автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Восстановление деталей типа "вал" хромовыми и хром-кобальтовыми гальванопокрытиями при вращении в электролите

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРОИНЖЕНЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени В. П. ГОРЯЧКИ Н А

УДК 621.357.74

ВОССТАНОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ТИПА «ВАЛ» ХРОМОВЫМИ И ХРОМ - КОБАЛЬТОВЫМИ ГАЛЬВАНОПОКРЫТИЯМИ ПРИ ВРАЩЕНИИ В ЭЛЕКТРОЛИТЕ

На правах рукописи

ТИХНЕНКО Валерий Геннадьевич

05.20.03 - Эксплуатация, восстановление и ремонт сельскохозяйственной техники

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -кандидат технических наук И. Н. ВЫСТРЕЛКОВ

МОСКВА - 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................... 4

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ..............10

1.1 .электролиз и электролитическая диссоциация...........................10

1.2. особенности электрохимических реакций и гальванотехники.................................................................................13

1.3. современные исследования по разработке методов и средств восстановления деталей машин методами электрохимии.......................................................................................21

1.4. Особенности электрохимического хромирования

деталей машин.....................................................................................25

1.5. задачи исследования..........................................................................34

ГЛАВА 2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ОСАЖДЕНИЯ ХРОМОВЫХ И ХРОМ-КОБАЛЬТОВЫХ ПОКРЫТИЙ

НА ВРАЩАЮЩИЙСЯ КАТОД (ДЕТАЛЬ)......................................35

выводы и предложения..............................................................................42

ГЛАВА 3 МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ........................................................43

3.1. экспериментальное оборудование, оснастка, измерительные средства и приборы ...............................................44

3.2. подготовка образцов и деталей под покрытие............. ..............48

3.3. осаждение гальванопокрытий........................................................49

3.4. восстановление изношенных деталей..........................................50

3.5. Математическое планирование эксперимента..........................50

ГЛАВА 4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

И ИХ АНАЛИЗ......................................................................................53

4.1, Исследование условий осаждения гальванопокрытий из

стационарной ванны без вращения и при вращении деталей в электролите........................................................................................53

4.1.1. осаждение хрома без вращения деталей

в электролите..............................................................................54

4.1.2. влияние концентрации хромового ангидрида

и скорости вращения детали на микротвердость и выход по току............................................................................58

4.1.3. Влияние плотности тока, температуры и скорости

вращения катода (детали) на выход хрома по току..........61

4.1.4. Влияние плотности тока и скорости вращения катода

(детали) на микротвердость хромовых покрытий..............63

4.1.5. математическое моделирование микротвердости гальванопокрытий в зависимости от плотности тока,

скорости вращения детали и концентрации

хромового ангидрида.................................................................66

4.1.6. влияние расстояния от анода до катода

на выход хрома по току.............................................................69

4.1.7. влияние концентрации хлористого кобальта на содержание кобальта в хром-кобальтовом покрытии, выход по току и микротвердость............................................71

4.1.8. влияние скорости вращения детали в электролите на содержание кобальта в хром-кобальтовом покрытии, микротвердость и выход по току............................................73

4.1.9. влияние вращения катода в электролите

на равномерность отложения хром-кобальтовых

покрытий по длине и диамеру детали....................................75

4.2. исследование физико-механических свойств

хромовых и хром-кобальтовых покрытий и деталей................77

4.2.1. сцепляемость хромовых покрытий......................................77

4.2.2. влияние технологии осаждения хрома на усталостную прочность восстанавливаемых деталей..............................82

4.2.3. микроструктурный анализ покрытий....................................87

4.2.4. исследование износостойкости хромовых и хром-кобальтовых покрытий..............................................................90

4.2.5. эксплуатационные испытания восстановленных деталей хромом и хром-кобальтом........................................96

ВЫВОДЫ..................................................................................102

ГЛАВА 5 ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ РЕКОМЕНДАЦИИ И ТЕХНИКО-

ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ...............................105

5.1. рекомендации для производства..............................................105

5.2. охрана труда при осаждении гальванопокрытий.................106

5.3. технико-экономическая эффективность.................................112

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................................................................126

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК................................................130

ПРИЛОЖЕНИЯ............................................................................138

ВВЕДЕНИЕ

Экономический кризис 80-х - 90-х годов в СССР с последовавшими политическими к экономическими изменениями после 1990г. привел к принципиальным изменениям в аграрном секторе России, в организации сельскохозяйственного производства, системе агросервиса, производстве и сбыте биопродукции. Выросли цены на сельскохозяйственную технику, в результате чего сократилось поступление новой техники в село, увеличились сроки ее эксплуатации. В связи с этим перед агроинженерными кадрами встали новые задачи создания и обеспечения сельских товаропроизводителей высокоэффективной техникой для производства, переработки и хранения биопродукции, улучшения ее качества и снижения себестоимости, существенного совершенствования качества изготовления всех деталей сельскохозяйственных машин, создания новых методов и средств повышения износостойкости сельскохозяйственной техники, нетрадиционных методов ремонта техники и восстановления деталей, средств и методов очистки при их ремонте.

Проблема увеличения долговечности и повышения надежности сельскохозяйственной техники может решаться двумя путями /39/:

- установления факторов, способствующих износу деталей, выявления важнейших из них и разработки мер по уменьшению влияния этих факторов;

- выявления на теоретической основе способов и резервов повышения долговечности и выбора для практического использования наиболее эффективных из них посредством целенаправленного эксперимента и сравнительной оценки получаемых результатов.

Опыт показывает, что практически трудно предвидеть и учесть все те условия, в которых будет эксплуатироваться сельскохозяйственная техника. Факторы, от которых зависит износ, случайны, нет никакой возможности предсказать, как будет развиваться процесс изнашивания в отдельных случаях. Многофакторность процессов износа ориентирует исследователя на их анализ

на основе принципов теории вероятностей. Однако в результате анализа имеющейся информации исследователи приходят к неутешительному выводу: "Вероятностный подход все более сводится к бесполезным математическим упражнениям, статистическому мистицизму и другим видам профессионального шарлатанства" /12/.

Достоверность информации во втором случае обеспечивается главным образом тщательностью постановки опытов, а роль вероятностных методов не выходит за рамки той роли, которую они играют при обработке любых других экспериментальных данных.

Первые пять лет новая машина поддерживается в рабочем состоянии за счет своевременного технического обслуживания, устранения отказов крепления агрегатов, узлов и отдельных деталей. За это время износ ряда деталей топливной аппаратуры, по данным д.т.н. Ерохина М.Н. /34/, составляет от 0,3 до 1,2 мм. Устаревшая техника ремонтируется путем замены изношенных деталей новыми или восстановленными. Когда сопряженные детали изнашиваются, поддержание в работоспособном состоянии техники возможно только за счет восстановления деталей наплавкой или гальваническими покрытиями.

Потребность в восстановлении деталей наиболее полно обоснована в теории старения машин, разработанной академиком Селивановым А.И. /69/. Ниже, на стр.6, представлена блок-схема способов, применяемых в настоящее время для восстановления деталей сельхозмашин.

Применять сварочно-наплавочные способы для мелких деталей нецелесообразно из-за коробления последних. К.т.н. Ачкасов К.А. /4/ считает, что для восстановления деталей с малыми износами (от 0,1 до 0,5 мм) наиболее целесообразно применять гальванические способы, обеспечивающие требуемую твердость и износостойкость. Гальванические способы позволяют восстанавливать детали при низких температурах процесса электролиза в пределах 20... 80°С.

Д.т.н. Поляченко A.B., занимающийся в ВНИИТУВИД разработкой технологических процессов более 36 лет, считает, что гальванические способы, особенно хромирование, незаменимы для восстановления деталей с малыми износами /61/. Хромирование весьма экономично при восстановлении изношенных деталей. Поэтому над его совершенствованием работает ряд исследовательских организаций, вузов и машиностроительных предприятий. В резуль-

£

тате в последние годы появились более эффективные электролиты и режимы хромирования, разрабатываются методы повышения механических свойств хромированных деталей, в результате расширяется область применения хромирования.

Детали с износом от ОД до 1,0 мм, требующие твердость 35...65 HRc, наиболее целесообразно восстанавливать хромированием /5/. Такие детали, как поршневые пальцы, толкатели, клапаны, валики коромысел, гидроштоки навесных систем машин и подъемных механизмов, золотники гидрораспределителей, дросселей и др. восстанавливают этим способом.

Д.т.н. Батищев А.Н. в своих публикациях /6, 7, 8/ отмечает, что скорость осаждения хрома можно увеличить за счет применения тока переменной полярности.

Вайнер Я.В. и Дасоян М.А. подтверждают возможность осаждения качественных покрытий за счет автоматизации процесса электролиза /13/.

Д.т.н. Тельнов Н.Ф. считает, что получение прочного сцепления гальванических покрытий с восстанавливаемой деталью возможно при качественной ее очистке и обезжиривании и предлагает состав раствора перед нанесением покрытий /65,77/.

Электролитическое хромирование представляет значительный практический интерес в плане повышения износостойкости трущихся поверхностей, защиты от коррозии и декоративной отделки деталей, для восстановления изношенных или бракованных деталей. В результате хромирования улучшаются их эксплуатационные показатели.

Согласно высказываниям ведущих ученых по восстановлению деталей /7, 10,19, 49/, особый интерес привлекает ванный способ хромирования. Этот способ позволяет одновременно хромировать большое количество деталей в одной ванне и за счет этого иметь высокую производительность технологии. Желательно загружать в ванну детали одного типа, чтобы они получили одинаковую твердость, износостойкость, толщину слоя хрома, а так же требуемые физико-механические свойства. При восстановлении деталей хромированием ванным способом требуется поддерживать постоянную концентрацию электролита в прикатодном слое, тогда можно получить желаемые результаты.

Хотя в последние годы в технологии хромирования наметились существенные положительные сдвиги /28, 51, 53/, в ней имеются неиспользуемые пока резервы для повышения качественных показателей. Таковыми, в частности, являются: улучшение равномерности отложения покрытия на детали, повышение выхода хрома по току, уменьшение энергетических затрат и потерь хромового ангидрида, повышение производительности процесса хромирования.

Настоящая работа посвящена разработке средств и методов совершенствования технологий хромирования деталей сельскохозяйственных машин на основе исследований, проведенных в МГАУ им. В.П. Горячкина и ГОСНИТИ.

Изучены возможности совершенствования хромирования деталей машин при их вращении в растворе хромовой ванны, обеспечивая постоянство концентрации электролита в прикатодном слое электролизной установки, выявлены оптимальные условия в этой технологии для придания необходимых свойств восстанавливаемым деталям при минимизации энергетических и временных затрат.

Теоретически и практически обоснованы технологические режимы восстановления деталей хромом и хром-кобальтом при вращении их в электролите. Предложена конструкция привода для вращения деталей в процессе элек-

тролиза с заданной скоростью. Новизна предложенных разработок подтверждается патентами на изобретения №2124073 /79/ и №2130514 /86/.

Обоснованы рабочие скорости вращения деталей при осаждении гальванопокрытий, обеспечивающие повышение производительности процесса. Получена формула для определения частоты вращения деталей во время электролиза. Интерес представляет выявление факта, что в процессе электролиза с [

вращением деталей нельзя увеличивать скорость вращения выше критической величины, так как происходит разрыв электрической цепи в результате образования паровоздушной воронки у их поверхности.

Разработана технология восстановления деталей хромированием при вращении их в электролите.

Новый технологический процесс восстановления деталей хромом и хром-кобальтом внедрен на Ульянинском опытном мотороремонтном заводе Московской области.

ГЛАВА 1

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 1.1.Электролиз и электролитическая диссоциация

В 1800 г. итальянец Вольта построил первый источник электрического тока - гальванический элемент. Уже в 1802 г. химик Дэви с использованием такого устройства при пропускании тока через безводные щелочи NaOH и КОН выделил на катоде металлические натрий и калий. В настоящее время выяснилось, что эти элементы независимо тем же методом были получены русским химиком С.П.Власовым. Целый ряд опытов по электролизу окислов и солей различных металлов описан в опубликованной в 1803 г. в Петербурге работе первого русского электрохимика В.В.Петрова "Известие о гальванических опытах, которые производил профессор физики Василий Петров посредством огромной наипаче батареи, состоящей иногда из 4200 медных и цинковых кружков и находящейся при С.-Петербургской медико-хирургической академии". В то же время В.В.Петров открыл и электрическую дугу, которая теперь широко применяется во всем мире.

В 1834 г. англичанин Фарадей установил законы разложения растворенных и расплавленных веществ, носящие теперь его имя:

- количество вещества т, выделяющегося на электроде, пропорционально количеству протекающего при этом электричества q (силе тока / и

времени его течения t)

т = С-q = С-I-t ,кг, (1.1.)

- электрохимический эквивалент вещества С, константа для данного химического элемента в определенном валентном состоянии, пропорционален

его химическому эквиваленту A/Z, где А - атомная масса химического элемента, Z - его валентность

С = A/F - Z, кг/Кл, (1.2.)

где постоянная F, равная заряду одного моля электронов

F = q3-Na=l,6-10"19 • 6,023 • 1023 * 96400 Кл/моль, (1.3.)

%

получила название числа Фарадея. Его на практике гальваники-ремонтники часто выражают числом 26,8 А • ч/моль.

Если в процессе электролиза на электрод одновременно осаждается несколько веществ, то уравнение (1.1.) записывают в обобщенной форме:

т = ц - С -I -t, (1.4.)

где коэффициент Т] показывает относительный выход металла по току.

Как видно из уравнения (1.1.), количество осажденного металла из конкретного раствора электролита зависит от силы тока и продолжительности электролиза. Продолжительность электролиза и величина тока находятся в тесной зависимости от скорости диффузии ионов металла к прикатодному слою электролита из отдаленных слоев и от скорости их разряда.

Согласно (1.4), толщина электрохимического осадка может быть оценена по величине тока / и продолжительности процесса t:

S= 7] - С -I ■ t/p, (1.5.)

а интенсивность осаждения по формуле:

dS/dt = rj-C'I /р, (1.6.)

где р - плотность осаждаемого металла.

Однако расчет по формуле (1.5.) дает представление лишь о средней толщине осадка. Фактически ток распределяется по поверхности катода неравномерно, особенно при покрытии изделий сложной конфигурации. В ре-

зультате толщина покрытия оказывается неодинаковой на различных участках катода, не достигающей в отдельных местах минимально допустимой. Это приводит к ухудшению коррозионных, защитных, механических и других свойств покрытий. В некоторых случаях при восстановлении сложнопрофили-рованных изделий, имеющих узкие трещины, отверстия, углубления и др., вообще не удается получить сплошного слоя осадка.

Законы Фарадея принадлежат к числу таких, которые не имеют исключений. Они помогли в последующем выяснить фундаментальную квантовую электромагнитную природу материи. Явление электролиза позволило разлагать сложные химические соединения на элементарные составляющие, осуществлять некоторые аналитические определения и получило широкое применение в технике для покрытия различных металлических поверхностей коррози-онно устойчивыми или лучшими по другим физическим характеристикам металлами и изготовления металлических рельефных тонкослойных копий неметаллических предметов.

Фарадей не понял всех тонкостей электролиза. Он считал, что именно ток подвергает химическому разложению вещества - электролиты, молекулы которых распадаются под