Разработка комбинированного процесса получения беспористых износостойких хромовых покрытий для высокоресурсных изделий

Современный этап развития производства характеризуется повышенными требованиями к качеству и долговечности выпускаемых машин. Для производства конкурентоспособной на мировом рынке продукции необходимо гарантированное обеспечение требуемых характеристик изделий при одновременном снижении себестоимости. В производстве большинства изделий военной и гражданской техники для обеспечения необходимых эксплуатационных свойств тяже-лонагруженных узлов и деталей широко применяется гальваническое хромирование. Это позволяет значительно увеличить износостойкость деталей (иногда в десятки раз), придать деталям эстетичный внешний вид. Вместе с тем, износостойкое хромирование не обеспечивает необходимой коррозионной стойкости тяжелонагруженных деталей. Причина этого заключается в особенностях структуры хромовых покрытий, которая определяется механизмом и режимами их осаждения, физикой процесса. Восстановление хрома на катоде в виде гидрида и последующий его переход в устойчивую кубическую модификацию обусловливает, кроме того, сильное наводороживание деталей с покрытиями. Последствием структурных превращений в осадке является и возникновение значительных растягивающих остаточных напряжений, которые при превышении предела прочности хрома на растяжение как раз и приводят к возникновению пор и трещин в нем. В частности, износостойкое хромирование обеспечивает получение пористых осадков, а при молочном беспористом хромировании осадки плохо сопротивляются износу вследствие низкой твердости. 4.

По сетке трещин и пор рабочая жидкость или газ могут просачиваться через хромовое покрытие под уплотнением и на некотором расстоянии от него. Утечка газов из гидрогазовых систем по слою хрома начинает наблюдаться при давлениях 1−15 МПа и, соответственно, при рабочих давлениях в системах, достигающих 25−45 МПа и более, что приводит к значительному количеству брака при изготовлении — до 95−97% готовых деталей. Проявление негерметичности при эксплуатации изделий может привести к тяжким последствиям: авариям и катастрофам из-за потери ими работоспособности вследствие снижения давления в гидропневмо-агрегатах. Таким образом, негерметичность хромовых покрытий существенно снижает качество, надежность и ресурс гидропневмоагрегатов, повышает длительность незавершенного производства и значительно удорожает производство изделий.

Анализ показал, что традиционные технологические приемы в некоторых случаях позволяют повысить характеристики деталей до приемлемых величин, в частности, снизить брак из-за негерметичности по хрому почти в 2 раза. Достигается это значительным увеличением трудоемкости и стоимости изготовления. В частности, широко применяются многослойные покрытия, дополнительная механическая обработка, как покрытий, так и заготовок перед хромированием. Однако решить проблему комплексно существующие технологические приемы не позволяют, так как трещины в покрытиях остаются, а значит остается возможность появления коррозии и негерметичности по слою хрома .

Применение перспективных технологических процессов, в частности, гальваномеханического хромирования деталей (ГМХ), обеспечивает повышенные физико-механические 5 и эксплуатационные свойства деталей и покрытий, для достижения которых в традиционной технологии изготовления требуются дополнительные технологические приемы, в частности, алмазное выглаживание по хрому для повышения герметичности покрытий и их коррозионной стойкости, неоднократный низкотемпературный отпуск для обезводо-роживания и снижения остаточных напряжений и предварительные упрочняющие операции. Кроме того, ГМХ может позволить существенно снизить трудоемкость изготовления и восстановления деталей машин, повысить надежность изделий в целом. Снижение трудоемкости достигается за счет получения необходимых свойств деталей непосредственно гальваномеханическим хромированием, т. е. отпадают операции, направленные на снижение шероховатости и повышение точности деталей после обычного хромирования.

В результате механического воздействия на растущие слои осадков твердым инструментом возможно получение в них сжимающих остаточных напряжений, что может гарантировать беспористость и как следствие — высокую коррозионную стойкость осадков при повышенной износостойкости и отсутствии наводороживания деталей. Однако отсутствуют общие подходы к решению проблемы получения беспористых износостойких осадков и теоретическая база повышения свойств получаемых покрытий. Вместе с тем, положительные результаты в этой области достаточно противоречивы и получены исключительно экспериментальным путем, что не позволяет применять имеющиеся результаты для широкой гаммы материалов и изделий.

Накопленный автором прикладной и теоретический материалы позволяют решить проблему получения износостойких беспористых покрытий с минимальным наводороживанием деталей с хромовыми покрытиями. В работе рассматривают6 ся схемы обработки, обеспечивающие получение равномерных деформаций в получаемых осадках, что позволяет достичь желаемого качества деталей с покрытиями.

Цель работы.

Получение износостойких сплошных покрытий с высокой коррозионной защитой и отсутствием наводороживания металлических деталей.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи исследований:

1.Разработка концепции комбинированного воздействия на покрытие в процессе его нанесения с управлением комплексом физико-механических и эксплуатационных свойств и качеством получаемых поверхностей.

2.Описание механизма формообразования покрытий с заданными физико-механическими и эксплуатационными свойствами .

3.Разработка общей физической и физико-математической модели процесса осаждения с одновременной механической обработкой.

4.Теоретическое обоснование возможности получения покрытий с необходимыми, заранее заданными свойствами (сжимающими остаточными напряжениями).

5.Научное обоснование путей повышения основных эксплуатационных свойств деталей с покрытиями, получаемых гальваномеханическим хромированием.

6.Создание методики расчета оптимальных технологических режимов беспористого износостойкого гальваномеханического хромирования высокоресурсных изделий в условиях скоростного осаждения покрытий заданной толщины.

7.Выявление закономерностей влияния факторов 7 высокоскоростного гальваномеханического хромирования на физико-механические и эксплуатационные свойства деталей с покрытиями.

8.Разработка средств технологического оснащения процесса гальваномеханического осаждения.

Методы исследования.

В работе использовались основные положения теории электрических и комбинированных методов обработки и механики растущих тел, теории электрохимического осаждения, физики твердого тела, методы системного анализа, математического моделирования, конечно-элементного анализа, математическое планирование экспериментов.

Научная новизна работы.

1.Раскрыт механизм формообразования покрытий с заданными физико-механическими и эксплуатационными свойствами .

2.Разработана физическая и физико-математическая модели процесса осаждения с одновременной механической обработкой.

3.Теоретически обосновано получение покрытий с необходимыми, заранее заданными свойствами.

4.Научно обосновано повышение основных эксплуатационных свойств покрытий и деталей, получаемых гальваномеханическим хромированием.

5.Теоретически и экспериментально обоснованы и получены оптимальные технологические режимы и закономерности беспористого износостойкого гальваномеханического хромирования высокоресурсных изделий в условиях скоростного осаждения покрытий необходимой толщины.

6.Выявлены закономерности, получены аналитические зависимости и математические модели, описывающие влияние факторов высокоскоростного гальваномеханического хромирования на основные физико-механические и эксплуатационные свойства покрытий и деталей,.

7.Создание комплекса технических средств, оборудования и инструмента для осуществления процесса гальваномеханического осаждения.

Автор защищает:

1.Концепцию управления свойствами деталей с покрытиями путем целенаправленного комбинированного воздействия на гальваническую и механическую составляющие процесса нанесения покрытий.

2.Критерии управления формообразованием деталей с покрытиями в процессе гальванического осаждения с одновременным механическим воздействием на них.

3.Механизм формообразования покрытий с заданными физико-механическими и эксплуатационными свойствами.

4.Физическую модель осаждения покрытий с одновременным механическим воздействием на растущие слои осадков в процессе их роста.

5. Конечноэлементную модель возникновения остаточных напряжений в покрытиях, полученных гальваномеханическим хромированием.

6.Разработанные способы гальваномеханического осаждения, позволяющие получать покрытия и детали с уникальными заранее заданными свойствами, посредством получения в них равномерных деформаций.

7.Принципы выбора режимов обработки, обеспечивающие получение деталей с покрытиями, обладающими высокими, заранее заданными физико-механическими и эксплуатационными свойствами.

8.Методику проектирования, конструкции инструмента и опытно-промышленных установок для осуществления гальваномеханического осаждения.

Практическая ценность.

1.Разработаны способы и режимы обработки, позволяющие получать хромированные детали со всем комплексом необходимых свойств.

2.Создано оборудование, реализующее способы, обеспечивающие получение деталей с износостойкими беспористыми покрытиями.

3.Созданы инструменты, позволяющие вести процесс нанесения и управления структурой получаемых осадков со стабильными технологическими режимами в условиях роста их толщины.

Работа поэтапно внедрялась в промышленности, были получены шесть патентов и авторских свидетельств на изобретения, которые использовались при разработке технологического процесса, оборудования и инструмента для осуществления гальваномеханического хромирования.

Основные положения диссертационной работы внедрены на предприятиях: авиационной промышленностиминистерства обороны, транспортного машиностроения, строительно-дорожной техникиремонтных предприятиях железнодорожного транспорта.

Общий экономический эффект от использования работы в промышленности составил более 5 млн р. (в ценах 1999 г).

Апробация работы.

Основные положения работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях и семинарах в Польше (1993), Москве (1996), Воронеже (1996), Курске (1997) — всесоюзных конференциях и семинарах в Ленинграде (1984, 1985, 1986), Туле (1986), Казани (1987), Кишиневе (1990), Киеве (1991), Брянске (1991) — постоянно действующем семинаре кафедры «Технология машиностроения» ВГТУ, (Воронеж, 1980 — 1999).

Публикации.

Основные теоретические положения, результаты и выводы по работе опубликованы в 54 научных работах, издана монография.

Структура и объем работы.

Диссертация изложена на 24 6 страницах, включая 107 рисунков, 14 таблиц, состоит из введения, 6 глав, общих выводов, списка литературы, включающего 18 6 наименований и 77 страниц приложений.

Основные результаты и выводы.

В диссертационной работе осуществлено законченное решение научной проблемы аналитического прогнозирования и получения коррозионностойких износостойких хромовых покрытий в условиях высокой скорости их роста путем технологического обеспечения необходимых остаточных напряжений, конструирования и технологической отработки оборудования, инструмента и технологических процессов и режимов изготовления различных деталей, имеющей важное народно-хозяйственное значение.

В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1. Предложена концепция комбинированного воздействия на покрытие в процессе его нанесения с управлением комплексом физико-механических и эксплуатационных свойств и качеством получаемых поверхностей путем регулирования скоростей роста осадка во впадинах и на вершинах микронеровностей посредством деформирующего инструмента.

2. Предложены и обоснованы критерии управления процессом при осаждении хрома с одновременной механической обработкой растущих слоев осадка в процессе их роста. Их особенностью является управление свойствами получаемых покрытий путем обеспечения равных деформаций одного знака по всей поверхности обрабатываемой детали. Это позволило разработать способы гальваномеханического хромирования для различных случаев обработки и типов деталей, позволяющие получать беспористые износостойкие герметичные хромовые покрытия с высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами, отличающиеся возможностью создания в получаемых покрытиях равномерных деформаций необходимого знака и величины.

3. Выдвинуты гипотезы, отражающие процесс формообразования покрытий при их одновременной послойной механической обработке. В частности, гипотезы о неполной разгрузке и накапливании деформаций в слоях покрытия при многократном механическом воздействии на них в процессе обработки и возможности повышения коррозионной стойкости и герметичности износостойкого хрома путем управления величиной и знаком остаточных напряжений в получаемых осадках. Показано, что деформирование слоев осадка до их растрескивания и получение в осадках сжимающих остаточных напряжений гарантирует получение деталей с покрытиями с необходимыми, заранее заданными свойствами.

4. На основе выдвинутой концепции и гипотез впервые предложена физико-математическая модель получения покрытий с необходимым, заранее заданным качеством поверхности, объясняющая повышенные характеристики и качество поверхности деталей с покрытиями и позволяющая управлять этими свойствами в заданном направлении.

5. С учетом предложенных критериев и выдвинутых гипотез впервые предложен и обоснован механизм осаждения хрома при гальваническом осаждении с одновременным механическим воздействием на растущие слои осадка в процессе их роста и создана конечноэлементная модель покрытий, получаемых гальваномеханическим хромированием, что позволило научно обосновать повышение основных физико-механических и эксплуатационных свойств деталей с покрытиями, получаемыми гальваномеханическим хромированием и целенаправленным выбором основных режимов обработки управлять свойствами деталей с покрытиями и совмещать необходимую износостойкость покрытий с высокой коррозионной стойкостью и герметичностью.

6. Созданы теоретические основы процесса хромирования с одновременной механической обработкой и определены области его использования. Это позволяет в необходимых случаях разрабатывать и применять научно обоснованные технологические процессы и режимы обработки, обеспечивающие необходимое качество, физико-механические и эксплуатационные свойства деталей с покрытиями, которые работают в составе ответственных узлов изделий спецтехники.

7. Впервые выявлены закономерности изменения остаточных напряжений и получены зависимости их изменения от режимов обработки, типа предварительной подготовки поверхности деталей под гальваномеханическое хромирование и термической обработки, получена математическая модель, описывающая влияние основных факторов высокоскоростного гальваномеханического хромирования на остаточные напряжения и экспериментально доказано, что микроструктура покрытий зависит от времени обработки, исходной высоты микронеровностей и знака остаточных напряжений в получаемых осадках, что позволяет при проектировании технологических процессов выбирать режимы обработки, на практике обеспечивающие совмещение высокой износостойкости и коррозионной стойкости хромовых покрытий. 8. Впервые получена математическая модель, связывающая производительность процесса с режимами гальваномеханического хромирования, позволяющая в практических целях определять скорость осаждения и предложены номограммы, по которым в зависимости от необходимой скорости осаждения, материала обрабатываемой детали и его твердости можно выбирать режимы обработки, обеспечивающие желаемое качество деталей, соответствующее техническим требованиям.

9. Установлено, что варьирование режимами гальваномеханического хромирования позволяет получать детали с минимальным наводороживанием, предложены оптимальные рабочие режимы процесса, обеспечивающие минимальное наво-дороживание основы из высокопрочных сталей и получение беспористых хромовых покрытий со сжимающими остаточными напряжениями: плотность тока, 1 8−15.

10. Получены зависимости, описывающие влияние основных факторов процесса на качество поверхности обрабатываемых деталей, в частности, на шероховатость поверхности деталей с покрытиями, что позволяет снижать требования к исходной шероховатости поверхности и использовать гальваномеханическое хромирование в качестве финишного метода, повышая тем самым качество деталей с покрытиями и значительно (до 30%) снижая трудоемкость их изготовления .

11. Получены математические модели, связывающие микротвердость и прочность сцепления полученных покрытий с режимами ГМХ и выявлено, что беспористые хромовые покрытия, полученные на рабочих режимах, обладают повышенными износостойкостью, долговечностью, герметичностью и коррозионной стойкостью, а герметичность хромовых покрытий, в конечном итоге, определяется знаком остаточных напряжений в покрытии. кА/м2- температура электролита, Т «С^давление, Р частота вращения деталей, Ч0 частота возвратно-поступательного движения инструмента, V вп.

0,5−1,5 МП а- 1,17−1,5 Гц;

1,5−2 Гц.

60−70.

12. На основании проведенных исследований разработаны технологические рекомендации, опытно-промышленное оборудование, методика проектирования электродов-инструментов для ГМХ и ряд конструкций инструмента (защищены патентами и а. с.) для осуществления обработки наружных и внутренних цилиндрических поверхностей. Разработаны технологические процессы гальваномеханического хромирования штоков и цилиндров деталей, технологические процессы проверены в условиях промышленного производства нескольких заводов, что показало хорошую сходимость с теоретическими расчетами и экспериментами. Экономический эффект от внедрения технологии и оборудования ГМХ на предприятиях составляет свыше 5 млн р. (в ценах 1999 г.) в год.