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

Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций

На правах рукописи

^ БАВЫКИН Владимир Алексеевич

ТЕХНОЛОГИЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ СУДОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ ГАЗОПЛАМЕННЫМИ ПОКРЫЖЯШ С ПОВЫШЕННОЙ АДГЕЗИОННОЙ ПРОЧНОСТЬЮ

05.С8.СЙ - Технология судостроения, судоремонта и организация судостроительного производетва

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1936

Работа выполнена на кафедре технология металлов к судоремонта ;.!;р.;анской государственно}: академик рыбопромыслового ("лота (¡.ТАРф).

Научный руководитель: 0;-кщ:.альные оппоненты:

Ведущее предприятие:

доктор технических наук, профессор Ефремов Л. В.

доктор технических наук, просуессор Суыерккн Г.В.

кандкдаг технических наук Бочаров А.£.

Центральный конструктор-ско-технологический институт судоремонта ВМФ

Защита диссертации состоится "

Л."

Л/С/А 1936 года

в // часов е аудитории В 235 на заседании Диссертационного Совета Д 116.01.01 при Санкт-Петербургском государственном ункЕер-сг.гете ео.щшх коммуникаций по адресу: 198035, г.Санкт-Петербург, ул.¿к'некая 5/7.

С диссертацией мокко ознакомиться в библиотеке университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью просим направлять на имя ученого секретаря Совета по указанному адресу.

Автореферат разослан 2.5" ма^та 1956 года Ученый секретарь

Диссертационного Совета /Ю В. х\. ¿оперев

ОЩАЯ лАРАКТЕИ.СТт РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. В ряде отраслей промышленности, в том числе в судоремонте, игроков распостранение получил способ восстановления и упрочнения деталей машин газопламенным порошковым напылением (ПП1), 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 ГПН 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 зарубежных 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,или с разработкой новых^порошков, способствующих повышению адгезионной прочности.

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

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

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

зг.энкой прочностью.

В основу технологии положен предложенный автором к запатентованный способ заключающийся в том, что в технологический процесс восстановления после механической подготовки перед ГПН порошка вводится дополнительная операция химического осаждения на поверхность детали стогкого к окислению, легкоплавного, про1 носцепленного с основой, химически активного никель-фосфорного подслоя, который при соответствующем химическом составе в сочетании с оптимальными режимами напыления обеспечивает увеличение адгезии наносимых покдетий.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- исследовать влияние состава ванны химического никелирования и режимов осаждения на структуру и состав никель-фосфорного подслоя;

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

- определить оптимальный состав никель-фосфорного подслоя и оптимальный режим ГПН через никель-фосфорный подслой, обеспечивающие получение пократий с максимальной адгезионной прэч -ностью;

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

- разработать, утвердить и внедрить промышленную технологию восстановления деталей из сталей и свинцовистых бронз с повышенной адгезионной прочностью;

- провести эксплутацконную проверку деталей восстановлении по разработанной технологии на стенде и в судовых условиях.

Методы и средства исследований. Для обоснования предлагаемой технологии использовались как экспериментальные, так и аналитические методы. Экспериментальные исследования проводились на базе центральной заводской лаборатории ШЗ "Севморпуть". Лаборатория аттестована, имеет свидетельство за й 836 удостоверяющее наличие необходимых условий для выполнения точного и дос -товерного контроля качества и состава исследуемых материалов и изделий и акт гё 900857.150 признания ЦЗЛ ШЗ "Севморпуть" Регистром России* К аналитическим относятся методы ыногофакторного э; спершента и корреляционного анализа, которые использованы для выбора параметров технологического процесса, которые гарантирую:

максимальную адгезию напыляемого покрытия.

Научная новизна работы заключается в следующем:

-разработан новый "Способ нанесения покрытий на металлическую поверхность", A.C. 11 I6727Í9 от 22.09.92 г. (автора Бавыкин В.А. и Рыбаков А.Б.), обоснована его эффективность при нанесен™ газопламенных покрытий на стали и свинцовистые бронзы;

- разработана математическая модель газопламенного покрытия нанесенного через никель-фосфорный подслой и определены основные фактора,повышающие адгезионную прочность газопламенных по критик, напыленных через нккачь-фосфорный подслои;

- получены математические зависимости состава подслоя от режимов химического никелирования (кислотность ванны, время обработки, плотность загрузки, содержание гиюфосфита в растворе) и математические зависимости адгезионной прочности от состава подслоя и режимов ГПН (содержание фосфора в подслое, температура юдогрева подложки, расход порошка, толщина подслоя) ;

- определен оптимальный состав электролита и область оптимальных режимов 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 - 400/5 - 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

дейцвудных сальников и рабочих колес эсушгтелышх насосов из бронзы БрОЦС 5-5-5 на судах ШФ.

Реализация работы. На основе настоящих исследований разработан технологический процесс РДА.9012.3-9-4, который согласован с Главным Управлением СРЗ ЗлФ и применяется на судоремонтных предприятиях ВЛФ России и судоремонтных предприятиях Северного региона.

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

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав к 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 СОДЕРЬАНИ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность теш, кратко сформулирована цель работы, определены возможные пути ее решения, изложена сущность научного подхода автора прт решении проблемы технологическими приемами и обозначены конкретные этапы теоретических и экспериментальных исследований.

Первая глава посвящена анализу опыта применения газопламенных покрытий пр1 восстановлении деталей судового оборудования. Статистические данные,полученные по результатам работы 6 крупных судоремонтных предприятий за период 1990 - 1994 гг. показывают, что по объему восстанавливаемых деталей ( 26,1$ ) способ газопламенного порошкового напыления занимает 2 место уступая лишь методам наплавки ( 34,1$ ).

Расширить номенклатуру деталей восстанавливаемых напылением мешает низкая адгезионная прочность газопламенных покрытий,не превышающая 20 - 25 МПа, тогда как руководящие документы по оценке пригодности методов и способов восстановления изношенных деталей в судоремонте требуют более высоких значений адгезионной прочности восстанавливающих покрытий, особенно для деталей .работающих в условиях сложно-напряженного состояния к подвергающихся ударам и вибрациям. Это заставляет либо отказываться от восстановления ряда деталей методом газопламенного

— о —

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

Анализ работ Кудинова В.В., Кулика А.Я., Борисова 1С-.С., Зверева А.!^. и ряда исследований, посвященных изучению динамики формирования газотермических покрытий,показывает, что сцепление между напыляемыми часп:цами и подложкой (адгезия) возникает в результате действия сил механического зацепления расплавленных частиц за ыккронеровносги 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 частниц и подложка перешли от физического контакта к химическому взаимодействию, ил совместно необходимо сообщить определенную энергию получившую название энергии активации. Еа. '. Так как время установления химических связей прт кристаллизации и охлаждении частиц на подложке весьма ограничено ( 10"^с--'- )(очень важно ак-

тивировать процесс химического взаимодействия, иными словами-использовать способы,позволяющие повысить энергетический уровень исходного состояния систеш частица-подложка Ей ( увеличением температуры и скорости напыляемых частиц, подогревом подложки, применением экзотермически-реагирующих порошков) и уменьшить величину энергии активации Еа, (Рпс.1).

Комплекс способов и приемов,позволяющий увеличить адгезионную прочность газопламенных покрытий за счет уменьшения энергии активации Еа,получил общее название - предварительная 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 и предвар1 тельное напыление подслоев.

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

Рис.1. Схема изменения потенциальной энергии системы атомов материала частицы и подложки при химическом взаимодействии.

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

Рис.2. Микроструктура газопламенного покрлткя напыленного через никель-уосфоршй подслой, х 100. I - напыленное гокртие; 2 - нпкель-ц'осфорный подслой; 3 - основа.

- £ -

Анализ возможных путей повышения адгезионной прочности газопламенных покрытий проведенный автором показывает, что несмотря на обилие традиционно используемых способов к 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 связи в решетке.

В то же время развитие химических способов осаждения позволяет в настоящее время наносить на поверхность металлов покрытия и сплавы практически любого состава с заданными свопства-ми. Так например методом химического восстановления № на ядре АРг05 из водных гипофосфитных растворов получают композиционные экзотермически-реагирующие горошки с оболочкой,в состав которой входит 91 - 95^ никеля и 5 - 91 фосфора. Практика напыления показывает, что горошки с подобной оболочкой годностью удовлетворяют требованиям высокой адгезии и когезии при ПИ. Практически не составляет труда нанести подобную композицию перед напылением на поверхность восстанавливаемого изделия в виде слоя толщиной 2-20 мкм, в связи с чем автором выдвинуто предположение о повышении адгезии газопламенных покрытий напыленных через подобные подслои.

Проведение предварительных экспериментов" 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 (рис.2) адгезионная прочность покрытия в отличие от напыления на чистый металл будет определяться двумя составляющими: прочностью сцепления напыляемых частиц с подслоем б4 и прочностью сцепления никель-фосфорного подслоя с основой <5г .

Последняя для сталей и медных сплавов лежит в пределах 200 - -ЮГ) Ша, т этому прочность сцепления при напылении через никель-фосфорный подслой будет полностью определяться б4 .

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

кгадействпя,необходимое для установления химической связи,определяемое выражением:, •

где ^

- частота собственных колебаний этомое; N0 - число атомов на поверхности подложки или частицы; М - количество атомов вступивших в химическое взаимодействие; Е а - энергия активами: образования химических связей; Ь. - постоянная Еоль-цмана; Тк - абсолютная температура контакта:

= Тп +

Ке (Тгл -Тп) Кб +

(2)

7

где Тт - температура подложки, Тп - температура частицы, Ке, Ф<а - критерий тепловой активности и функция интеграла вероятности, определяемые по номограммам.

Адгезионную прочность можно ориентировочно оценить отношением числа атомов вступивших в химический контакт к общему количеству атомов,уча ствующих в физическом контакте. Преобразовав выражение(I), получи/,1:

, Г Н_1 т

Пр этом полнота химического взаимодействия для случаев напыления на чистый металл и напыления через подслой будет определяться теплофизическими свойствами напыленной поверхности. (Таблица!

Анализ таблицы показывает, что теплофизические параметры ни кель-фосфорного подслоя являются энергетически более выгодными для образования прочной химической связи. С учетом предыдущего выражения увеличение адгезионной прочности при напылении через никель-фоспорный подслой можно выразить отношением:

к .Л/,

N0/ Ыо

где Но - число атомов частицы и подкопа?, находящихся в гсу-зтгческом контакте; N - число атомов.вступиЕпих в химическое взаимодействие пр; напылении на Ст.45; N1 - число атомов, вступивших в хим!тческое взаимодействие при напылении па никель-фосфорлый поделок; К - коэффпцент, показывающий увеличение доли химического взаимодействия в общей адгезии при напылении через шткель-фосфорный подслой по сравнении с напылением на Ст.45.

Таблица I.

ТеплоГпизические свойства стальной и никель-фо спорной подло:™ (89$ никеля-П^ фосфора)

£ № п/п

Наименование параметра

Значение параметра

Ст.45 ! № - Р

1. Температура плавления, С

2. Удельная теплопроводность, Вт/м°С

3. Экзотермический эффект, кДД/кг

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

5. Максимально возмогшая температура подогрева при ГШ, °С

1490 50,6

80

150

880 14,1

1032

12 300

6. Структурное состояние подложки

кристаллическое ам^ордшое

При этом:

К - ? ( к4,кв ,к5, КА) ,

(5)

где К^ - коэффицент,учитывающий увеличение химического взаимодействия за счет дополнительного шдогрева подложки; К2 - за счет экзотермической реакции никель-фосфорного подслоя; К5 - за счет низкой теплопроводности никель-фосфорного подслоя; К^ - за счет низкой температуры плавления подслоя. С учетом выраженийкоэффицент К.1 вычисляем по формуле

К,

1- ехр

ехр ( Ба/Ь • Т-Кг.).

{-ехр

ехр ( Еа/Ь -ТкО

(6)

Подставив табличные значения К. е = 3,01, Ке Ф^ = 5,3-по форнуле(2/находим 1430 °К к Т.кг = 1*65° К . При-

няв в расчетах ^ = Ю^с"1 \ 1а = Ю~°с; Еа = о.б'М-1® Д: ^ = 1,4-Ю-23 К , получим К4= 1.42.

Для расчета Кг принимаем Ткй= (Тк4+Тэкз )> где Тэкз ■ увеличение температуры контакта за счет теплового эффекта экзо' мической реакки фосфора и никеля ( 1ГБ2 к^к/кг). Расчеты пока: вают, что в данном случае Тка составит 1470°С. Подставив исхо; ные данные в выражение 6, получим Кй= 1,49.

При расчете К5 учитываем, что никель-фоспорный подслой о< ладает более низкой по сравнению со стальной подложкой тешпщ водностью, с которой температура юн так та связана уравнением:

Тк =

Т А1 л с!а сц

а* а2 ' «7 +

(7)

гдеТт- температура плавления материала частицы; А*, Ае - кс адщенгы теплопроводности частицы и подложки; с1а, - коэффш. ты температуропроводности частицы и подложки.

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

Величину коэффицента К/, можно ориентировочно оценить,сра нивая экспериментальные данные о взаимодействии напыляемых час тиц и подложек с различной температурой плавления. Степень хим ческого взаимодействия при этом определялась отношением дкаме ра пятна химического взаимодействия к диаметру деформированной частицы Х>х/ Ь.

Сравнив случаи напыления частиц никеля на подложки из А? (Тп/ 660°С, 1>х,/1) = 0,4 ) и Те ( Т™ = 1539, I)х2/Ь= 0,7 ), можем в числить:

к,

Т)Ха

Б х<

Подставив числовые значения,найдем 1,75

Таким образом, сравнивая действие приведенных Сакго ров, усиливающее химическое взаимодействие при ГШ через никель-йосфор -ный подслой,можно увидеть, что каждый из них в отдельности может значительно увеличить долю химического взаимодействия в общей адгезии покрытия. Оценить сул'марное действие приведенных факторов в численном выражении из-за их взаимовлияния не представляется возможным, однако, можно предположить, что в зави -симости 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 химического 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 напыления через подслой.

С целью выбора оптимального состава для нанесения никель-фосфорного подслоя были опробованы более 30 составов растворов химического никелирования. Критерием выбора являлись: наличие эффекта повышенш 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 БО/, - 25 г/л; гипофосот.т иат-р;я ЫаН2Р0£- 25 г/л; ацетат натрш МаОН4СОО- 10 г/л; амкиоуксус-ная кислота 0еН50гЫ- 10 г/л к определены особенности его осаждения на стали и медные сплоеы.

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 201!,при этом покры-ия содержащие менее 4 - 5% фосфора характеризуются кр:стал-

лкческо?, с более 8 - 9-' ак^-оршой структурой, а содержание фосфора является основным фактором определяющим структуру к Физико-механические свойства подслоя.

В ходе напыления в результате термического воздействия имеет место переход материала никель-фосфорного подслоя из аммор:1ного состояния в кристаллическое и его структура после напыления представляет собой гвердай раствор фосфора в никеле с включением кристаллов №3Р

С целью оптимизации режимов газопламенного напыления горшка ПТ1С-5Н был проведен полный факторный эксперимент го методу Бокса-Уилсона.

Основным кр: теряем при оптимизации режимов была принята адгезионная прочность напыленного покрытия в зависимости от Р - содержания фосфора в подслое; 1 - температуры подогрева подложки; д - расхода порошка; Н - толщины год-слоя. Б ходе обработки полученных результатов с помощью сервисной программы для обработки экспериментальных данных на I ВЫ - 285 было получено следующее адекватное уравнение регрессии:

6 -12,1 + 4.7Р -И.91 - 1,5<2 -0.6Н . (9)

Анализ полученной зависимости позволил сделать вывод, что наибольшее влияние на прочность сцепления напыленного слоя и основы оказывают содержание фосфора в подслое и температура подогрева подложки. В меньшей степени на адгезионную прочность влияет расход порошка, а влияние толщины подслоя незначительно,

Для получения более точных зависимостей,застабилизировав часть факторов на основном уровне, проводили однофакгорные эксперименты для выявления зависимости адгезионной прочности от содержания фосфора в подслое при напылении на сталь и свинцо -вистую бронзу и температуры подогрева подложки (рис.3,4,5).

Анализ зависимостей (рис.3,4) показывает, что имея аналогичные тенденции изменения адгезионной прочности, в зависимости от содержания фосфора в подслое,они различаются по абсолютным значениям и несмотря на то, что эффект повышения адгезионной прочности при напылении на свинцовистую бронзу в несколько раз выше, чем пр! напылении на сталь, абсолютное значение адгезии

- к -

Сэ.МПа

22 20 11

16 И

12 10 i Ь

5,МПа

1Z

ю

А б a ю ¡2 й ¡6 a Ptf,

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

t — V i * < »

/ y N

/ °

¡i * V

h

1 / у..

/ 1 M

ww/mm//<

>< Ь I 10 12 H 16 11 р%

Рис.4. Зависимость прочности сцепления от содержания фосфора в подслое пр: напылешят порошка ПТЮ 5Н на бронзу Ер.0ЦС5-5-5; Гподл.=12СЯс. D = 1,5 кг/ч.

О 50 tOO tso ¿00 Z50 iao iSO l°C

Рис.5. Зависимость прочности сцепления от температуры подогрева подложки. 1-напкле -ние на сталь 45; 2-капыление на сталь 45 через подслой.

= II.

, 1 /

• » л «

\ф 4>47i-5t&(T)

с | 3 l

1 "

h

бсц, МПа i8 16 H 12 10 8

6 Ц

20 40 60 80 100 120 m Т, и

Рпс.о. Зависимость поверхностного потенциала и адгезионной прочности от времени между подготовкой поверхности и ГПН. 1,2 -с подслоем ; o,i- без подслоя.

невелико и достигает небольших для ГПК значений в 10 - II Ша, что объясняется низкими значениями адгезии к свинцовистой бронзе самого Ш- Р подслоя.

Общей тенденцией для приведенных зависимостей является наличие облаете оптимальных значений адгезионной прочности при содержании фосфора в подслое 9 - 13% и температуре подогрева подложки 200 - 220°С.

В результате исследований установлено, что напыленное'покрытие имеет максимальные адгезионные характеристики при содержании фосфора в подслое 11%, температуре подогрева подложки 2Ю°С толщине подслоя 6 мкм и расходе горошка 0,8 кг/г.

Так как никель-фосфорная композиция обладает более высокой стойкостью к окислению на воздухе, чем стальная поверхность, активность поверхности деталей с напыленным подслоем будет сохраняться в течение более длительного времени. Для изучения этой проблемы были проведены исследования зависимости поверхностного потенциала и адгезионной прочности от времени между нанесением подслоя и напылением. Результаты исследований приведенные на диаграмме рис.6 свидетельствуют о сохранении поверхностью с нанесенным подслоем высокой активности на протяжении 4-5 суток.

При низких (менее 7%) и высоких (более 15;?) содержаниях фосфора в подслое не удается получить прочносцепленных с основой покрлий и черезвычайно важно подобрать режимы хил; че ста го осаждения подслоя для получения оптимальных значений состава никель-фосфорной композиции (9 - 13% фосфора и 91 - В7% никеля).

На этом этапе исследований выяснено, что основное влияние на содержание фосфора в подслое и его толщину оказывают такие параметры режимов химического осаждения как кислотность раствора рН, плотность загрузки А, время обработки Т и концентрация гипофосфига натрия в растворе С.

Оптимизация режимов химического никелирования проводилась с использованием методов планирования эксперимента го Боксу-Уилсону, при этом получены следующие уравнения регрессии:

%Р = 5,7 - 2.1 рН ♦ 1/4С ч О,¿А + 0.55Т , (га)

НИ0.8+4.5Т * 5,1 РН+ 1,6 0-1,5 А

(II)

16 и 1г ю 8 б ч 2 о

\

\ / \ 11252 Еу(-ф-

\ \ /

Л 2 \ \

\ \

\ \ V

\ Г*4

1 1

5 рн

18 К /</ 12 10 8 6 Н I

А

> /

я /

А / ►

/ •

1 »__

-"в р^игль

ч>

гр А Д-и'/л

Рис. 7. Зависимость содержания Рис. 8. Зависимость содержания

фосфора в подслое от кислотности фосфора в подслое от плотности заг-

раствора. 1-С=7 г/л; 2-С=15 г/л; рузки. 1-рН=3,о; 2-рК=5,5;Т=40мин.

Т=40 мин.; А=1 дг//л. С=15 г/л.

V/.

19 16 /3 Ю 7

р= 12,1*581 \

|

У .

2 г

о. <

а 7 6 5

ЧГ

г

/

Л , п. /

/ 4—— 0,1-ь 0,8/с

/

/

/

1

20

М 60

80 МОТ,мин '' О Ц В 12 16 20 2к 28 С,%

Рис.9. Зависимость содержания Рис.Независимость содержания фос-фосфора в подслое от в рек обработки. 1-А=3 дм2/л;2-

дм2/л ; С=15 г/л; рН=4,4. 01=4,4.

фосфора в подслое от времени Лора в подслое от концентрации ги-обработки. 1-А=3 дм2/л;2-А=1 . пойосфкта.Т=40 мин; А=2 дм /л ;

Анализ полученных зЕБ'/симэсгеЙ показал, что в исследуемом интервале варьирования фактороЕ наибольшее влияние на содерка-ние сосфора в подслое оказывают кислотность раствора химического никелирования, рй и концентрация гипофосфита натрия в растворе, в меньшей степени на содержание фосфора влияет плотность загрузки, влияние времени обработки незначительно.

Основное влияние на толщину получаемого подслоя оказывает время обработки и кислотность раствора, с увеличением которых толщина покрытий возрастает. Б меньшей степени влияет на толщину подслоя увеличение концентрации гипофосфига в рас тюре и повышение плотности загрузки электролита.

Ввиду того, что влияние приведенных факторов на определяемый параметр взаимосвязано, более точную картину влияния каждого фактора на исследуемый параметр можно получить путем проведения эднэфакторного эксперимента.

Зависимость содержания фосфора в подслое от кислотности раствора, концентрации гигофосфита, плотности загрузки и времени обработки приведена на р?с.5,6,7,8. Высокий коэффицент корреляции ( 12 > 0,99) свидетельствует о адекватности полученных уравнений регрессии.

Исследования полученных зависимостей позволило выяснить, что для получения подслоя с содержанием фосфора 9 - 135? режимы химического никелирования необходимо выдерживать в следующих пределах: рН = 4,2 - 4,6 ; А = I - 3 дм^л; Т = 30 -40 мин С = 15 - 20 г/л. Полученные на данном этапе результаты позволили приступить к построению номограммы для определения состава подслоя при различных режимах его осаждения.

В четвертой главе описывается разработанная комплексная технология восстановления деталей судового оборудования .из сталей и свинцовистых брнз газопламенным напылением с повышенной адгезионной прочностью и приводятся результаты стендовых и эксплуташонных испытаний восстановленных деталей. Описании особенности вновь вводимой в и:повой технологический процесс газопламенного напыления операции нанесения никель -фосфорного подслоя.

Приведена разработанная в ходе исследований номограмма - рН - А - Н позволяющая в зависимости от режимов химического никелирования получать никель-фосфорный подслой опгималь ного состава (рис.II).

Плотность лазрузки, 0,м*Ь

Кислотность рост бора, рН

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

Стендовые испытания покрики,нанесенных го приведенной технологии.проводились на специально подготовленных образцах и натурных деталях.

Данные.полученные в ходе стендовых испытаний,подтверждают высокую эффективность разработанной технологии особенно для деталей из свинцовистых бронз. Адгезионная прочность газопламенного покрытия, ПГ 191.1 - 01 (основной слой), НТК 5Н (поделок нанесенного на внутреннюю поверхность стакана дейдвудного сальника возрастает в среднем в 3,5 раза по сравнению с напылением на чистый металл.

Эксплугэционные испытания деталей, восстановленных по раз работанной технологии, проводились на 6 стальных штоках ггдроп лгндров газовых захлопок дизелей в течение 3 лег эксплуатирова шкхся на ПЛ проекта 641 Б и на рабочих колесах центробежных на сосов НЦВС 40/30 из бронзы Бр.ОПС 5-5-5 в течение 2 лег эксплу тировавшихся на ТАВРК "Адмирал Горшков".

Разрушений и отслоений восстановленного покрытия,несмотря на жесткие условия эксплуатации (динамические нагрузки и постоянный контакт с морской водой), не наблюдалось.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ Y. ЕЫЕОДЫ /

1. На основании экспершентальных исследований и анализа взаимодействия напыляемых частиц и подложки при ГПН предложен способ повышения адгезионной прочности газопламенных порошковы: покрытий, заключающийся в активации напыляемой поверхности путем нанесения на нее перед напылением химическим осаждением никель-фосфорного подслоя (НФП) определенного состава и толщины. На предложенный способ получено авторское свидетельство A.C. № 1672749 от 22.Oi.S2 г. "Способ нанесения покрытий на металли -ческую поверхность" В.А.Бавыкин, А.В.Рыбаков.

2. Разработана математическая модель газопламенного покрытия, напыленного через никель-фосфорный подслой,из анализа которой следует, что основными факторами, которое повышают адгезионную прочность при напылении через подслой являются:

- высокая адгезия самих никель-фосфорных покрытий к сталям и медным сплавам (до 350 - 400 ¡.'Ла);

- высокая стойкость нлкель-фосфорннх покрытий к окислению на воздухе и пр? повышенных температурах, что позволяет в про-

recce напыления подогревать подлэхжу до значительных (180 -25СРС) температур;

- дополнительное выделение тепловой энерп;и подслоем при взаимодействии с напыляемыми частицами за счет экзотермической реакции фосфора с никелем (тепловой эффект 1СБ2 кДк/кг близок к эффекту при синтезе интерметаллидов никель-алюминий);

- наличие на диаграмме состояния никель-фосфор минимума температуры плавления системы при содержании фосфора Il£;

- низкая теплопроводность нлкель-фосфорнзго подслоя (в 1015 раз меньше теплопроводности чистого никеля) и исходное ам-моррное состояние подслоя.

3. Исследована микроструктура и состав яикель-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 - 2СР и 80 - 952 Ni ;

4. Исследование особенностей химического осаждения позволило выбрать электролит химического никелирования оптимального состава для получения НЗД на сталях и медных сплавах (сульфат никеля - 20 г/л, гипофосфит 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 ПГО, при этом на втором эгапечисследований проводился углубленный корреляционный анализ зависимостей химического состава НФП и адгезионной прочности ГПП 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 ссосфора в НФП и температура подогрева подложки. Максимальное значение адгезии обеспечивается npi содержании фосфора в подслое 9 - 12>% и температуре подложки при напылении 180 - 250°С;

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

пэФзсфкте 20-25 г/л, а гиоттсгь загрузки 1-3 до2/л.

- толщина подслоя зависит от времени обработки, кислотности раствора и плотности загрузки к должна находится в пределах 3-20 мкм.

6. Применение способа газопламенного напыления через №И1 по сравнению с традиционными технологиями позволяет повысить адгезионную прочность восстанавливающих покрлий в 1,2 - 1,25 раза пр: ГШ на низко- и среднелегироЕанные стали и в 3 - 4 раза при ПШ на свинцовистые бронзы.

7. Ввиду высокой стойкости к окислению и сохранения повер: костью восстанавливаемой детали с нанесенным, на нее НФП высоко го акгивациэнного потенциала, время между подготовкой детали и собственно напылением может быть увеличено с 3 - 5 до 70 - 100 часов.

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

- предварительная механическая обработка и обезжиривание;

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

- нанесение никель-фосфорного подслоя в оптимальном режим« в соответствии с номограммой,приеденной в гл. 4 настоящей работы;

- газопламенное напыление подслоя порошком ПТЮ 5Н и рабочего слоя;

- механическая обработка напыленного слоя с восстановлением геомегрп? детали согласно рабочего чертежа.

9. Эксплутационные испытания восстановленных штоков гидроцилиндров из стали 45 и рабочих колес центробежных насосов из Бр.ОЦС 5-5-5 показали их высокую надежность и работоспособность

10. Проведенные исследования позволили разработать и cor -ласовать с Главным управлением судоремонтных заводов ЕМФ России технологический процесс восстановления деталей СО газопламенными покрытиями с повышенной адгезионной прочностью и внедрив его на ¡/¡урмэнском морском заЕоде "Севморпуть", Кронштадс-ком ордена Бенина морском заводе (Е.ЮЛЗ), судоремонтном заводе г.Петропавловск-Камчатский и АО 'Мурманская судоверфь".

тхл.КАЦ.т, по тк.;ь ¿.cceftau'j.

1. Бавыкин В.А., Маркнин A.A. Применение электроэрозконной обработки для подготовки поверхности перед гязотермичес-ким напылением. //Технология судоремонта. - 1289 - '.': I с.33 - 37.

2. Еавыкин В.А., ¡.¡арчкин A.A. Гспользованг.е никель-оТоето рнз-го подслоя ддя повышения адгезионной прочности газотермических покрлий. »¡атершлы Всесоюзной научно-технической конференции "Восстановление и упрочнение деталей машин и оборудования газотермическим нзпылением и плазменной наплавкой." Тула. 1989 - с.79.

3. Бавыкин В.А., ¡.'¡артнин A.A. Повышение адгезионной прочности газотермических покрытий. //Судоремонт флота рыбкой промышленности. 1990 - J."? 72 - с. 13 - И.

4. Бавыкин В.А., Рыбаков А.Ю. Способ нанесения покрытий на металлическую поверхность. A.C. - К 16 72749 - 1991 г.

5. Бавыкин В.А., Ьильцова Г. В. Повышение коррозионной стойкости восстанавливаемых деталей. //Технология судоремонта. -1991. № I с.51 - 54.

6. Бавыкин В.А., Тфремов Л.В. Эффективные меры обеспечения прочности газотермических покрытий. //Технология судоремонта. 1992 - Js 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 ¡..ГАР-а». Мурманск, I9S4 153 с.

8. Ефремов J1.В., Еавыкин В.А. Влияние активациошюй подготовки поверхности на адгезионна прочность газотермических покрытий. Обзорная информация J' 91-94. Мурманский центр научно-технической информации, 1994 г.

9. Бавыкин В.А., Пэгэдаев Л.П., Реутов Б.В., Горемыкина Е.В. Восстановление деталей судового оборудования из свинцовистых бронз методом газопламенного напыления.//Технология судоремонта. 1955. Г; I с.59 - G0.

10. Еавыкин L.A., ЕпремоЕ Л. В. "Результаты исследований мето-дикп повышения адгезионной прочности газопламенных порошковых покрытий".Тезисы 6 научно-технической конференции г.ТАРФ. Часть I, I9S5 г. с. 43 - 44.