РЕМОНТ МАШИН

01.12.2014

Лекция №7

РЕМОНТ МАШИН

План лекции

Восстановление деталей с помощью мехобработки
Ремонт методом пластического деформирования
Восстановление деталей сваркой и наплавкой
Восстановление деталей металлизацией
Основные понятия гальванопластики

1. Восстановление деталей с помощью мехобработки

Механическую обработку применяют, во-первых, для получения ремонтного размера в детали, где это предусмотрено конструктором, например, шейки коленчатого вала ДВС, их цилиндры и др., во-вторых, для обработки под ремонтную деталь, например, специально изготовленную втулку, в-третьих, после восстановления многими другими методами, например, после наращивания металла с помощью гальванических работ. В последнем случае мехобработка используется для окончательной доводки детали.

При механической обработке восстанавливаемых деталей могут использовать операции: 1) токарную; 2) фрезерную; 3) расточную; 4) сверлильную; 5) шлифовальную; 6) полировальную; 7) хонинговальную и др.

Часто в сложных и дорогостоящих деталях предусматривают несколько ремонтных размеров. Например, шатунные и коренные шейки коленчатых валов ДВС Волжского автозавода можно шлифовать и полировать под четыре ремонтных размера: 1) - 0,25 мм от номинального; 2) - 0,50 мм от номинального; 3) - 0,75 мм от номинального; 4) - 1,00 мм от номинального. Под каждый указанный ремонтный размер выпускаются соответствующие ремонтные вкладыши увеличенной толщины. Цилиндры ВАЗовских двигателей имеют два ремонтных размера: 1) + 0,4 мм от номинального; 2) + 0,8 мм от номинального. Под эти ремонтные размеры выпускаются поршни и поршневые кольца. Количество ремонтных размеров зависит от запаса прочности, заложенного в конструкции, материалов, качества систем смазки и питания, а также традиций производства.

Если механическая обработка осуществляется под оригинальную ремонтную деталь, например, втулку, то её как правило выполняют из того же материала, что и восстанавливаемая деталь. При этом следует стремиться к разнородным материалам пары трения, например, в масле хорошо работают “Сталь по Чугуну” или “Сталь по Алюминиевому сплаву”.

Ремонтную втулку крепят на восстанавливаемой шейке вала либо с помощью прессовой посадки, например, H8/p7 с шероховатостью поверхностей не хуже Ra1,25, либо крепление осуществляется по резьбе или с помощью какого-либо фиксатора - болта, шпонки и т.п.

После установки дополнительной ремонтной детали (втулки) выполняют окончательную механическую обработку (шлифовку, полировку, развёртку и т.п.).

Преимуществами данного метода являются: 1) простота технологического процесса; 2) доступность оборудования. Недостатки: 1) большие расходы на дополнительную ремдеталь; 2) снижение прочности восстановленной детали.

2. Ремонт методом пластического деформирования

Данный метод применяют для восстановления размеров и формы детали, изготовленной из пластического, но не хрупкого материала, а также для улучшения её механических свойств за счёт наклёпа.

Различают следующие разновидности пластического деформирования: 1) правка; 2) осадка; 3) раздача; 4) вдавливание; 5) обжатие; 6) накатка; 7) раскатка; 8) дробеструйная обработка и др.

Первоначальную форму искривлённой детали восстанавливают правкой, то есть статическим нагружением на прессах, в тисках и др. Нагрузка прикладывается в сторону противоположную деформации в детали. При этом восстанавливаемая деталь может находиться в холодном или нагретом состоянии. В первом случае пластическое деформирование стальной детали сопровождается, во-первых, увеличением предела текучести т , во-вторых, снижением ударной вязкости aк , в-третьих, повышением твёрдости HRC поверхности. Во втором случае происходит потеря свойств термически обработанной детали. Поэтому после пластического деформирования такую деталь следует опять закалить.

Давление p на деталь при выполнении правки выбирают на 10 ... 15 % больше предела текучести материала т . При этом прогиб детали в процессе правки должен быть направлен в сторону противоположную исправляемому дефекту и превысить его в 10 ... 15 раз.

Следует помнить, что при холодной правке в деталях появляются значительные остаточные напряжения, которые со временем могут приводить к деформации. Поэтому после правки детали часто подвергают отпуску, то есть нагреву до 200 ... 500 С и выдержке 1 ... 3 ч. К тому же после правки предел выносливости детали r снижается примерно на 20 %.

Детали со значительными деформациями, например, валы с прогибами больше 5 мм на 1 м длины, восстанавливают только с помощью горячей правки, то есть с нагревом до 600 ... 900 С.

Кроме статической правки на прессах также применяется динамическая правка или “правка наклёпом” путём воздействия ударного инструмента на

поверхности не контактирующие с другими деталями. Например, с помощью воздействия вибромолотка на щёки коленчатого вала исправляют его изгиб.

С помощью осадки увеличивают наружные размеры детали и уменьшают внутренние размеры отверстий. При осадке направление главной деформации перпендикулярно направлению прикладываемой силы F. Данный метод применяют, например, для восстановления внутреннего диаметра втулки верхней головки шатуна. Причём это делают без выпрессовки втулки из шатуна.

Ориентировочно требуемое давление при осадке можно оценить по формуле

где т - предел текучести материала восстанавливаемой детали, МПа; D - внутренний диаметр втулки после осадки, то есть требуемый, мм; l - длина втулки, мм.

Зная необходимое давление p и площадь воздействия пуансона пресса Aп на деталь можно определить требуемое усилие F = p Aп .

Для показанной втулки шатуна внутренний диаметр при осадке уменьшается на 0,15 ... 0,25 мм.

Раздача используется для увеличения наружного диаметра полых деталей, например, поршневых пальцев.

При выполнении этой операции деформация совпадает с направлением действия сил давления, которые ориентировочно можно оценить по зависимости

где D и d - наружный и внутренний диаметры восстанавливаемой детали.

Вдавливание применяют с целью увеличения размеров изношенных элементов деталей путём выдавливания материала из объёмов, которые не контактируют с другими деталями. Этот метод применяют для восстановления коротких шлиц валов, зубьев шестерён, шаровых пальцев и др. путём воздействия (вдавливания) острого пуансона пресса в торец шлицевого вала, шестерни и т.п. Вдавливание можно рассматривать как операцию, объёдиняющую в себе осадку и раздачу, так как сила F, приводящая к деформации детали направлена под некоторым углом к восстанавливаемой поверхности.

Типичный технологический маршрут восстановления шлицевого вала с помощью вдавливания будет следующим: 1) отпуск детали; 2) вдавливание; 3) обтачивание шеек вала; 4) фрезерование боковых поверхностей шлиц; 5) термообработка; 6) шлифовка.

Обжатие это процесс противоположный раздаче. Часто этим методом восстанавливают втулки путём проталкивания их через матрицу меньшего диаметра.

Накатка используется для восстановления прессовых посадок с помощью нанесения рифления на восстанавливаемую поверхность детали. При этом наружный диаметр увеличивается на 0,2 ... 0,4 мм. Детали с твёрдостью поверхности HRC < 30 восстанавливают в холодном состоянии. Данный метод применяется для деталей испытывающих давление до 7 МПа.

Для упрочнения поверхностей и уменьшения шероховатости применяют обкатку для наружных поверхностей или раскатку для внутренних. Это делают с помощью роликов или шариков. Данная операция относится к методам пластического деформирования деталей наряду с рассмотренными.

Скорость обработки при раскатке цилиндров устанавливают в диапазоне 50 ... 150м/мин, а подачу 0,01 ... 0,5 мм/об. Усилие прижатия роликов или шариков зависит от конструкции обрабатываемой детали и её материала и составляет от 1 Н до 1 кН. Толщина упрочнённого слоя достигает 3 мм, твердость поверхности увеличивается на 20 ... 30 %, а шероховатость соответствует Ra 0,08.

Как в машиностроении, так и в ремонтном производстве широко применяется дробеструйная обработка деталей. Ей подвергают пружины, рессоры, торсионы, шатуны, зубчатые колёса, сварные швы и пр. Для этого используется либо пневматические дробемёты (p = 0,5 ... 0,6 МПа), либо вращающиеся барабаны, в которые загружены детали и дробь, которая может быть стальной или чугунной с диаметром 0,5 ... 1,5 мм. При пневматической обработке скорость дробинок составляет 60 ... 100 м/с. Время операции 3 ... 10 мин. Толщина упрочнённого слоя - до 1 мм.

К преимуществам методов пластического деформирования относится:

1) простота техпроцесса и применяемого оборудования, особенно для мелких деталей;

2) нет необходимости в дополнительных материалах, что уменьшает себестоимость работ;

3) высокая производительность и точность некоторых процессов, например, правка наклёпом позволяет достигать точности до 0,02 мм на 1 метр длины выправляемого вала.

Недостатками данных методов являются:

1) сравнительно узкая номенклатура восстанавливаемых деталей (в основном стальных);

2) снижение предела выносливости r;

3) высокая энергоёмкость при деформировании в горячем состоянии.

3. Восстановление деталей сваркой и наплавкой

В ремонтном производстве сварка и наплавка получили весьма широкое применение. Более 40 % деталей восстанавливают данными методами. Это связано с высокой производительностью и простотой процессов.

Часто применяется ручная дуговая электросварка. Используются аппараты и электроды как для постоянного, так и переменного тока. Сваривают данным методом стальные, чугунные и алюминиевые изделия.

Перед сваркой восстанавливаемую деталь очищают от грязи, ржавчины и масла, имеющиеся трещины по концам засверливают. При толщине стенки детали более 8 мм трещину разделывают, то есть снимают фаски.

Наплавку шеек восстанавливаемого вала чаще всего осуществляют на токарных станках по спирали, то есть с вращением вала, или наплавляемые швы наносятся вдоль оси вала, когда он неподвижен.

Для сварки и наплавки используется проволока диаметром от 0,3 до 2 мм, либо электроды диаметром от 3 до 6 мм. При этом диаметр проволоки или электрода должен примерно соответствовать толщине свариваемой детали.

Для получения сварочного шва средней твёрдости и прочности применяют электроды марки ОЗН-250 ... ОЗН-400 при использовании аппаратов переменного тока, либо электроды У-340 ПБ при использовании аппаратов постоянного тока.

Сила сварочного тока ориентировочно выбирается по зависимости

I = (45 10) d,

где d - диаметр электрода.

Автоматическая наплавка под флюсом - это такой сварочный процесс, при котором подача электродной проволоки, защитных и легирующих материалов, перемещение сварочной дуги осуществляется механизированным способом. Разработан данный метод в 1941 году академиком Патоном Е.О. Основными преимуществами такой наплавки по сравнению с ручной являются: 1) стабильно высокое качество сварочного шва; 2) высокая производительность; 3) использование рабочих сравнительно низкой квалификации. Схема данного процесса следующая.

При данном методе, подбирая диаметр проволоки и частоту вращения шпинделя, можно за один проход наплавить от 0,5 до 5 мм металла на одну сторону.

Используя легирующий флюс или легированную проволоку, получают металл требуемой структуры и твёрдости от HRC 30 до HRC 64. Например, при наплавке шеек стальных коленчатых валов используют пружинную проволоку Нп-65Г и флюс АН-348 с легирующими добавками из графита и феррохрома. В результате наплавленный слой металла имеет структуру мартенсита с твердостью HRC 64, то есть нет необходимости такой вал закаливать. Его сразу после наплавки шлифуют и полируют.

Для наплавки деталей из углеродистых и малолегированных сталей применяют флюсы АН-348, ОСЦ-45, ФН-9 и другие.

Параметры режима наплавки существенно влияют на качество шва. Так при отклонении дуги от вертикальной оси детали уменьшается глубина проплавления. С увеличением напряжения электропитания U увеличивается ширина шва, а глубина не меняется. С увеличением шага наплавки уменьшается перекрытие соседних швов и увеличивается глубина проплавления. С ростом тока I эта глубина также растёт.

На автоматических установках сила тока I зависит от диаметра применяемой проволоки и заданной её подачи, которые выбирают в зависимости от толщины наплавляемого слоя и диаметра детали.

Наплавку деталей из среднеуглеродистых сталей 30, 40, 45 производят проволоками марок Нп-30, Нп-40, Нп-50, Нп-65, Нп-80, а также легированными, например, Нп-30ХГСА.

Перед наплавкой важно хорошо просушить флюс при температуре 350 ... 400 C. Это существенно уменьшает пористость шва.

После наплавки закалённых сталей их обрабатывают ТВЧ для получения твёрдости не менее HRC 45.

Можно рекомендовать такие параметры некоего среднего режима наплавки: частота вращения наплавляемой детали n = 2,5 ... 4 об/мин; шаг наплавки (продольная подача) s = 3,5 ... 4 мм/об; диаметр электродной проволоки d = 1,6 ... 1,8 мм; скорость подачи электродной проволоки v = 1,7 ... 2,0 м/мин; сила сварочного тока I = 160 ... 180 А; напряжение дуги U = 24 ... 26 В.

Для получения требуемого химического состава наплавляемого слоя металла применяют следующие методы:

1) легированную электродную проволоку или ленту и обычный флюс;

2) порошковую проволоку с требуемым химсоставом и обычный флюс;

3) обычную сварочную проволоку (нелегированную) и легирующий флюс, состоящий из обычного с добавками феррохрома, ферромарганца и т.д.;

4) наплавка обычной электродной проволокой и обычного флюса с расплавлением нанесённых ранее легирующих материалов на поверхность детали одним из следующих способов:

а) обёртывание легирующей лентой;

б) укладка легирующего прутка;

в) намазывание легирующих паст;

г) насыпка легирующего порошка.

Первый указанный способ применяется ограниченно, так как в электрической дуге существенно изменяется химсостав проволоки. Второй способ перспективный, так как шихту можно подобрать какую угодно. Третий способ широко применяется в ремонтном производстве и в частности при восстановлении коленчатых валов. Четвёртый способ применяется в ремонтном производстве редко, но часто используется в машиностроении.

Одним из отрицательных свойств метода электродуговой наплавки под слоем флюса является то, что над наплавленным швом образуется защитная корка шлака. Она не электропроводна и весьма тугоплавка. Поэтому её удаляют ударным способом. При наплавке деталей диаметром менее 50 мм шлаковую корку отделить весьма затруднительно без повреждения изделия. К тому же такие детали при нагреве от сварочной дуги существенно деформируются. В связи с этим шейки диаметром менее 50 мм наплавляют другим способом, а именно, с помощью вибродуговой наплавки в среде жидкости или защитного газа СО2 .

Этот метод разработан в 1948 году инженером Клековкиным Г.П. специально для восстановления деталей диаметром менее 50 мм. С целью уменьшения нагрева и деформации наплавляемой детали было предложено, во-первых, обеспечить вибрирование электрода, что позволяет снизить напряжение дуги U, во-вторых, для охлаждения детали осуществлять процесс наплавки в жидкости, а не в воздухе под флюсом.

Схема установки Клековкина следующая .

Процесс вибродуговой наплавки протекает в следующей последовательности: 1) сначала электрод касается детали и так как напряжение холостого хода трансформатора питания понижено до Uхх = 12 ... 18 В, то электрическая дуга на загорается, а напряжение падает до нуля, но ток короткого замыкания Iк.з возрастает до максимума, что определяется параметрами электрического дросселя L и резистора R; 2) от Iк.з оплавляется конец электрода и он отрывается от детали, оставляя на ней каплю металла; 3) при отрыве электрода в катушке L возникает ЭДС самоиндукции, которая складывается c напряжением источника питания Uхх и данной добавки хватает для возбуждения сварочной дуги, горящей до следующего касания электродом детали.

С увеличением индуктивности L уменьшается сила тока короткого замыкания Iк.з и увеличивается продолжительность горения дуги.

В качестве охлаждающей жидкости используется смесь воды с 2,5 ... 6 % кальцинированной соды или 20 % глицерина.

Чаще всего применяют сварочную проволоку Нп-65Г, которая обеспечивает получение высококачественного наплавленного слоя металла без пор и трещин.

Параметры вибродуговой наплавки: 1) напряжение питания Uхх = 12 ... 18 В; 2) сварочный ток I = 100 ... 120 А; 3) шаг наплавки s = 2,0 ... 2,5 мм/об; 4) частота вращения детали n = 4 ... 10 об/мин; 5) скорость подачи электродной проволоки v = 1,0 ... 1,6 м/мин.

Вибродуговую наплавку применяют при восстановлении деталей из углеродистых сталей, а также серого, ковкого и высокопрочного чугунов. Наплавке подвергают как наружные, так и внутренние поверхности, как гладкие, так и резьбовые, шлицевые и другие.

Детали из серого чугуна наплавляют в два слоя, так как первый слой насыщается углеродом и кремнием, поступающими из основного металла. Этот слой является очень твёрдым и не обрабатывается лезвийным инструментом. Второй слой по составу близок к стали 40.

Главным преимуществом данного метода является отсутствие нагрева, а значит и коробления детали. к тому же имеет место закалка наплавленного слоя до HRC 64, что исключает дополнительную термообработку.

Недостатком вибродуговой наплавки является снижение до 40 % усталостной прочности r из-за действия внутренних напряжений. Поэтому с особой осторожностью надо рекомендовать этот метод для деталей, работающих при знакопеременных нагрузках.

Наплавка в среде углекислого газа CO2 имеет следующие преимущества: 1) проще оснастка; 2) качество наплавленного металла выше по сравнению с вибродуговой в жидкости; 3) меньше снижение r - всего на 15 ... 20 %.

При данном методе применяют сварочную проволоку марок Св-08ГС; Св-08Г2С; 30ХГСА и др.

Учитывая, что углекислый газ в 1,5 раза тяжелее воздуха, он хорошо удерживается в зоне дуги, а расхода QCO2 = 10 л/мин вполне достаточно для обеспечения качественного шва.

Углекислый газ поставляется в баллонах в сжиженном состоянии. При испарении 1 л жидкого СО2 при нормальных параметрах среды (p0 = 0,1 МПа и t0 = 20 С) получается 506 л газа. Всего в стандартном баллоне ёмкостью 40 л помещается 25 л жидкой углекислоты, которая даёт 12500 литров или 12,5 м3 газа.

В ремонтном производстве широко применяется сварочный полуавтомат А-547-У и ему подобные. Для таких аппаратов используют сварочную проволоку диаметром 0,6 ... 1,2 мм. Скорость подачи проволоки регулируется в диапазоне 2,5 ... 10 м/мин. Максимальная сила тока 300 А. Кроме наплавки такими аппаратами сваривают металл от 0,6 до 4 мм, то есть применяют для ремонта кузовов и кабин.

Для уменьшения пористости сварочных и наплавленных швов и уменьшения количества микротрещин в них при любом методе сварки и наплавки необходимо правильно подбирать режимы и материалы. Так для уменьшения трещин весьма желательно заготовку предварительно нагреть до 350 ... 400 С, а флюс или сварочная проволока (электрод) должны содержать такие легирующие элементы как хром, никель, титан. Для уменьшения пористости в зоне дуги должны присутствовать фтористый кальций CaF, который связывает водород H и воду, а также такие раскислители как марганец, кремний, титан, алюминий, цирконий, церий.

Газовая сварка и наплавка широко применяются в ремонтном производстве. В качестве горючего может применяться:

1) природный газ метан CH4, имеющий максимальную температуру горения tmax = 2000 С;

2) сжиженный газ пропан C2H6 c tmax = 2600 C;

3) ацетилен C2H2 с tmax = 3300 C.

Наиболее часто применяется последний, то есть ацетилен. Реакция его горения следующая

C2H2 = 2C + H2 + 54 ккал/кмоль

2С + 2O2 = 2CO2 + 195,8 ккал/кмоль

2H2 + O2 = 2H2O + 57 ккал/кмоль

Итого в сумме имеем 306,8 ккал/кмоль.

Получают ацетилен в специальных газовых генераторах из карбида кальция

CaC2 + H2O = C2H2 + Ca(OH)2

Карбид кальция получают в печах путём обжига известняка

CaO + 3C = CaC2 + CO

При газовой сварке в качестве окислителя используется кислород O2 с количеством примесей не более 1,5 %. Получают технический кислород из воздуха методом глубокого охлаждения (tкипО2 = -183 С при p = 0,1 МПа). Давление кислорода в полностью заряженных баллонах составляет 15 МПа.

Диаметр присадочной проволоки d при газовой сварке выбирают в зависимости от толщины свариваемых деталей по таблице

, мм	2 ... 3	3 ... 10	10 ... 15	< 15
d, мм	2	3 ... 4	4 ... 6	6 ... 8

Важное значение при газовой сварке играет тип горелки и наконечник на ней. Наиболее часто используют универсальную горелку ГС-53 с наконечником от № 1 до № 7. В этом случае сваривают детали толщиной от 0,5 до 30 мм.

В зависимости от соотношения кислорода и ацетилена различают пламя горелки:

1) нормальное при соотношении O2 / C2H2 = 1 , имеющее максимальную температуру t = 3100 С (применяют для сварки и наплавки мало и среднеуглеродистых сталей, алюминиевых сплавов, бронзы и меди);

2) науглероживающее при соотношении O2 / C2H2 = 0,8 , имеющее максимальную температуру t = 2700 С (применяют для сварки и наплавки чугуна и припаивания твёрдосплавных пластин);

3) окислительное при соотношении O2 / C2H2 = 1,4 , имеющее максимальную температуру t = 3300 С (применяют для резки стали и сварки латуни).

Важными особенностями газовой сварки являются, во-первых, сравнительно медленное нагревание металла, во-вторых, большая зона термического воздействия.

Наплавка деталей твёрдыми сплавами используется для повышения твёрдости и износостойкости некоторых деталей, например, испытывающих сильное абразивное воздействие - это ножи землеройных машин и т.п.

Для наплавки используют специальные высокоуглеродистые сплавы - сормайты и сталинит. Первый в виде электродов ЦС-1 и ЦС-2 диаметром от 5 до 7 мм для электросварки или в виде присадочной проволоки для газовой сварки. Сталинит используется в виде порошкообразной смеси.

После наплавки указанными сплавами твёрдость поверхности составляет от HRC 48 до HRC 62.

Химический состав данных сплавов следующий

Марка сплава

C, %

Mn, %

Si, %

Cr, %

Ni, %

Сормайт-1 (ЦС-1)

Сормайт-2 (ЦС-2)

Сталинит

1,5

3,5

Остальное

Сормайт-1 отличается меньшей ударной вязкостью aк и прочностью в по сравнению с остальными указанными сплавами. Сормайт-2 применяют для упрочнения деталей, работающих при ударных нагрузках. Сталинит чаще используют для покрытия рабочих органов землеройных машин.

Сормайты как правило наплавляют электродуговой ручной сваркой. Реже используется газовая сварка. При наплавке сталинита сначала на поверхность детали насыпают флюс (буру) слоем 0,2 ... 0,3 мм. Затем насыпают сталинит толщиной 3 ... 5 мм. Наплавку осуществляют угольным электродом на постоянном или переменном токе. Иногда вместо угольного используют обычный электрод. Тогда наплавленный слой получается более мягким.

Лазерная сварка и наплавка применяется для получения высококачественных сварочных швов путём расплавления присадочных порошков, лент и т.п. В качестве источника энергии используется лазер с интенсивностью излучения света не менее 1012 кВт/мм2.

Перед наплавкой на поверхность детали наносят шихту, которая чаще всего представляет собой порошкообразную смесь металлов и неметаллических материалов. Закрепление шихты на поверхности детали осуществляют с помощью клеев.

В качестве квантового генератора чаще используют рубиновые, реже газовые (CO2 + N2 + He) лазеры. Схема установки следующая.

В данной установке рубиновый стержень или газонаполненная колба облучается импульсной лампой, которая запитывается электроэнергией от конденсаторной батареи. Отражатель (корпус) и заднее зеркало направляют луч на полупрозрачное зеркало, а затем на поворотное, линзу и деталь, на которой нанесена шихта. Для защиты зоны расплава от окисления используют аргон.

Всероссийское научно-производственное объединение “Ремдеталь” разработало и выпускает комплект оборудования для лазерной наплавки, в который входит газовый лазер ЛГП-702 мощностью 0,8 кВт, установка для наплавки СКС-011-1-02 с оснасткой, приспособление для управления лазерным лучом, система газообеспечения. Наплавляют либо порошок СНГН, либо порошок ПГ-СР.

При данном методе наплавки весьма мала зона теплового воздействия на деталь. Поэтому деформации её практически отсутствуют, что позволяет ремонтировать самые разные по размерам детали. Данным методом восстанавливают клапаны и распределительные валы ДВС, золотники гидрораспределителей СДМ и др.

4. Восстановление деталей металлизацией

Металлизация или, что то же самое, газо-термическое напыление - это процесс нанесения на поверхность детали расплавленного мелкодисперсного металла с целью изменения её размеров и свойств.

С помощью потока воздуха или иного газа распыляются расплавленные частицы металла. С восстанавливаемой поверхности предварительно удаляются окислы и создаётся определённая шероховатость. В противном случае нанесённая корка может отстать. При расстоянии от воздушного сопла до детали примерно 250 мм и начальной скорости частиц металла 200 м/с, что соответствует промышленному давлению пневмосистемы 6 ... 8 атм., скорость удара составляет около 80 м/с, а время полёта частицы - примерно 3 с. За это время металл не успевает затвердеть и находится а пластическом состоянии. При контакте с поверхностью частицы деформируются и внедряются в напыляемую деталь.

Сцепление покрытия в основном является механическим, то есть за счёт микронеровностей, и лишь в некоторых местах имеет место диффузионное (сварочное) более прочное сцепление.

Недостатками данного метода являются: 1) относительно слабое механическое сцепление корки с основной поверхностью; 2) немонолитный, то есть пористый, состав покрытия; 3) необходимость особых методов подготовки поверхности.

Достоинства метода: 1) высокая производительность; 2) незначительный нагрев детали - до 200 С; 3) возможность нанесения слоя толщиной от 0,1 до 10 мм; 4) относительная простота процесса и оборудования.

Детали, испытывающие в процессе работы большие динамические нагрузки как правило не подвергают металлизации!

Применяют несколько видов напыления:

1) газо-плазменное;

2) электродуговое;

3) высокочастотное;

4) плазменное и др.

Перед применением любого из указанных видов металлизации деталь подвергают тщательной очистке от грязи и дробеструйной обработке. В результате образуется шероховатая поверхность без окислов.

При газо-плазменном напылении электродная проволока плавится в кислородно-ацетиленовом пламени. Распыление металла и его нанесение на поверхность осуществляется струёй сжатого воздуха.

При электродуговом напылении процесс расплавления металла идёт за счёт горения электрической дуги между двумя электродами. Распыление осуществляется аналогично, то есть струёй воздуха.

Серийно выпускаются металлизаторы для электродугового напыления КДМ-2; ЭМ-12; ЭМ-15.

При высокочастотном напылении вместо проволоки используются стержни из углеродистой или легированной стали, которые располагают в высокочастотном индукторе, где они плавятся токами высокой частоты и затем распыляются сжатым воздухом.

Недостатками данного способа являются: 1) высокая стоимость генератора ТВЧ; 2) меньшая производительность по сравнению с ранее рассмотренными способами. Главное достоинство метода - лучше качество покрытия за счёт меньшего выгорания легирующих элементов и меньшего количества окислов в зоне расплавления.

Плазменная металлизация по сравнению с другими способами имеет более высокие температуру и мощность. Это способствует повышению производительности процесса, а также позволяет наносить любые материалы, например, жаростойкие или неметаллические. Прочность сцепления покрытия с основой при данном методе наивысшая.

Схема установки следующая.

При использовании аргона в качестве плазмообразующего газа температура плазменной струи составляет от 15 до 40 тысяч градусов, а при использовании азота - 10 ... 15000 С.

Для применения данного метода серийно выпускают установки УПУ и УМН, которые включают в себя: 1) плазмотрон; 2) защитную камеру; 3) порошковый дозатор; 4) источник питания; 5) вращатель восстанавливаемой детали; 6) пульт управления.

Сопло плазмотрона является быстро изнашиваемой деталью. Поэтому его делают легкосъёмным. Источником питания является сварочный генератор ПСО-500 или выпрямитель ИПН-160/600. Так как азот значительно дешевле аргона, но требует большего напряжения источника питания для розжига, дугу часто зажигают аргоном, а затем переходят на азот.

Температура плазмы зависит от силы тока I, вида газа и его расхода Q. Обычно скорость истечения газа составляет от 100 до 1500 м/с. В качестве порошка для напыления применяют гранулированные частицы никеля, бориды, карбиды, железа и других материалов размером от 50 до 200 мкм. Этот порошок в зону горения подаётся с помощью плазмообразующего газа за счёт инжекционного эффекта. Марки некоторых порошков: ПГ-ХН80СР2; ПЖ-5М; АКП и др. Скорость расплавленных частиц, вылетающих из сопла, составляет 150 ... 200 м/с. Расстояние от сопла до напыляемой поверхности - 50 ... 80 мм.

Следует иметь в виду, что после напыления механическая обработка детали весьма затруднительна. Например, в случае токарной обработки применяют только твёрдосплавные пластины и пониженные режимы, то есть скорость резания v = 15 ... 20 м/мин; глубина резания t = 0,1 ... 0,5 мм; подача s = 0,1 ... 0,2 мм/об.

Покрытие, полученное любым из указанных способов напыления, имеет сравнительно не высокую прочность сцепления с основным металлом детали, а также пористую структуру. Поэтому для улучшения свойств покрытия деталей, испытывающих значительные динамические нагрузки, часто производят процесс оплавления покрытия. Это улучшает сцепление корки с основой, существенно уменьшает пористость, повышает ударную вязкость и износостойкость поверхности детали.

Для оплавления металлизационного слоя применяют: 1) ацетилен-кислородные горелки; 2) плазменную дугу; 3) ТВЧ. Температура оплавления не превышает 1100 С. При этом используют специальные порошки, например, ПС-1 или ПС-2, которые выполняют функции флюса.

Оплавлению после металлизации подвергают кулачки распределительных валов ДВС, шипы крестовин карданных передач, фаски клапанов, шейки коленчатых валов и др.

5. Основные понятия гальванопластики

Для восстановления деталей машин и их упрочнения применяют: 1) хромирование; 2) железнение; 3) никелирование.

Для защиты деталей от коррозии применяют: 1) цинкование; 2) кадмирование; 3) оксидирование; 4) фосфатирование; 5) азотирование; 6) цианирование; 7) грунтование и покраску.

Для улучшения электропроводности и условия пайки применяют: 1) меднение; 2) лужение; 3) серебрение.

Методы гальванопокрытий открыты русским учёным, академиком Якоби Б.С. в 1838 г. Данные покрытия получают с помощью электролиза, то есть прохождения электрического тока между двумя электродами - отрицательным катодом и положительным анодом, находящимися в электролите, в качестве которого используется водный раствор соли того металла коим делается покрытие.

Катодом при гальванопокрытии является восстанавливаемая деталь. Анод может быть нерастворимый. Тогда его выполняют в виде свинцовой пластины. Либо применяют анод растворимый. В последнем случае его делают из металла, который наносится на восстанавливаемую деталь.

При прохождении тока через электролит на катоде разряжаются положительно заряженные ионы, выделяется металл и водород H2. На аноде происходит разряд отрицательно заряженных ионов и выделяется кислород O2. То есть над электролитической ванной имеется гремучая смесь водорода и кислорода. Поэтому при проведении процесса электролиза и некоторое время после окончания его необходима интенсивная вентиляция в помещении где находится ванна и строгое соблюдение противопожарных мероприятий.

При использовании растворимого анода его металл переходит в раствор в виде ионов взамен осевших на катоде. При нерастворимом аноде в процессе электролиза концентрация соли в электролите уменьшается, то есть он истощается. Поэтому приходится периодически корректировать состав электролита путём добавления соли.

Для стабильности процесса электролиза необходимо выдерживать определённые значения катодной плотности тока Dк и анодной плотности тока Dа , под которыми понимаются отношения

Dк = I / Aк , А/дм2 ;

Da = I / Aa , А/дм2 ,

где I - сила тока между электродами ванны; Aк , Aa - площадь катода и анода соответственно.

Согласно Закону Фарадея масса металла, который выделяется на катоде из электролита при электролизе вычисляется по зависимости

m = I tэ C ,

где tэ - время электролиза; C - электрохимический эквивалент осаждаемого металла; - выход металла по току, то есть коэффициент, учитывающий потери на разогрев электролита, разложение (электролиз) воды и другие побочные процессы.

Значения электрохимических эквивалентов и коэффициентов выхода по току для некоторых металлов имеют следующие значения.

Металл	Cr	Zn	Fe	Ni	Cu
C, г/Ач	0,324	1,22	1,042	1,095	1,186
	0,01-0,16	0,98-0,99	0,85-0,9	0,8-0,9	0,96-0,98

Продолжительность процесса электролиза, необходимая для достижения требуемой толщины покрытия h, мм, оценивается по формуле

где - плотность осаждаемого металла, г/см3.

Следует учитывать тот факт, что после электролиза толщина покрытия не везде одинакова. Она зависит от плотности электрического поля, которая в свою очередь больше на выступах и углах восстанавливаемой детали. Поэтому для обеспечения одинаковой толщины покрытия по всей поверхности детали увеличивают так называемую рассеивающую способность электролита. Для этого в него вводят специальные добавки, уменьшают катодную плотность тока Dк , повышают температуру электролита и применяют перемешивание его. Иногда для этой же цели используют фигурные аноды, копирующие форму восстанавливаемой детали, а также дополнительные катоды и токонепроводящие экраны.

Каждый электролит имеет свою так называемую кроющую способность. Это свойство, характеризующее способность нанесения покрытия в углублениях восстанавливаемой детали. С увеличением концентрации соли в электролите его кроющая способность увеличивается.

Следует также учитывать, что гальванопокрытия имеют строго кристаллическую структуру металла, где растворено большое количество водорода. Что создаёт значительные внутренние напряжения. Поэтому структура и свойства электролитического металла существенно отличны от литого.

Изменяя режим процесса, то есть силу тока, температуру и состав электролита, можно программировать свойства покрытия.

6. Обработка деталей перед гальванопокрытием

При гальванопокрытии осуществляют следующие операции:

1) механическую обработку поверхностей, подлежащих наращиванию, для придания им точной формы;

2) очистку деталей от окислов;

3) предварительное обезжиривание;

4) изоляцию поверхностей, не подлежащих гальванопластике;

5) крепление деталей на подвесках ванны;

6) окончательное обезжиривание;

7) активацию (анодную или химическую);

8) собственно гальванопокрытие;

9) последующую промывку.

Качество выполнения указанных операций весьма существенно влияет на качество получаемого покрытия!

Механическую обработку перед гальваникой проводят чаще всего с помощью шлифовки. Очистку от окислов осуществляют либо вручную с помощью мелкой шлифовальной шкурки, либо на полировальных станках с применением паст. А детали с глубокой коррозией подвергают протравливанию в водных растворах соляной HCl или серной H2SO4 кислот. Для уменьшения воздействия кислот на чистый не корродированный металл в раствор вводят клей, смолы и другие вещества. Предварительное обезжиривание производят в органических растворителях, в качестве которых используют бензин, уайт-спирит и т.п. Изоляцию поверхностей не подлежащих покрытию осуществляют кислотостойкими, токонепроводящими материалами, например, лаками или полимерами ПВХ и др. Так перхлорвиниловый лак наносят в 2 - 3 слоя при цинковании, никелировании, меднении, кадмировании и в 3 - 5 слоёв при хромировании. При этом каждый слой просушивают 2 ... 3 часа при температуре не ниже 40 С. Окончательное обезжиривание производят в щелочных растворах. Типичный состав такого раствора: едкий натр 10 кг/м3; сода кальцинированная 25 кг/м3; тринатрийфосфат 25 кг/м3; эмульгатор ОП-7 5 кг/м3. Обезжиривание проводят при температуре 70 ... 80 С. При этом через ванну пропускается ток с катодной плотностью 5 ... 10 А/дм2. Промывку осуществляют не менее двух минут. Во избежание насыщения поверхностного слоя детали водородом (наводораживания) в конце обезжиривания на 20 ... 30 секунд изменяют полярность тока. Если детали имеют сложную форму с внутренними полостями, то электрохимическое обезжиривание не проводят, так как в полостях скапливается газ. Активацию поверхности детали делают с целью обеспечения прочной связи гальванического покрытия с основой. Её проводят химическим или электрохимическим методом. В первом случае детали из углеродистых сталей погружают в 3 ... 5 % раствор серной кислоты, а детали из легированных сталей - в 5 ... 10 % раствор соляной кислоты, чугунные детали - в 3 ... 5 % раствор плавиковой кислоты, медные в 5 ... 10 % раствор серной кислоты. При активации с поверхности удаляются оксидные плёнки и происходит протравливание поверхностей, то есть открытие их кристаллических структур. Электрохимическую активацию осуществляют в кислотном электролите с подключением к детали “+”. При этом используют растворы серной, фосфорной или хромой кислот. Продолжительность этого процесса при хромировании 30 ... 45 с, анодная плотность тока Dа = 20 ... 40 А/дм2. При железнении активация длится 2 ... 3 минуты при температуре 18 ... 25 С и плотности тока для стальных деталей Dа = 60 ... 70 А/дм2, а для чугунных Dа = 10 ... 15 А/дм2.

7. Хромирование

Данный процесс применяют в ремонтном производстве для компенсации износа деталей, а также для их упрочнения и улучшения антикоррозионных свойств.

Электролитический хром обладает высокими твёрдостью, износостойкостью, малым коэффициентом трения скольжения, хорошей коррозионной стойкостью и теплопроводностью, прочным сцеплением с основным металлом.

Недостатками хромирования являются: 1) низкий выход по току ( < 16 %); 2) малая производительность (до 0,03 мм/ч); 3) сравнительно небольшая максимальная толщина корки (до 0,4 мм), так как более толстая обладает плохими механическими свойствами; 4) высокая агрессивность и ядовитость хромовых электролитов; 5) снижение предела выносливости детали (до 20 %); 6) плохая смачиваемость маслом электролитического хрома.

Хромирование осуществляют в ваннах с подогревом. Изнутри такую ванну покрывают кислотостойким и теплопроводным материалом - чаще всего свинцом. Сверху оборудуют мощную приточно-вытяжную вентиляцию. А внутрь устанавливают анодную и катодную штанги.

Для хромирования применяют три типа электролитов:

1) сернокислый;

2) саморегулирующийся;

3) тетрохроматный.

Основной солью при хромировании является хромовый ангидрид (хромпик) CrO3. В зависимости от его концентрации сернокислые электролиты подразделяют на три типа: 1) низкой концентрации, где CrO3 составляет 120 ... 150 г/л; 2) средней концентрации, где CrO3 200 ... 250 г/л; 3) высокой концентрации (CrO3 = 300 ... 350 г/л).

Для обеспечения наивысшего выхода по току = 16 % необходимо иметь отношение серной кислоты к хромовому ангидриду , то есть, например, для электролита средней концентрации серной кислоты должно быть 2 ... 2,5 г/л.

Следует помнить, что электролиза хрома не будет, если в растворе нет трёхвалентного хрома Cr+3 в концентрации не менее 5 г/л. Для этого производят так называемую проработку электролита постоянным током плотностью Da = 4 ... 6 А/дм2 при температуре 45 ... 60 С и соотношении площадей катода и анода 3 / 5. Продолжительность этого процесса определяют из расчёта пропускания электричества 3 ... 4 Ач через 1 литр электролита.

Электролит низкой концентрации имеет самый высокий выход по току, хорошую рассеивающую способность и обеспечивает твёрдые и износостойкие корки. Этот электролит применяют для восстановления деталей с повышенными требованиями износостойкости.

Электролит высокой концентрации имеет плохую рассеивающую способность и малый выход по току, но хорошую кроющую способность. Он более устойчив в работе и обеспечивает блестящие корки, то есть его применяют для получения защитно-декоративных покрытий.

Электролит средней концентрации по своим свойствам занимает промежуточное положение.

Качества хромовых покрытий зависят не только от состава электролита, но и других параметров режима процесса, а именно: 1) катодной плотности

тока Dк , А/дм2; 2) температуры электролита tэл. Изменяя эти параметры, в электролите любой концентрации можно получить три вида корок:

1) матовые (серые) ;

2) блестящие ;

3) молочные .

Матовые корки отличаются высокой твёрдостью (9000 ... 12000 МПа). Они весьма хрупки. Имеют низкую износостойкость из-за очень плохой смачиваемости маслом. У данных покрытий образуется густая сетка мелких и неглубоких микротрещин. Отсюда и их название - серые или матовые.

Блестящие корки имеют твёрдость 6000 ... 9000 МПа, высокую износостойкость и повышенную хрупкость. Сеть микротрещин более разреженная, что определило их внешний вид и название.

Молочные корки имеют твёрдость 4000 ... 6000 МПа, высокую вязкость и износостойкость. Трещины отсутствуют.

В ремонтном производстве чаще всего получают блестящие и молочные хромовые покрытия деталей.

Для сернокислых электролитов при хромировании рекомендуют следующие режимы:

Электролит

1. Низкой

концентрации

2. Средней

концентрации

3. Высокой

концентрации

Температура tэл

Плотность тока Dк, А/дм2

Выход по току %

50 ... 60

30 ... 100

15 ... 16

45 ... 60

20 ... 60

12 ... 14

40 ... 50

15 ... 30

10 ... 12

Все указанные хромовые корки неудовлетворительно смачиваются маслом, а из-за высокой твёрдости плохо прирабатываются. Поэтому для деталей, работающих при недостатке смазки и высоких нагрузках применяют специальные пористые покрытия. Их можно получить механическим, химическим или электрохимическим способом. Последний применяют чаще всего. Суть его заключается в растравливании (расширении) микротрещин получаемой корки путём изменения полярности тока в конце процесса хромирования. Рекомендуется следующий режим травления: Da = 40 А/дм2; tэл = 50 ... 60 С; длительность Tо = 6 ... 10 мин. При этом толщина покрытия (припуск на травление) уменьшается на 0,01 ... 0,02 мм. Затем корка хонингуется или тонко шлифуется и в течении 1,5 ... 2 часов пропитывается маслом при температуре 150 ... 200 С.

Главным недостатком сернокислых электролитов является необходимость периодической корректировки их состава из-за истощения, а также малый выход по току. Этих недостатков отчасти лишены саморегулирующиеся электролиты.

Чтобы электролит обладал свойством саморегуляции, то есть поддержания примерно на одном уровне концентрации солей, в него добавляют некоторые вещества, например, кремнефтористый калий K2SiF3, сернокислый стронций SrSO4, углекислый кальций CaCO3, сернокислый кобальт CoSO4 и другие. Причём данные соли вводят в раствор в количествах существенно превышающих их растворимость. В результате значительная их часть находится в виде осадка на дне электролитической ванны. По мере отложения хрома на катоде, то есть на восстанавливаемой детали, изменяется концентрация CrO3 и происходит дополнительное растворение имеющихся солей. При этом автоматически поддерживается стабильность процесса хромирования до полного исчерпания основной соли - хромпика CrO3.

Рекомендуемый состав указанных электролитов и параметры режима хромирования представлены в таблице.

Компонент электролита и параметр режима

Стронций-калевый электролит

Кальций-кобальтовый электролит

CrO3, г/л

H2SO4, г/л

SrSO4, г/л

K2SiF4, г/л

CaCO3, г/л

CoSO4, г/л

t С

Dк, А/дм2

, %

225 ... 300

–

5,5 ... 6,5

18 ... 20

–

50 ... 65

40 ... 100

18 ... 20

380 ... 420

–

60 ... 75

18 ... 20

18 ... 25

100 ... 300

35 ... 40

Последний указанный электролит (кальций-кобальтовый) наиболее перспективен, так как менее токсичен и имеет в 10 раз большую скорость осаждения, но требует мощных источников электрического тока из-за высоких плотностей тока, а также имеется необходимость в системе охлаждения.

Для хромирования также используют тетрохроматный электролит, положительным качеством которого от ранее рассмотренных является значительно меньшая агрессивность, так как большая часть хромовой кислоты нейтрализуется щёлочью, образуя тетрохромат натрия Na2O 4CrO3. Данный электролит имеет следующий состав: CrO3 = 350 ... 400 г/л; H2SO4 = 2,5 ... 3,0 г/л; едкий натр NaOH = 40 ... 60 г/л. Параметры режима хромирования в данном случае следующие: температура t = 16 ... 25 С; Dк = 20 ... 80 А/дм2; = 25 ... 30 %.

Высока кроющая способность данного электролита. Корки получаются относительно мягкими, пластичными с малой пористостью. Скорость осаждения хрома в два раза выше по сравнению с простыми сернокислыми электролитами. Следует иметь в виду, что при температуре выше 25 тетрохромат разлагается.

Uхх=12 ... 18 В

–

Вибратор

ода + сода кальцинир.

проволока

линза

шихта

аргон

поворотное

зеркало

полупрозрачное

зеркало

заднее

зеркало

рубиновый

стержень

воздух

С2Н2

О2

Зона

горения

деталь

воздух

проволока

воздух

индуктор ТВЧ

“-” катод

“+” анод

плазмообразующий газ

порошок для напыления

рубашка охлаждения

деталь

“–“

“+“

электролит

tэл

Dк, А/дм2

матовые

хрупкие

блестящие

твёрдые

молочные

мягкие

РЕМОНТ МАШИН