Технология восстановления и упрочнения поверхностей деталей типа «вал» двигателей внутреннего сгорания гальваногазофазным хромированием: На примере валика водяного насоса

Реформирование народного хозяйства России, переход на рыночные отношения в условиях массового дефицита и монополизма производителей автотракторной техники отрицательно сказалось на производственно-техническом потенциале во всех сферах экономики нашей страны. Проводимые в 90-е годы в России экономические реформы поставили в сложные условия и ремонтно-обслуживающую базу автомобильного транспорта. В результате этого многие предприятия и товаропроизводители несут значительные убытки и являются мало или полностью неплатежеспособными в части приобретения автотракторной техники, запасных частей, материалов, сырья и пр. Также значительно возросла стоимость услуг ремонтно-обслуживающих предприятий, что повлекло за собой значительное снижение объема указанных услуг из-за непоступления из предприятий ремфонда. Производственная мощность специализированных ремонтных предприятий используется лишь на 10 — 15% и им приходится заниматься несвойственной их профилю деятельностью. Во многих хозяйствах не соблюдаются правила технической эксплуатации и хранения машин. Большое количество машин простаивает из-за недоброкачественно выполненного обслуживания. Много техники изнашивается преждевременно и списывается.

Аналогичная ситуация складывается и с тракторами и сельхозмашинами. По данным ГОСНИТИ в период с 1993 по 2003 годы общее число тракторов снизилось с 1320 до 830 тыс. штук при минимально допустимом уровне 1250 тыс. штук. Около 60% тракторов находится в эксплуатации свыше 10 лет, коэффициент обновления составляет 0,7.0,8. Начавшиеся в последнее время поставки новой техники по лизинговому фонду пока себя не оправдали, так как они обеспечивают только до 2,5% новых единиц в составе машинно-тракторного парка хозяйств. В результате сложившейся ситуации происходит увеличение нагрузки на технику, находящуюся в эксплуатации, что в свою очередь увеличивает затраты на ремонт, требует дополнительного количества запасных частей и расширения их номенклатуры. Для коренного изменения сложившейся ситуации, в стране начиная с 2006 года разработана и принята к исполнению приоритетная национальная программа подъема всего сельскохозяйственного комплекса.

Эксплуатация машин без хорошо организованного восстановления деталей, практически невозможна, так как вызывает необходимость иметь большое количество новых запасных частей в пропорциях, трудно поддающихся предварительному планированию. Восстановление деталей машин обеспечивает экономию высококачественного металла, энергетических и трудовых ресурсов, а также рациональное использование природных ресурсов и охрану окружающей среды.

Большинство машин и оборудования (80−85%) выходит из строя в результате износа подвижных деталей. Потери металла в нашей стране из-за коррозии и износа составляют десятки миллионов тонн и оцениваются миллионами долларов [50]. Огромные материальные и трудовые ресурсы расходуются на изготовление запасных частей и ремонт техники. Например, в сельскохозяйственном машинотракторном парке отремонтированные машины составляют 8095%. Затраты средств на капитальный ремонт тракторов и автомобилей составляют более 50% их стоимости. Только на запасные части для дизелей общего назначения тратится более 30% черных и 50% цветных металлов от их веса, расходуемого на изготовление новых [61, 105]. Снижение затрат труда и средств на техническое обслуживание и ремонт автотракторной техники — один из резервов повышения эффективности производства и снижения себестоимости продукции. Поэтому предусматривается резкое увеличение сети специализированных предприятий по восстановлению деталей, узлов и агрегатов машин.

По данным ГОСНИТИ 85% деталей восстанавливают при износе не более 0,3 мм, то есть их работоспособность восстанавливается при нанесении покрытия незначительной толщины. В то же время, применение металлопокрытий при восстановлении деталей позволяет повысить их износостойкость и долговечность в ряде случаев в несколько раз, а также сократить затраты энергии и металлов в 25 — 30 раз по сравнению с изготовлением новых деталей.

По информации ВНИИТУВИДа «Ремдеталь» объемы восстановления деталей к 2007 году должны вырасти до 1255 млн. рублей. Удельный вес восстановленных деталей от поставки новых должен составлять не менее 30%, в настоящее время он не превышает 7%. Это позволит произвести экономию металла в количестве 2 млн. 125 тыс. тонн.

Восстановленные детали в большинстве случаев не снижают своих эксплуатационных характеристик, причем стоимость восстановления деталей до прежних размеров ниже стоимости новых. Себестоимость восстановления не должна превышать 25.45% от стоимости новых деталей. Ресурс восстановленных деталей, составляет обычно не менее 85 — 95%, а для деталей, восстановленных с использованием упрочняющих технологий, составляет в среднем 120 — 150%. Исключительную перспективу приобретают процессы, сочетающие восстановительные операции с упрочнением, при которых эксплуатационные характеристики деталей (износостойкость, усталостная прочность, ударная вязкость) превосходят характеристики деталей основного производства, в ряде случаев, в несколько раз [55]. Очевидно, что увеличение срока службы деталей машин хотя бы в два раза даст колоссальный экономический эффект.

Как показывает практика, при ремонте автомобилей на сборочные элементы двигателей внутреннего сгорания падает значительная доля отказов. По заключению экспертов установлено, что в общем ремонте автомобиля доля ремонта охлаждающей системы занимает 21% [105].

Характерными для деталей двигателей являются отказы, вызванные механическим изнашиванием, а также коррозией их поверхностей, поэтому борьба с разрушениями деталей идет по двум направлениям:

• использованием эксплуатационных материалов с пониженной агрессивностью к металлам, их сплавам и уплотняющим и соединительным резиновым деталям, а также обеспечивающих смазку трущихся поверхностей;

• применением новых технологий при ремонте и изготовлении деталей.

Учитывая, что детали типа «вал», как правило, подвержены кроме коррозионного разрушения еще и механическому изнашиванию, наиболее перепективньш, очевидно, является второе направление. Применение новых, перспективных технологий при ремонте деталей двигателей типа «вал», в том числе и валика водяного насоса позволяет повысить как износостойкость, так и коррозионную устойчивость детали.

Как широко известно в практике, а также подтверждено многочисленными исследованиями [55], наиболее износостойкими являются поверхности восстановленные хромовыми покрытиями. Хромирование является наиболее совершенным методом восстановления изношенных деталей машин. Исключительно высокие свойства хромового покрытия — твердость, износостойкость и химическая стойкость — обеспечили этому методу быстрое и широкое внедрение во все отрасли машиностроения, в том числе и в ремонтное производство с использованием методов гальванической и газофазной металлизации.

Однако распространение гальванических методов нанесения хромовых покрытий сдерживается рядом недостатков [39, 59, 74, 75J: малая скорость осаждения хроманеравномерная толщина получаемых осадковдефицитность хромового ангидридавысокая стоимость хромированиявысокая агрессивность хромовых электролитовнизкая экологичность процесса.

Высокие качества хромовых покрытий с одной стороны и наличие ряда отрицательных показателей процесса гальванического хромирования, с другой, требуют проведения ряда опытных и теоретических работ по комбинированному применению гальванического хромирования в сочетании с другими технологическими процессами.

В то же время, практика показывает, что во многих случаях целесообразно использовать иные методы, в частности химические.

В последнее время в ремонтном производстве приобретает популярность парофазный (или газофазный) метод термического разложения легколетучих металлорганических соединений [99, 100], позволяющий получать металлические слои при температурах, гораздо ниже температур плавления данных металлов и сплавов. Наиболее перспективными в качестве исходных веществ оказались карбонилы металлов и их соединения.

По сравнению с другими методами получения металлических пленок и покрытий, такими, как испарение в вакууме, катодное распыление, химическое и электрохимическое осаждение и др. метод газофазной металлизации обладает рядом преимуществ [98,99]: а) очень большая твердость получаемых покрытийб) высокая плотность (беспористость) покрытийв) высокая скорость металлизацииг) низкие температуры металлизации.

Однако и газофазная металлизация не лишена недостатков. Так, например, в случае газофазного хромирования наблюдается неудовлетворительная адгезия покрытия непосредственно к стальным деталям, которая гораздо ниже, чем при гальваническом хромировании и недостаточна для получения качественных антикоррозионных и износостойких хромовых покрытий.

С учетом вышеизложенного в работе ставится цель, заключающаяся в повышении прочностных характеристик поверхностей деталей типа «вал» двигателей внутреннего сгорания путем разработки технологии восстановления и упрочнения данных деталей гальваногазофазным хромированием. Данный метод заключается в нанесении газофазного хромового покрытия на пористый подслой гальванического хрома, сочетая достоинства этих двух методов и, почти, исключая их недостатки. При этом на подготовленную поверхность детали будет наноситься слой гальванического хрома, служащий для создания требуемой адгезии, на который будет наноситься дополнительный (упрочняющий) хромовый слой методом газофазной металлизации. Это позволит получать качественные износостойкие хромовые покрытия с высокими физико-механическими свойствами, незначительными материальными затратами (в случае массового восстановления деталей) и достигая при этом некоторого повышения производительности.

В качестве объекта исследования выступает технология восстановления и упрочнения поверхностей деталей типа «вал» двигателей внутреннего сгорания гальваногазофазным хромированием.

Для достижения поставленной цели нами были определены следующие задачи исследования:

1. Теоретически обосновать возможность восстановления и упрочнения малоизношенных деталей автотракторной техники типа «вал» гальваногазофазным хромированием;

2. Исследовать условия осаждения газофазного хрома на подслой гальванического хрома в различных технологических режимах, а также изучить влияние пористости гальванического подслоя, получаемой анодным травлением на физико-механические свойства получаемых покрытий;

3. Исследовать физико-механические свойства, структуру и морфологию, фазовый и элементный составы гальваногазофазных хромовых покрытий и произвести их сравнение с гальваническими хромовыми покрытиями, как с существующей технологией восстановления валиков водяных насосов;

4. Исследовать эксплуатационные свойства восстановленных деталей;

5. Разработать технологию восстановления валиков водяных насосов гальваногазофазным хромированием и на основании сравнения с существующей технологией восстановления данных деталей гальваническим хромом произвести ее технико-экономическую оценку;

6. На базе исследований разработать рекомендации по применению гальваногазофазного хромового покрытия при восстановлении и упрочнении валиков водяных насосов.

Решение этих задач позволит получить гальваногазофазные хромовые покрытия в различных технологических режимах, произвести всеобъемлющее исследование их физико-механических, химических и эксплуатационных свойств и на основании проведенного исследования разработать технологию восстановления и упрочнения валиков водяных насосов гальваногазофазным хромированием с разработкой рекомендаций по использованию предлагаемого технологического процесса в ремонтном производстве.

Общие выводы.

1. Проведенные исследования позволили повысить прочностные характеристики поверхностей валиков водяных насосов путем нанесения двухслойного гальваногазофазного хромового покрытия. Данный метод позволяет восстанавливать детали с износами до 300 мкм. Микротвердость полученных покрытий при использовании оптимального технологического режима достигает 12 000 МПа, что на 33% выше, чем у гальванического хрома при сохранении адгезионной прочности сцепления с подложкой на уровне гальванического покрытия. Валики, восстановленные данным методом, по результатам испытаний противостоят износу на 150 — 200% лучше по сравнению с существующей технологией восстановления данных деталей гальваническим хромом, и на 200 — 300% лучше по сравнению с серийными валиками водяных насосов.

2. В соответствии с теорией ориентационного и размерного соответствия обосновано достижение высокой адгезионной прочности гальваногазофазного покрытия за счет полного сращивания идентичных кристаллических решеток газофазного хромового слоя и гальванического слоя хрома осажденного из электролита содержащего СгОз — 250 г/лCaF2 — 8 г/л и K2SiF6 — 20 г/л. При оп.

2 0 тимальном режиме нанесения 1к=60 А/дм — Тэ-50 С выход по току для данного электролита составляет 20 — 22%. При этом на подложках без хромового подслоя при тех же технологических режимах газофазное покрытие не образуется.

3. В зависимости от сочетания прочностных характеристик (микротвердости и адгезии к подложке) при помощи методов математического моделирования определен оптимальный для восстановления валиков водяных насосов режим нанесения газофазного слоя хрома: температура детали 430−450НС, температура сублимации карбонила 50−60°С, в течение 11−13 мин. и выведены регрессионные уравнения зависимостей микротвердости и адгезии газофазного слоя от параметров ведения процессов металлизации.

4. Исследования физико-механических свойств гальваногазофазных хромовых покрытий показали, что проведение анодного травления гальванического хромового подслоя перед нанесением упрочняющего слоя из газовой фазы повышает адгезию покрытия к подложке на 15 — 20% по сравнению с покрытием без анодного травления. При этом предпочтительней получения пористости ка-нальчатого, а не точечного типа. Марки сталей восстанавливаемых деталей оказывают слабое (на 2−3%) влияние на физико-механические свойства покрытий, что позволяет рекомендовать гальваногазофазное хромирование для восстановления и упрочнения поверхностей большого количества деталей типа «вал», в том числе и валиков водяных насосов практически всех марок автомобилей.

5. Зондовые методы, используемые для анализа полученных покрытий, обнаружили, что большая часть хрома (62 — 82%) в составе покрытия находится в связанном состоянии в виде оксидных и карбидных соединений, что и объясняет высокую микротвердость покрытий (9,7 — 14,85 ГПа). Более того, при нанесении газофазного слоя углерод проникает и в гальванический подслой, образуя карбиды хрома и в нем. При этом за счет идентичности кристаллических решеток гальванического и газофазного слоев достигается фазовая однородность и полное сращивание между слоями и обеспечивается плавное изменение физико-механических свойств покрытия.

6. Эксплуатационные испытания подтвердили на 200−350% более высокую износостойкость восстановленных валиков водяных насосов и наличие у них противокоррозионных свойств по сравнению с серийными валиками.

7. На основании проведенного исследования разработан технологический процесс восстановления валиков водяного насоса гальваногазофазным хромированием и произведена его технико-экономическая оценка, которая показала, что за счет увеличения производительности восстановления деталей и снижения издержек производства, при производственной программе восстановления 16 000 валиков водяных насосов в год экономический эффект производителя составляет в среднем 330 127 рублей в год.