверхности на адгезионную прочность газотермическпх покрытий. Обзорная информация i'1 91-94. Мурманский центр научно-технической информации, 1994 г.

9. Бавыкин В.А., Погодаев Л.П., Реутов Б.В., Горемыкпна Е.В. Восстановление деталей судового оборудования кз свинцовистых бронз методом газопламенного напыления.//Технология судоремонта. I9S5. J!= I с.59 - 60.

10. Еавнкин L.A., ЕпремоБ Л.В. "Результаты исследований методики повышения адгезионной прочности газопламенных порошковых покрытий".Тезисы 6 научно-технической конференции ¡•.¡ГАРФ. Часть I, I9S5 г. с. 43 - 44.