Труженик сельского хозяйства| Труженик сельского хозяйства |
Состояние и перспективы восстановления деталей в АПКможно использовать детали, демонтированные со списанных машин, и выбракованные запасные части. Наиболее эффективно можно их применять в случае сбора, восстановления и поставки не отдельно, а собранными в комплекты. Ремонтные комплекты восстановленных деталей можно классифицировать по схеме, приведенной на рис. 2.4.3. Комплект может поставляться как группа несобранных (расчлененных) деталей или как сборочный элемент, где группа расчлененных деталей собрана в общую структуру. Рис. 2.4.3. Классификация формирования ремонтного комплекта 117 117 Формировать ремонтные комплекты следует на основе системного подхода. Начинать надо с изучения конфигурации изделия, характера износов, причин отказов деталей при эксплуатации, технологии ремонта и т.д. Критерием эффективности является минимизация для достижения заданного уровня надежности. Построение процессов общей и узловой сборки можно проследить с помощью технологических схем. Они возможны в нескольких вариантах, отличающихся структурой и последовательностью комплектования сборочных элементов. Варианты надо выбирать с учетом удобств сборки и контроля, обеспечения заданного качества изделий, рентабельности и повышенной эффективности процесса для каждого условия производства (единичного, серийного, массового). Ремонтные комплекты можно условно разделить на три группы: • составленные исходя из технологических соображений по обеспечению ресурса (обоснованные испытаниями) и точности методом 2. СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ В АПК селекции на размерные группы из двух сборочных единиц (например, шатун – поршневой палец), однако эти комплекты должны быть сгруппированы для каждого двигателя по массе; • собранные из восстановленных деталей и сгруппированные по принципу всеобщего охвата сортируемых деталей по размеру и массе, например, шатунно-поршневая группа, включающая в себя шатун в сборе – поршневой палец – поршень в сборе – гильзу; • сгруппированные по принципу – механизм в сборе, когда требуется обеспечить точное взаимное расположение геометрических осей и поверхностей деталей, например, двигатель, включающий в себя блок цилиндров-коленчатый вал в сборе – гильзу цилиндров в сборе – шатунно-поршневую группу, собранные в единый комплект (табл. 2.4.3). 118 Блок Головка Коробка Гидронасос Топливный насос Гидрораспределитель Гидроцилиндр Движитель Корпус блока цилиндров, коленчатый вал с вкладышами, гильзы цилиндров, поршни с кольцами, шатуны с втулками, поршневые пальцы, компенсирующие детали Головка блока, клапаны, втулки, пружины с сухариками Корпус коробки передач (заднего моста, редуктора и т.д.), шлицевые валы и втулки, шестерни Корпус, шестерни, втулки Плунжерные пары, распылители, трубопроводы Корпус, штоки Гидроцилиндр, шток Опорные катки, поддерживающие ролики, ведущее и направляющее колеса, звенья гусеницы Раздел 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ 119 119 50-60 65-75 80-100 150-200 120-160 150-220 200-280 250-350 1,2-2,5 1,2-2,5 1,2-2,5 1,2-2,5 75 85 105 140 Наплавку плоских поверхностей проводят через валик или отдельными участками с целью уменьшения коробления детали. Скорость наплавки устанавливают в 16-32 м/ч (с увеличением диаметра наплавляемой детали она возрастает). Напряжение принимают равным 26-32 В. При таких режимах толщина наплавленного слоя составляет 1,5-3 мм. Вылет электрода принимают таким же, как и при наплавке плоских поверхностей. Основные параметры наплавки плоских поверхностей приведены в табл. 3.1.2. 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ Таблица 3.1.2 Основные параметры наплавки плоских поверхностей 2-3 3-4 4-5 5-6 160-220 320-350 350-460 650-750 1,6-2,0 1,6-2,0 2,0-3,0 4,0-5,0 100-125 150-200 180-210 200-250 120 При восстановлении деталей обычно применяют проволоку Ø1,2-3 мм. Наплавка в среде защитных газов. Отличается от наплавки под флюсом тем, что в качестве защитной среды используются инертные газы или углекислый. Схема наплавки в защитном газе показана на рис. 3.1.1. Из инертных газов наиболее широкое распространение получил аргон. Его применяют при наплавке высоколегированных хромо-никелевых и коррозионноустойчивых сталей и сплавов на основе меди, алюминия и др. Наплавка в защитных газах используется в тех случаях, когда невозможна наплавка под флюсом: затруднены его подача и удаление шлаковой корки, например, при наплавке внутренних поверхностей глубоких отверстий или мелких деталей, или для восстановления деРис. 3.1.1. Схема наплавки талей сложной формы. в защитном газе: 1 – сопло; Наплавку ведут короткой дугой, 2 – зачетный газ на постоянном токе обратной полярности, с использованием источников питания с жесткой внешней характеристикой. К недостаткам этого процесса следует отнести открытое световое излучение дуги и повышенное разбрызгивание металла (5-10%). 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ Наибольшее распространение на ремонтных предприятиях нашла наплавка в среде углекислого газа – устраняются дефекты резьбы, осей, шлицев, зубьев, пальцев, шеек валов и других деталей; проводится на постоянном токе обратной полярности. Расход углекислого газа, достаточный для защиты зоны сварки от воздуха, составляет 7010 л/мин. С возрастанием плотности тока расход газа увеличивается. В зависимости от назначения детали, материала и вида термической обработки для наплавки рекомендуются определенные марки электродной проволоки. Для наплавки резьбовых поверхностей применяют, как правило, проволоку Св-0,8Г2С, а шлицев и шеек валов – Нп-30ГСА, Св-18ХГСА. Проволока должна обязательно содержать раскислители (кремний, марганец и др.). В качестве защитных газов применяют аргон, гелий или их смеси с незначительным количеством СО2, N2, О2. Импульсно-дуговую сварку и наплавку используют для восстановления деталей из алюминия и его сплавов. Для восстановления деталей машин начали применять дуговую наплавку с газопламенной защитой природным газом (магистральный) и кислородом (технический). Вибродуговая наплавка. Суть наплавки заключается в том, что электрод вибрирует вдоль своей оси, вызывая короткие замыкания в сварочной цепи и кратковременные периоды действия дуги. Между деталью и электродной проволокой, включенными в цепь источника питания, периодически возбуждается дуга. Прерывистость возбуждения дуги достигается путем продольного перемещения вибратором электродной проволоки с частотой 50 колебаний в минуту и более и амплитудой 0,5-3 мм. Для повышения стабильности горения дуги при низком напряжении источника питания (12-18В) в цепь последовательно с ним включают дроссель. Одновременно в зону наплавки по каналу вибродуговой головки подается охлаждающая жидкость. В качестве охлаждающей жидкости применяется водный раствор кальцинированной соды (2,5-6,0% CaCO3) или 20%-ный водный раствор глицерина. В некоторых случаях используются растворы поташа, красной кровяной соли и других веществ, улучшающих устойчивость горения дуги. 121 121 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ 122 Вследствие вибрации электродной проволоки происходит чередование: «дуговой разряд – короткое замыкание – холостой ход». Электрод и деталь оплавляются за счет дугового разряда. Перенос жидкого металла с электрода на изделие происходит преимущественно во время короткого замыкания. Диапазон наплавляемых с помощью этого способа размеров деталей – 8-200 мм. Вибродуговая наплавка дает возможность получать слой толщиной от десятых долей миллиметра до 3 мм за один проход. Толщина наплавляемого слоя в основном зависит от диаметра электродной проволоки (соответственно, мм): менее 1 – 1-1,5; 1-2 – 1,5-2,5; 2 и более – 2-3. Вибродуговой наплавкой восстанавливают и чугунные детали, не под вергающиеся значительным динамическим нагрузкам, на которые нужно нанести равномерный тонкий слой металла при минимальной их деформации: оси, валы, шлицевые валики и др. Наплавка порошковыми проволоками и лентами. Эту наплавку выполняют на постоянном токе обратной полярности. Диаметр электродной проволоки и сечение ленты выбираются в зависимости от диаметра восстанавливаемой детали и требуемой толщины наплавляемого слоя металла с учетом припуска на обработку, составляющего 0,8-1,5 мм на сторону. Сила тока устанавливается в зависимости от скорости подачи проволоки и ее диаметра, а напряжение дуги – от сварочного тока. Широкослойная наплавка. При этом способе наплавку тел вращения выполняют не по винтовой линии, а с поперечными колебаниями электрода за один оборот детали. При наплавке внутренних цилиндрических и конических поверхностей применяются специальные удлиненные мундштуки. Наплавку тел сложной формы следует проводить самозащитной порошковой проволокой на специализированных станках, позволяющих придать оси вращения горизонтальное положение. Для механизированной дуговой наплавки выпускается проволока стальная наплавочная, различная по химическому составу: углеродистая – марок Нп-25, Нп-40 и др.; легированная – Нп-40Г, 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ Нп-ЗОХГСА и др.; высоколегированная – марок Нп-20Х14, НпЗОХЮГЮТ и др. Наплавочная стальная проволока производится из стали открытой выплавки, может быть изготовлена также из выплавленной электрошлаковым способом в вакуумно-индукционных печах. Для наплавки применяются также некоторые марки стальной сварочной проволоки. Для сварки деталей из чугуна используют проволоки МНЖКТ5-1-02-02 (на медной основе) для сварки в среде аргона (6-9 л/мин) или самозащитные проволоки Св-15ГСТЮЦА (стальная) и ПАНЧ-11 (на никелевой основе). В последние годы при сварочных работах, в том числе при наплавке деталей, в больших объемах применяют порошковую проволоку и ленту. Порошковая проволока представляет собой смесь порошкообразных (шлакообразующих, раскисляющих, легирующих и др.) материалов, запрессованных в оболочку из стальной низкоуглеродистой ленты в виде трубки (или более сложной формы). В процессе наплавки плавятся металлическая оболочка и компоненты сердечника. Флюсы, применяемые при сварке и наплавке, представляют собой гранулы, которые при расплавлении образуют жидкий шлак, защищающий металл сварочной ванны от азота и кислорода воздуха. Кроме того, флюсы предназначены и для обеспечения устойчивого горения дуги, раскисления сварочной ванны, легирования наплавленного металла и др. Из неплавленых флюсов наибольшее применение получили керамические. 3.1.2 Газовая сварка и наплавка Процесс проводится, как правило, ацетилено-кислородным нейтральным пламенем. Ацетилен получают с помощью генераторов. Для газовой сварки используют различные горелки. Расход кислорода на 10-20% больше, чем ацетилена. При ручной сварке пламя направляют на свариваемые кромки 123 123 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ 124 так, чтобы они находились в восстановительной зоне на расстоянии 2-6 мм от конца ядра. Конец присадочной проволоки также держат в восстановительной зоне или сварочной ванне. Положение горелки (угол наклона ее мундштука к поверхности свариваемого металла) зависит от толщины соединяемых кромок изделия и теплопроводности металла. Чем толще металл и больше его теплопроводность, тем больше должен быть угол наклона. Применяют два основных способа газовой сварки – правый и левый (рис. 3.1.2). При правом способе (рис. 3.1.2 а) процесс сварки ведется слева направо. Горелка перемещается впереди присадочного прутка, а пламя направлено на формирующийся шов. Этим обеспечиваются хорошая защита сварочной ванны от воздействия атмосферного воздуха и замедленное охлаждение сварочного шва. Способ позволяет получать швы высокого качества. При левом способе (рис.3.1.2 б) процесс сварки выполняют справа налево. Горелка перемещается за присадочным прутком, а пламя направляется на несваренные кромки и подогревает их, подготавливая к сварке. Рис. 3.1.2 (а,б). Основные способы газовой сварки: 1 – формирующийся шов; 2 – присадочный пруток; 3 – пламя горелки; 4 – горелка Основные параметры режима сварки выбирают в зависимости от свариваемого металла, его толщины и типа изделия. Определяют необходимую мощность пламени, вид пламени, марку и диаметр присадочной проволоки, технологию сварки. Швы накладывают одно- и многослойные. При толщине металла до 6-8 мм применяют однослойные швы, до 10 мм – два слоя, более 10 мм – три слоя и более. Толщина слоя при многослойной сварке зависит от размеров шва, толщины металла и составляет 3-7 мм. Перед наложением последу- 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ ющего слоя поверхность предыдущего должна быть хорошо очищена металлической щеткой. Сварку выполняют короткими участками. При этом стыки валиков в слоях не должны совпадать. 3.1.3.Электрошлаковая наплавка Для получения покрытий значительной толщины (более 10 мм) применяется электрошлаковая наплавка. При этом способе в качестве источника теплоты используют теплоту, возникающую при прохождении электрического тока через расплавленный шлак. При этом шлак нагревается до температуры свыше 2000°С и расплавляет основной и присадочный материалы. По сравнению с другими способами при этой наплавке достигаются большая производительность и высокое качество покрытий. Наплавку выполняют в один слой, вследствие чего отпадает необходимость в зачистке слоев, что требуется при многослойной наплавке. 3.1.4.Плазменная наплавка В качестве источника теплоты при плазменной сварке и наплавке используется плазменная струя. Она представляет собой высокоинтенсивный источник теплоты, максимальная температура которого может превышать 20000 К, что позволяет расплавлять различные тугоплавкие материалы. Плазму получают пропусканием газовой струи через дуговой разряд, возбуждаемый между двумя электродами. Дуга горит в замкнутом цилиндрическом канале, стенки которого подвергаются интенсивному охлаждению. Охлаждение наружной поверхности столба дуги вызывает его концентрацию, вследствие чего температура столба дуги резко повышается. Плазмообразующий газ, проходящий через межэлектродное пространство, приобретает высокий запас энергии, которую используют для нагрева в процессе наплавки. Для получения плазменной струи применяют специальное устройство – плазмотрон. В настоящее время из всех конструкций плазмотронов наибольшее распространение получили плазмотроны постоянного тока как 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ 126 более простые по своим конструктивным схемам. Широкое использование плазмотронов переменного тока сдерживается из-за значительной эрозии электродов и невысокой стабильности горения дуги. Несмотря на большое разнообразие конструкций, плазмотроны имеют следующие общие основные элементы: корпус, сопло, электрод, узел крепления электрода, изолятор (разделяет электрод и сопло), водяные и газовые коммуникации. Наиболее термически нагруженными являются электроды и сопла. Они отличаются по конструкции, роду используемого материала, типу охлаждения. Тип и конструкция электрода (катода) определяются составом плазмообразующей среды. В плазмотронах, работающих в среде инертных и нейтральных газов (аргон, азот, гелий, смеси: аргон + азот, аргон + водород, азот + водород), применяются катоды из вольфрама. В плазмотронах, работающих в кислородосодержащих средах, используют катоды из гафния и циркония. Для плазменной наплавки наиболее часто используется схема комбинированного подключения плазмотрона к источнику питания. В этом случае между вольфрамовым электродом и соплом анода зажигается вспомогательная сжатая дуга косвенного действия, обладающая электропроводимостью и образующая при соприкосновении с токоведущей деталью сжатую дугу прямого действия. При восстановлении и упрочнении деталей применяют несколько разновидностей плазменной наплавки, различающихся типом присадочного материала, способом его подачи на изношенную поверхность и электрической схемой подключения. В зону дуги могут подаваться следующие присадочные материалы: нейтральная или токоведущая проволока, две проволоки вместе, порошок, порошок одновременно с проволокой. Плазменную наплавку можно выполнять одиночными валиками (при наплавке цилиндрических деталей по винтовой линии), а также с применением колебательного механизма (для широких слоев), на прямой и обратной полярности. Наиболее простым способом наплавки является наплавка по заранее насыпанному на наплавляемую поверхность порошку. При наплавке, например, клапанов по профилю фаски клапа- 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ на изготовляют кольцо, надевают на фаску клапана и расплавляют плазменной струей. Большое распространение для восстановления деталей получает плазменная наплавка с вдуванием порошка в дугу. Этот способ применяют для наплавки малогабаритных деталей с толщиной наплавляемого слоя 0,1-1 мм. В качестве наплавочного материала широко используются самофлюсующиеся порошки сплавов на никелевой основе ПГ-СР2, ПГ-СРЗ, ПГ-СР4 и др. Наплавка этих материалов обеспечивает получение износостойких и коррозионно-устойчивых покрытий. Для наплавки порошковыми материалами применялись плазмотроны с тремя отдельными соплами, через которые в зону наплавки подавались три газовых потока – плазмообразующий, для транспортирования порошка и защитный. В настоящее время разработаны схемы наплавки, в которых газ, транспортирующий наплавочный порошок, одновременно выполняет и защитные функции. Частицы порошка, более тяжелые, чем газ, не изменяя направления, транспортируются в сварочную ванну под заданным углом, в то же время транспортирующий газ оттесняет наружный воздух от наплавляемого металла и образует вокруг сварочной ванны газовую защиту. Транспортирующий и одновременно защитный газ выходит на определенном расстоянии от плазмообразующего канала, и его истечение не подвержено воздействию сжатой дуги. Однако плазменная наплавка с подачей порошка в дугу плазмотрона транспортирующим газом имеет недостатки. Различные траектории и скорости частиц порошка снижают интенсивность и полноту его расплавления. Часть порошка наносится на деталь в нерасплавленном состоянии, что ухудшает качество покрытия. Перспективна плазменная наплавка с присадочной токоведущей проволокой. В этом случае сжатая дуга используется, главным образом, для плавления проволоки и в меньшей степени – подогрева детали. Применяют и другие схемы плазменной наплавки, например, плавящимся электродом и двумя присадочными проволоками от автономных приводов. Плазменной наплавкой целесообразно восстанавливать дета- 127 127 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ ли типа «вал», особенно с небольшими износами (шейки, посадочные места, фланцы), в том числе трубчатые детали с тонкими стенками, восстановление которых другими способами затруднено из-за возможного прожигания стенок, а также детали диаметром менее 25 мм. Серийно выпускаются установки для плазменной наплавки УПН-303, УПН-602 и др. Можно также применять установки для плазменной сварки УПС-301, УПС-403, УПС-804, а также для плазменного напыления УМП-5, УМП-6, УПУ-3, УПУ-5 после изменения электрической схемы и замены плазмотрона. Для восстановления деталей плазменной наплавкой разработано оборудование – комплект КПН-01.23-215 «Ремдеталь», пост 01.23-21 «Ремдеталь», установка УД-415 и др. 3.1.5. Другие способы наплавки Электронно-лучевая наплавка. Суть ее заключается в нагреве основного и присадочного материала бомбардировкой электронами. Источником теплоты при электронно-лучевой сварке и наплавке служит энергия потока ускоренных электронов. В электроннолучевых установках электронный луч генерируется и управляется с помощью электронно-оптической системы, называемой электронной пушкой. Поток электронов, имитируемых катодом, предварительно ускоряется и формируется электростатическим полем в области «катод – анод». Существуют несколько систем электронных пушек. Наиболее просты по конструкции те, в которых электронный пучок формируется только с помощью прикатодного электрода, а анодом служит (изделие) деталь. Электронно-лучевой наплавкой можно наносить тонкий (0,1-2 мм) слой порошковых покрытий, например, на кромки рабочих органов сельскохозяйственных машин. Поверхности рабочих кромок лемехов и лап следует зачищать от окалины пескоструйной обработкой или травлением. Наплавку осуществляют с помощью промышленного ускорителя, снабженного системой выпуска концентрированного пучка электронов, например, ЭлВ = 6. Используют 128 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ различные порошки, например, типа «сормайт», частицами 700 мкм максимальных размеров, без использования флюсов и защитных газов, на воздухе. В процессе электронно-лучевого нагрева расплавляются не только порошок, но и поверхностный слой металла деталей, в результате образуется их сплав. Испытания показали, что покрытия имеют хорошую сцепляемость с основой. Ресурс работы деталей, наплавленных таким способом, в 2 раза выше, чем высокочастотной наваркой, при таком же количестве порошка. В ремонтном производстве электронно-лучевая наплавка пока применяется крайне редко. Лазерная наплавка. При этом способе наплавочные материалы (порошок, фольга, проволока и др.), нанесенные на поверхность детали, оплавляются лазерным лучом. Наибольшее применение нашли порошковые материалы. Нанесение порошка на деталь может быть осуществлено двумя способами: насыпка в зону лазерной обработки; предварительная обмазка детали клеющим составом и затем насыпка на эту основу. Для первого случая характерны увеличенный расход порошка (в 5-7 раз) и ухудшение физико-механических свойств покрытия. С увеличением обмазки по толщине увеличиваются поглощение излучения и КПД наплавки. Одновременно возрастает твердость нанесенного слоя, которую путем подбора скорости наплавки и материала можно регулировать в пределах 35-65 HRCэ. При наплавке порошковых материалов необходимо принимать во внимание грануляцию частиц. Увеличение размеров частиц связано с увеличением твердости и износостойкости покрытия и улучшением наплавочных характеристик порошка. Оптимальной является смесь различных фракций: 40-100 мкм – 10; 100-280 мкм – 80; 280 мкм и более – 10%. Оплавление лазерным лучом проводится на установках, использующих серийные лазеры. Качество покрытий зависит от скорости перемещения лазерного луча, толщины наплавляемого слоя и перекрытия валиков. 129 129 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ В качестве механической обработки обычно применяют шлифование. Ресурс деталей, восстановленных лазерной наплавкой, равен ресурсу новых, а в отдельных случаях превышает его. ГОСНИТИ разработаны технологические процессы восстановления лазерной наплавкой таких деталей, как золотник гидрораспределителя, вал распределительный, вал кулачковый топливного насоса и др. Для лазерной наплавки можно использовать лазерные технологические модули (табл. 3.1.4). 3.2. ВОССТАНОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ НАВАРКОЙ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО СЛОЯ 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ Электрические параметры – сила сварочного тока и длительность сварочного цикла. При недостаточной силе тока не происходит полной сварки присадочного материала с основным металлом детали. При этих параметрах выше оптимальных на поверхности восстанавливаемой детали образуются поры и трещины. Механические параметры – частота вращения детали, подача электродов, усилие сжатия электродов в большей степени влияют на свариваемость навариваемого слоя с материалом детали, твердость наваренного слоя, другие физико-механические свойства. При восстановлении деталей контактной наваркой используются ленты, проволока, порошки металлов и порошковые смеси из твердых тугоплавких соединений. Применение их позволяет повысить износостойкость деталей, работающих при абразивном изнашивании, в 1,5-8 раз. Данным методом можно получать покрытия слоистой структуры путем последовательного наложения друг на друга слоев различной природы, например, лента и порошок. Контактная наварка – эффективный высокопроизводительный способ восстановления цилиндрических деталей. Толщина наваренного слоя регулируется в пределах 0,2-1,5 мм, зона термического влияния не превышает 0,5 мм, припуск на механическую обработку – 0,2-0,5 мм. Наварку стальной ленты применяют для восстановления шеек валов, стаканов, посадочных мест под подшипники качения корпусных деталей и т.д., наварку проволоки – для резьбовых частей деталей. Контактной наваркой порошков в ремонтном производстве восстанавливают постели блоков цилиндров, посадочные поверхности коробок передач, поверхности клапанных гнезд головок блоков и другие детали. Она имеет ряд преимуществ по сравнению с другими способами: благодаря малому нагреву детали уменьшаются внутренние напряжения и деформации детали; наносятся покрытия заданной толщины; потери металла и выгорание легирующих элементов при нанесении покрытий почти отсутствуют, что позволяет характеризовать эту технологию как малоотходную; применяются многие виды присадочных материалов: стальная лента, проволока различного состава, порошки металлов и сплавов 131 131 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ 132 и т. д., а также такие доступные и дешевые порошки, как сормайт и другие, цена которых в 10-30 раз ниже, чем самофлюсующихся, при равной износостойкости и хорошей обрабатываемости шлифованием (отсутствует «засаливание» кругов); в отличие от дуговых, плазменных, гальванических способов процесс экологически чистый; в процессе наварки происходит закалка поверхностных слоев; высокая прочность сцепления покрытий (100-250 МПа); широкое внедрение процесса показало, что его могут выполнять рабочие после двух-трехдневного обучения; контактная наварка позволяет в 5-10 раз повысить износостойкость деталей путем нанесения композиционных покрытий, содержащих различные твердые сплавы. Недостатки процесса контактной наварки: малая автоматизация процесса; трудность обработки покрытий резанием и нанесения покрытий на детали сложной формы; неправильный выбор режимов наварки приводит к несплавлению в отдельных местах ленты и проволоки с основным металлом; при наварке порошковых материалов получаемый металлический слой имеет участки расплавленного и спеченного порошка, различную твердость, что затрудняет механическую обработку. 3.2.1.Наварка металлической ленты Сущность процесса заключается в приварке к изношенной поверхности детали стальной ленты мощными импульсами тока. Металл ленты и детали в сварной точке под воздействием импульса тока расплавляется. Расплавление ленты происходит в тонком поверхностном слое в месте контакта с деталью. Сварные точки располагаются по винтовой линии и перекрываются как вдоль рядов, так и между ними, что достигается вращением детали со скоростью, пропорциональной частоте импульсов, и продольным перемещением сварочных клещей. Такое расположение сварных точек благоприятно влияет на качество приварки. 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ С целью уменьшения нагрева детали и улучшения закалки наваренного слоя в зону сварки подают охлаждающую жидкость. Технология восстановления деталей контактной наваркой стальной ленты включает в себя подготовку деталей и лент, наварку ленты, обработку деталей после наварки. Подготовка осей к восстановлению заключается в правке центровых фасок и снятии с шейки слоя до диаметра меньше номинального на 0,3-0,5 мм, с изношенными внутренними поверхностями – в шлифовании их до диаметра больше номинального на 0,3-0,5 мм. Заготовки нарезают из лент толщиной 0,3-1 мм. Ширина их должна равняться ширине восстанавливаемого участка, а длина – его периметру. Зазор в месте стыка концов ленты не должен превышать 0,5-0,8 мм, нахлест концов не допускается. Заготовки из стальной ленты изготовляют на установке 02.11-157 «Ремдеталь», которая обеспечивает резку ленты необходимых размеров и повышает производительность труда в 5 раз по сравнению с ручным способом. С поверхности ленты удаляют следы коррозии и масел. Материал ленты должен соответствовать твердости восстанавливаемого участка детали. Предварительно устанавливают режимы. Затем деталь закрепляют в патроне установки и подводят электроды к средней части восстанавливаемого участка. Расход охлаждающей жидкости 1,6 л/мин, усилие сжатия электродов 2-3 кН. При вращении детали подается лента из механизма подачи под нижний электрод. В момент касания электрода и ленты включают кнопку «Сварка» и прихватывают ленту коротким швом к поверхности детали без подачи сварочных клещей. Окончательную приварку ленты проводят с включенной подачей сварочных клещей, соблюдая выбранные режимы (табл. 3.2.1). Покрытия целесообразно обрабатывать резанием шлифовальным кругом из белого электрокорунда в следующем режиме: окружная скорость круга 35 м/с, детали – 25-30 м/мин, поперечная подача круга 0,2-0,3 мм/мин. Обработку ведут при обильном охлаждении зоны шлифования. В качестве охлаждающей жидкости рекомендуется применять 1,5-3%-ный раствор кальцинированной соды. Выбор сравнительно невысоких режимов обработки обусловлен тем, что переходная зона (покрытие – основной металл) обладает понижен- 133 133 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ ной теплопроводностью. Применение жестких режимов обработки в этом случае может привести к концентрации теплоты в наваренном слое и его отслоению вследствие линейного расширения. Сила сварочного тока, кА Длительность, с: сварочного цикла паузы Скорость сварки, м/мин Подача электродов, мм/об Усилие сжатия электродов, кН Расход охлаждающей жидкости, л/мин 7,80-8,00 0,12-0,16 0,08-0,10 0,50 3-4 1,70-2,25 0,50-1 134 Обработку наваренной ленты осуществляют на шлифовальных станках абразивными кругами. Качество наварки проверяют путем шлифования приваренного слоя ленты на образцах или контрольных деталях: на них после шлифования должен оставаться слой толщиной 0,015-0,020 мм. Если шелушение слоя не наблюдается или захватывает не более 5% площади, можно считать, что свариваемость слоя ленты с основным материалом детали нормальная. Для наварки ленты в ГОСНИТИ разработана и изготавливается целая линейка установок. Одна из них – установка для восстановления цилиндрических поверхностей электроконтактной приваркой 011-1-10 «Ремдеталь». 3.2.2.Наварка проволоки Существуют различные схемы наварки проволоки. В ремонтном производстве распространена наварка проволоки в поверхностные канавки. Процесс состоит из трех операций: высадка изношенной поверхности, приваривание присадочного материала (проволоки) и механическая обработка детали до необходимого размера. 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ Наварку производят на установке УЭМО-2 для электромеханической обработки или переоборудованном трансформаторе контактной сварочной машины, или на токарно-винторезном станке, оснащенном дополнительным редуктором для снижения частоты вращения шпинделя. Режимы высадки канавки и наварки приведены в табл. 3.2.2. Шаг высадки и диаметр проволоки выбирают в зависимости от величины износа с учетом припуска на механическую обработку. В основном применяют проволоки из мало- и среднеуглеродистой стали. В место контакта ее с инструментом подается вода. Для высадки и приварки проволоки используют универсальные оправки, которые состоят из роликов, пластин (для высадки канавки) и головок (для приварки проволоки). Приваривающие ролики выполнены из бронзы БрОЦС5-5-5. В процессе приварки проволоки в месте контакта ее с деталью образуются оксиды, которые ухудшают сцепляемость наваренного слоя. Для удаления оксидной пленки непосредственно перед наваркой проволоки на поверхность наносят концентрированную ортофосфорную кислоту. Широкое применение этот способ нашел при восстановлении резьбовых участков валов, штуцеров и других подобных деталей. Присадочную проволоку укладывают во впадины резьбы и зажимают вместе с деталью между электродами сварочной машины. Благодаря их сжатию присадочная проволока полностью заполняет 135 135 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ впадину между витками и сваривается с ее боковыми гранями, образуя сварочное соединение. Диаметр проволоки подбирают так, чтобы при нагреве и осадке она полностью заполняла впадину между витками и при этом оставался припуск на механическую обработку. Наилучшие результаты достигаются в том случае, если диаметр присадочной проволоки равен шагу резьбы или больше его на 5-10 %. Сварочный ток должен создавать в месте контакта проволоки с деталью высокую температуру, достаточную для сварки металла в твердой фазе, не расплавляя витков. Усилие сжатия приводит проволоку и деталь в тесное соприкосновение, способствующее разрыву оксидных пленок и слоев адсорбированных газов, обеспечивает возможность сварочного процесса и оказывает значительное влияние на качество сварочного соединения. Для восстановления резб электроконтактной приваркой проволоки ГОСНИТИ разработало установку 011-1-05 «Ремдеталь». 3.2.3.Наварка порошка Сущность этого способа состоит в спекании частиц порошка друг с другом и с металлом детали под действием давления электродов и теплоты, выделяющейся при прохождении сварочного тока большой плотности (1-5кА/см2). Наварка позволяет широко варьировать состав навариваемых порошков, использовать их разнообразные смеси в зависимости от требующихся по условиям эксплуатации свойств материала. Контактной наваркой можно получать износостойкие покрытия, применяя порошки, которые выпускаются промышленностью. Наварка порошковых твердых сплавов ПГ-СР2 (60%) +ПИС-3 (40%) или ПН73Х16СЗРЗ (100%) осуществляется при напряжении на сварочном трансформаторе 4 В, длительности импульса 0,14, паузы – 0,12 с, давлении в контакте сварочного электрода с деталью 650 МПа. Контактной наваркой порошковых твердых сплавов восстанавливают, например, торцовые уплотнения водяных насосов. После наварки припуск на механическую обработку оставляют 0,7-1 мм. 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ Черновая токарная обработка опорного торца выполняется резцом из гексанита–Р при частоте вращения шпинделя 150-200 мин-1, подаче 0,15-0,2 мм/об, глубине резания 0,5-0,9 мм, чистовая – при частоте вращения шпинделя 400-500 мин-1, подаче 0,02-0,2 мм/об, глубине резания 0,1-0,5 мм. 3.2.4. Другие способы наварки Индукционная наварка. Наварку, при которой расплавление основного и присадочного металлов (сплавов) производят за счет теплового действия индуктируемого тока, называют индукционной, или наваркой токами высокой частоты. Сущность ее состоит в том, что на предварительно очищенную поверхность детали помещают необходимое количество порошка наплавляемого сплава и легкоплавкого флюса. В результате индукционного нагрева основной металл, порошок и флюс расплавляются – образуется общая сварочная ванна, на поверхность которой поднимается жидкий флюс, обеспечивающий надежную защиту. По мере затвердевания ванны формируется наваренный металл. Внутренние поверхности цилиндрических деталей, например, гильз цилиндров двигателей внутреннего сгорания, восстанавливают центробежной индукционной наваркой. Во внутреннюю полость вращающейся вокруг горизонтальной оси детали помещают наплавочную шихту и с помощью индукционного нагрева наплавляют слой толщиной 0,5-4 мм. Индукционную наварку жидким присадочным металлом применяют в промышленности для упрочнения катков тракторов. На заранее нагретую и офлюсованную заготовку подают жидкий присадочный металл. Предварительный нагрев детали осуществляют либо индукционным способом, либо в шлаковой ванне. Жидкий присадочный металл получают в индукционных печах. Для восстановления деталей можно использовать и специальные установки, например, автомат 01.03-172 «Ремдеталь» для восстановления и упрочнения фасок клапанов автотракторных двигателей всех типоразмеров порошковыми самофлюсующимися материалами с применением токов высокой частоты. 137 137 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ 138 Печная наварка. В последнее время начала развиваться и получила распространение наварка композиционных сплавов, выполняемая с помощью высокотемпературной печной сварки. Суть ее заключается в том, что поверхность навариваемой детали обрабатывают механическим путем с нанесением грубых канавок. На деталь с определенным зазором (обычно 5-15 мм) устанавливают контрдеталь, в образовавшуюся полость засыпают наполнитель, в качестве которого обычно используют карбиды вольфрама или лом твердых сплавов типов ВК и ТК. После наполнения полости тугоплавкими зернами ее герметизируют. В верхней части контрдетали устанавливают специальный бункер, в него помещают куски металла-связки (медь, латунь, медно-никелевые сплавы). Полости бункера и детали сообщаются между собой. К бункеру приваривают газоотводную трубку, которую заваривают при определенной температуре вне зоны печи. По окончании подготовительных работ деталь помещают в печь и нагревают в необходимом термическом режиме. При этом металлсвязка расплавляется и заполняет полость между деталью и контрдеталью, образуя наваренный слой. Обычно применяют электрические печи, обеспечивающие нагрев на 150-200оС выше точки плавления сплава-связки. Применение разработанной технологии наварки позволяет получать износостойкие слои практически любой толщины (от 0,3 мм и более). Этот способ наварки пригоден для нанесения покрытий на наружные и внутренние поверхности цилиндрических, конических и плоских деталей. Он обеспечивает высокое качество покрытия и его износостойкость. Например, внедрение технологии наварки композитного сплава, содержащего 70-85 % зернистого карбида вольфрама и 30-15 % сплава-связки, которым служит сплав на медно-никелево-марганцевой основе, позволило увеличить износостойкость детали из стали 3 в 20-40 раз, вязкость сплава примерно в 3 раза выше, чем у сормайта. Наваренный слой не имеет трещин, пор и других дефектов. Технология наварки успешно применяется при восстановлении и упрочнении уплотнительных втулок бурового насоса, а также почвообрабатывающих машин. 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ Наварка взрывом. Сущность способа состоит в следующем. Деталь закрепляют неподвижно на жесткой опоре, под углом на заданном расстоянии располагается метаемая пластина. На нее укладывают заряд взрывчатого вещества. В вершине угла устанавливают детонатор. После инициирования взрыва детонация распространяется во все стороны. Развиваемое в зоне давление газообразных продуктов детонации сообщает метаемой пластине скорость, достигающую 1000 м/с. Соударение метаемой пластины и основания сопровождается значительной пластической деформацией, вызывающей местный нагрев поверхностных слоев металла. В результате деформации нагрева происходит сварка между поверхностями детали и пластиной образуется наваренный слой. Этим способом можно восстанавливать внутренние и наружные поверхности цилиндрических (трубчатых) деталей. Способ наварки взрывом находится в начале развития. Однако уже сейчас его применяют для изготовления заготовок для проката биметаллических деталей, при упрочнении поверхностей конструкционных сталей металлами и сплавами с особыми физическими и химическими свойствами. Диффузионная наварка в вакууме. Основана на одной из важнейших особенностей физически чистых поверхностей – способности к «сцеплению» с такими же поверхностями за счет открытых атомных связей. Применение вакуума позволяет повысить прочность таких соединений. Для получения соединения двух идеальных поверхностей металлов необходимо сблизить их на расстояние, достаточное для установления металлической связи. Диффузионная наварка в вакууме применяется при изготовлении биметаллических деталей относительно небольших размеров, а также в том случае, когда существующие способы наплавки и наварки затруднительны. Наварка слоя прокаткой. Состоит в следующем. Деталь (основной металл) и присадочный металл собирают в пакет и нагревают до температуры 1450-1550 К. Затем собранный и нагретый пакет пропускают через прокатные валки. В результате обжатия происходит сварка основного и присадочного металла. Способ находит применение при изготовлении лемехов плугов, деталей для оборудования 139 139 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ 140 нефтяной и химической промышленности, биметаллических листов (пластин, плоских деталей). Наварка трением используется для восстановления и упрочнения плоских и цилиндрических поверхностей. Наварку ведут по двум схемам: с вращением присадочного металла; с вибрацией присадочного металла. При наварке по первой схеме присадочный материал (пруток) вращают и приводят в соприкосновение с деталью под углом 90º при осевом давлении. В процессе трения пруток и деталь разогреваются в месте контакта, происходят их пластическая деформация и схватывание. При приварке цилиндрических деталей их вращают с частотой 0,2-0,3 мин-1. Однако эта схема наварки не очень удобна из-за невозможности применять длинные прутки и трудностей, связанных с непрерывной подачей их к месту наплавки через вращающийся шпиндель. При этом процесс ведут с частыми перерывами, что отражается на качестве наваренного слоя. Более технологичной является вторая схема, по которой присадочная проволока подается роликами из бухты и прижимается к детали с некоторым усилием. Торец проволоки совершает вибрационное движение поперек направления наварки. Эта схема пригодна в основном для плоских деталей. Наварка трением позволяет наносить слой толщиной 0,1-0,5 мм. В качестве присадочного материала можно применять прутки из сормайта марки ПР-С1. Проведенные исследования показали, что покрытия имеют хорошую сцепляемость с основой. Наварку трением можно использовать для восстановления шеек валов под неподвижные посадки, упрочнения режущих элементов лесохозяйственной техники. 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ 3.3. ВОССТАНОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ГАЗОТЕРМИЧЕСКИМ НАПЫЛЕНИЕМ Максимальная температура источника теплоты, °С Скорость падения наносимых частиц, м/с Время полета частиц от пистолета к детали, с 3100 80 0,0025 3100 300 0,0007 40000 100 0,0012 4000 90 0,0028 141 141 Основные параметры методов газотермического напыления При использовании компактного материала его дробление на частицы (распыление) производится непосредственно в процессе газотермического напыления. Различные методы его определяются в соответствии с классификацией (рис. 3.3.1). Рис. 3.3.1. Классификация методов газотермического напыления 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ Наибольшее применение для восстановления деталей нашли газопламенное и электродуговое напыление, меньше используются плазменное и детонационное. 3.3.1. Газопламенное напыление Способ основан на нанесении покрытия на детали напылением газовой струей порошка, нагретого пламенем газа до жидкого или вязкотекучего состояния. Порошок подается в зону плавления с помощью транспортирующего газа или под действием собственной силы тяжести. В первом случае (рис. 3.3.2) порошок поступает в горелку, разгоняется потоком транспортирующего газа и на выходе из сопла попадает в пламя, где оплавляется и под действием струи горящих газов направляется на напыляемую поверхность, образуя покрытие. 142 Рис. 3.3.2. Схема подачи порошка с помощью транспортирующего газа: 1 – сопло; 2 – пламя; 3 – покрытие; 4 – напыляемая поверхность Во втором случае (рис. 3.3.3) порошок из бункера по подающей трубке направляется в пламя и на срез сопла мундштука. Частицы его нагреваются в пламени под действием струи сгоревших газов и пламенем направляются на поверхность детали. Для упрочнения и восстановления деталей применяются три способа газопламенного напыления: без оплавления (холодное на- 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ пыление), с последующим оплавлением и с одновременным оплавлением (в технической литературе чаще называют газопорошковая наплавка). Напыление без оплавления выполняют в две стадии: на предварительно нагретую деталь (50-100°С) наносят подслой, а затем – основной (рабочий) слой необходимой толщины. В зависимости от габаритных размеров и материала детали этим способом можно получать покрытия от Рис. 3.3.3. Схема подачи долей миллиметра до 2 мм. Газопламенное порошка под действием напыление без последующего оплавления собственной силы используют для восстановления деталей тяжести: 1 – мундштук без деформаций, а также не подвергаюгорелки; 2 – пламя; щихся в процессе эксплуатации знакопе3 – подающая трубка; 4 – бункер ременным нагрузкам, нагреванию до температуры выше 300-350°С. Наиболее прочное сцепление порошкового материала с основным металлом (деталью) достигается оплавлением покрытия после нанесения его на поверхность детали. Напыление с последующим оплавлением выполняют вручную (горелками) или на специальных установках. После напыления порошков покрытие оплавляют с использованием теплоты ацетилено-кислородного пламени или нагревом токами высокой частоты, лазерным лучом и др. Оплавление проводят сразу за напылением. Участок, покрытый порошком, нагревают до полного расплавления всех зерен металла в напыленном слое, в результате получают блестящую поверхность. Газопламенное напыление с последующим оплавлением дает возможность восстанавливать детали из чугунов и сталей различных марок при износе на сторону 1,3-1,8 мм. Газопламенное напыление с одновременным оплавлением используют для восстановления стальных и чугунных деталей, работающих при знакопеременных и ударных нагрузках, повышенных температурах. Технологический процесс восстановления деталей газопламенным напылением включает в себя следующее: подготовительные 143 143 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ 144 операции (подготовка поверхности детали, порошковых материалов и оборудования), газопламенное напыление, механическая обработка и контроль качества поверхности восстановленной детали. Для обеспечения сцепляемости покрытий с основой (деталью) необходимо тщательно подготовить поверхность детали. Она должна быть очищена от грязи, маслянистых и смолистых отложений. В случае неравномерного износа ее подвергают механической обработке с целью придания правильной геометрической формы. После предварительной механической обработки (черновое шлифование) изношенную поверхность детали обрабатывают порошком электрокорунда зернистостью 500-800 мкм в струйных камерах. Электрокорунд после пяти-семикратного использования необходимо просушить при температуре 200-250°С в течение 3,5 ч и просеять для отделения мелкой фракции (менее 100 мкм). Обработку электрокорундом ведут при давлении сжатого воздуха 0,5-0,6 МПа. Сжатый воздух, подаваемый в струйную камеру, должен быть очищен от масла и влаги. Участки деталей, не подлежащие напылению и прилегающие к восстанавливаемой поверхности, защищают кожухами или специальными экранами. Для газопламенного напыления применяют различные горелки и аппараты. Горелки служат для смешивания горючего газа с кислородом и получения пламени. Аппараты для газопламенного напыления и горелки для газопорошковой наплавки, выполненные на базе сварочных горелок, по принципу работы и конструкции отличаются от них наличием питателя (бункера) с порошковым материалом. Качество покрытий определяют визуально. На поверхности не должно быть видимых трещин, раковин, отслоений. 3.3.2. Электродуговое напыление (металлизация) Сущность процесса заключается в расплавлении металла электрической дугой с последующим распылением его на мелкие частицы и нанесением на поверхность детали сжатым воздухом или другим газом. По сравнению с другими способами имеет ряд существенных преимуществ: 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ высокая производительность нанесения покрытия – до 45 кг/ч; возможность получения износостойких покрытий толщиной от 0,1 до нескольких миллиметров; не требуются значительные тепловложения (температура 100120°С), что исключает деформацию деталей; хорошая масловпитываемость покрытия; низкая себестоимость: затраты на нанесение 1 г покрытия меньше, чем при дуговой наплавке, в 2 раза. Технологический процесс восстановления деталей электродуговым напылением включает в себя следующие операции: подготовка проволоки, подготовка деталей, напыление поверхности деталей, очистка их после напыления и механическая обработка, пропитка покрытия маслом, контроль качества покрытия. Стальная высокоуглеродистая проволока для нанесения основного слоя должна быть очищена от консервационной смазки и других загрязнений, подвергнута отжигу при температуре 800-850°С в течение 1-1,5 ч, после охлаждения обработана в растворе серной кислоты (75 г кислоты на 1 л воды) при температуре 70-80°С в течение 1 ч, промыта в проточной воде и просушена. Допускается гальваническое травление проволоки после отжига с целью снятия окисной пленки и др. Проволока должна храниться в сухом месте. Намотка ее на катушки кассет и правка проводятся на специальном станке. Требуемая прочность сцепления покрытий с основой обеспечивается при определенных условиях. Для этого восстанавливаемую поверхность очищают от масел и окислов. Для удаления с поверхности оксидной пленки и придания ей шероховатости применяют один из следующих способов: струйная обработка корундом деталей типа «вал» с твердой термообработанной поверхностью; нарезание резьбы с последующей струйно-корундовой обработкой; дробеструйная обработка. Процесс напыления включает в себя нанесение подслоя проволокой Х20Н80 или Х18Н10Т толщиной 0,15 мм на сторону и основного слоя проволокой У-10; А-75; Нп-105Х; 40Х15 и другими Ø1,5-2,5 мм. Режимы металлизации при нанесении подслоя и основного слоя одинаковы: дистанция металлизации 120 мм, напряжение для алюминиевой проволоки 25 В, стальной – 30-40, нержавеющей стали – 145 145 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ 30-40, меди – 32-35, цинка – 20, латуни – 25 В, сила тока (зависит от металла проволоки, ее диаметра и скорости подачи) 32-530 А, давление воздуха 0,5-0,7 МПа, допустимый угол наклона оси факела к поверхности детали для стали и чугуна 60, алюминия и меди 70º, смещение выше центра на 4-10 мм. Температура металлизационного покрытия не должна превышать 100°С, чтобы не появились большие внутренние напряжения. Для исключения образования трещин и отслоения покрытия нанесение основного слоя необходимо вести с перерывами, чтобы дать возможность детали остыть. Припуски на механическую обработку металлизированной детали в зависимости от ее диаметра даны в табл. 3.3.2. 146 25-50 50-75 75-100 100-125 Более 125 0,4 0,5 0,6 0,75 1,0 0,1 0,15 0,20 0,25 0,30 0,3 0,4 0,5 0,6 0,75 Режимы металлизации алюминиевых головок блока цилиндров: ток 80-490 А, напряжение 23-30 В, давление воздуха 0,5-0,7 МПа, температура поверхности покрытия не более 60°С, толщина слоя металлизационного покрытия не более 2,5 мм. Для получения слоя большей толщины на плоских деталях в процессе работы дистанцию металлизации следует менять от 120 до 300 мм по мере увеличения толщины покрытия. После напыления очистку поверхностей стальных и чугунных деталей производят дробеструйной обработкой с помощью дробеструйных камер, пистолетов для дробеструйной обработки и сталь- 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ ной или чугунной дроби размером 1,2-1,4 мм при давлении воздуха 0,5-0,6 МПа, скорости вращения детали (линейной) 2,6 м/мин, продольной подачи 3-5 мм/об, дистанции обработки 80-100 мм. Электродуговое напыление применяют также для антикоррозионной защиты труб и металлоконструкций. Для этого используют алюминиевую проволоку АД-1, АМ61, АМгЗ, AT, АПТ Ø 1,5-2,5 мм. Для электродугового напыления используют электрометаллизаторы, комплекты оборудования и специальные установки. Например, ГОСНИТИ выпускает установку для электродуговой металлизации на базе вращателя 35500-ГНУ ГОСНИТИ. Разработаны различные металлизаторы, например, универсальный сверхзвуковой электродуговой металлизатор ЭДМ-9ШД. Основными способами обработки покрытий, полученных электродуговым напылением, являются токарная обточка и шлифование. Токарная обработка покрытий проводится резцами с пластинами из твердых сплавов, стальных покрытий – с охлаждением. 3.3.3.Плазменное напыление Сущность способа заключается в формировании на поверхности детали металлического слоя из частиц напыляемого материала, обладающих запасом тепловой и кинетической энергии, полученной в результате взаимодействия со струей дуговой плазмы. Струя температурой 10000-300000°С и скоростью истечения 1000-1500 м/с образуется в плазмотроне, где между катодом и анодом в атмосфере инертного газа горит дуга. Порошок, попадая в плазменную струю, расплавляется, и его частицы приобретают скорость 50-200 м/с. Тепловое воздействие на деталь в пределах 50-150°С. Плазменное напыление интенсивно развивается и широко внедряется в машиностроении, а также для восстановления деталей автомобилей, тракторов и другой техники. Этот способ по- 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ 148 зволяет обеспечивать необходимую надежность машин за счет повышения износостойкости и улучшения других функциональных свойств деталей, что, в свою очередь, исключает необходимость цельного изготовления деталей из высоколегированных дорогостоящих сталей. Способ имеет следующие преимущества: возможность получения покрытий из многих материалов, относительно малое тепловое воздействие на деталь, изменение толщины покрытия в широких диапазонах от 0,1 до 6 мм, возможность регулирования электрического и газового режимов работы плазмотрона, высокая производительность (около 3-8 кг/ч). Его недостатки: при нанесении покрытий на небольшие детали растут потери напыляемого материала, невысокий коэффициент полезного использования энергии плазменной струи на разогрев порошка, образование вредных для здоровья летучих соединений, повышенРис. 3.3.4. Принципиальная схема ный шум и световое излучение. Типовая технологическая схема восстаустановки плазменного напыления: 1 – система новления деталей плазменным напылениэлектропитания; ем порошковых покрытий предусматрива2 – источник ет следующую последовательность операпостоянного тока; ций: механическая обработка изделия, обе3 – система охлаждения; зжиривание, изоляция поверхностей, не 4 – источник высокого подлежащих напылению, струйная обрадавления; 5 – источник ботка, нанесение покрытия, контроль, метранспортирующего ханическая обработка нанесенных покрыгаза; 6 – бункертий, окончательный контроль. питатель; Принципиальная схема установки 7 – пульт управления; плазменного напыления представлена на 8 – плазмотрон; рис. 3.3.4. 9 – обрабатываемая деталь; 10 – система для Основной рабочий элемент – электроперемещения детали дуговой генератор низкотемпературной 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ плазмы, в котором происходят нагрев и ионизация плазмообразующего газа. Напыляемый материал подается в высокотемпературную струю через отверстие в сопле анода и, ускоряясь вместе с потоком плазмообразующего газа, наносится на поверхность детали. Установка работает от первичной системы электропитания переменного тока, включает в себя источник постоянного тока и систему охлаждения теплонапряженных элементов плазмотрона. Плазмообразующий газ поступает от источника высокого давления. Для транспортировки напыляемого порошка предназначены источник транспортирующего газа и бункер-питатель для порошка. Высокоскоростной двухфазный поток плазмообразующего газа и порошка при воздействии на обрабатываемую деталь образует покрытие. Деталь перемещается с помощью соответствующей электромеханической системы. Все перечисленные системы коммутируются на пульт управления, обеспечивающий регулирование, управление и контроль параметров плазменного напыления. Выбор режимов плазмообразования, а также плазмообразующего и транспортирующего газов зависит от вида напыляемого материала (порошок, проволока, пруток и т.д.) и функционального назначения покрытия. 3.3.4. Детонационное напыление В рабочую камеру детонационной установки подаются горючая смесь и напыляемый порошок. С помощью электрической искры смесь поджигается, из рабочей камеры по стволу пламя распространяется с возрастающей скоростью до возникновения детонационной волны. Скорость распространения детонации 1000-3500 м/с, зависит от характеристик горючей смеси. При истечении продуктов детонации последние увлекают за собой частицы порошка, которые, кроме тепловой, получают и кинетическую энергию. Скорость выноса порошка 600-1000 м/с. Установленная на пути потока газов и порошка изношенная поверхность покрывается частицами напыляемого материала. Особенности детонационного напыления – меньший нагрев частиц, их более высокая скорость по сравнению, например, с плаз- 149 149 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ 150 менным напылением. Это позволяет получать качественные покрытия с высокой сцепляемостью, плотной и однородной структурой. Пористость не превышает 1%, этого невозможно достичь при других способах напыления без дополнительных операций. Относительно небольшой нагрев (200-250°С) детали при напылении этим способом не вызывает увеличения ее внутренних напряжений, не оказывает отрицательного воздействия на усталостную прочность. Детонационные покрытия характеризуются высокой износостойкостью. Необходимую толщину покрытий получают многократным повторением циклов стрельбы. Покрытие, нанесенное детонационным способом, при необходимости подвергают механической обработке: точению, фрезерованию, шлифованию. Этот способ, проверенный и успешно освоенный в машиностроении, нашел применение и в других отраслях, например, на ремонтных предприятиях. Для этого используют различные установки, в том числе серийно выпускаемую «Катунь». При детонационном напылении можно получать покрытия из любых материалов, тугоплавких соединений, оксидов и др. Для получения износостойких покрытий с целью восстановления деталей используют карбиды вольфрама WC, титана Ti С, хрома Сг2 С3, борид хрома СгВ2 с добавками 8-20% Ni или СО. При использовании таких покрытий срок службы деталей и рабочих органов сельскохозяйственных машин повышается в 2-10 раз. 3.4. ВОССТАНОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ГАЛЬВАНОПОКРЫТИЯМИ 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ Поверхности деталей, не подлежащие покрытию металлом, изолируют токонепроводящими материалами: тонкой резиной, листовым целлулоидом, изоляционной лентой, пленочными полимерными материалами (полиэтилен и др.), эмалями и т.д. Подвески для завешивания деталей в ванну изготавливают из стали, крючки – из меди или латуни. Сечение подвесок должно быть таким, чтобы плотность тока в них не превышала для стали – 0,5-1 А/мм2, меди –2,5-3, латуни – 2-2,5 А/мм2. Металлические поверхности подвески, кроме мест контактов, надежно изолируют электроизоляционным материалом. Обезжиривание покрываемых поверхностей обычно проводят в горячих щелочных растворах химическим и электрохимическим методами. При электрохимическом обезжиривании детали завешивают в качестве анодов. Иногда применяют комбинированную обработку: сначала обезжиривают на катоде 3-10 мин, а затем переключают полярность и обезжиривают на аноде 1-3 мин. Катодами служат стальные пластины. Расстояние между электродами 50-150 мм. Хорошее качество обеспечивает обезжиривание венской известью (смесь оксидов кальция и магния в соотношении 1:1). Для этого можно также использовать отходы карбида кальция от ацетиленового генератора. Травление деталей выполняют химическим и электрохимическим методами. Анодное травление в электролите применяют при восстановлении деталей железнением. Катодами в этом случае служат свинцовые пластины, площадь которых в 4-5 раз больше площади покрываемых поверхностей. При таком травлении многих деталей (изготовленных из высоколегированной стали, закаленных до высокой твердости и др.) не всегда удается получить надежную сцепляемость покрытий. В этом случае применяют двойное травление: сначала травят в растворе хлористого железа (электролите железнения) при анодной плотности тока 40-80 А/дм2 в течение 2-5 мин, а затем проводят очистку поверхностей от травильного шлама в 30%ном растворе серной кислоты при 50-70 А/дм2 в течение 0,5-1 мин. Перед анодным травлением и очисткой в 30%-ной серной кислоте детали обязательно промывают холодной водой. После анодной 151 151 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ 152 обработки в серной кислоте их снимают со штанг ванны при выключенном токе, иначе ухудшается сцепляемость покрытий. Для восстановления деталей из гальванических покрытий чаще всего применяют железнение, реже – хромирование, цинкование, никелирование. Железнение обладает хорошими технико-экономическими показателями: при использовании дешевых и недефицитных материалов достаточно высокие производительность процесса и износостойкость покрытий, возможность в широких пределах регулировать свойства покрытий (микротвердость 1600-7800 МПа) при применении одних и тех же материалов, что обусловливает универсальность процесса, высокий выход металла по току (85-90%) и т. д. Электролиты для железнения по составу делят на три группы, различающиеся видом аниона соли железа: хлористые, сернокислые и смешанные (сульфатно-хлористые). Наибольшее применение получили простые хлористые электролиты. В табл. 3.4.1 приведены широко распространенные и перспективные электролиты. Электролит № 1 используется наиболее часто, он стабилен и прост по составу, позволяет получать плотные и гладкие покрытия твердостью до 6500 МПа и толщиной до 1-1,5 мм. С помощью высококонцентрированного электролита № 2 получают покрытия хорошего качества толщиной до 3 мм. Наличие в электролите № 3 аскорбиновой кислоты предотвращает его окисление и образование гидрооксида железа, в результате возможно получение высококачественных покрытий при низкой температуре и достаточно высокой плотности тока. Однако дороговизна аскорбиновой кислоты препятствует широкому применению этого электролита. Холодный сульфатно-хлористый электролит № 4 обладает достоинствами хлористых и сернокислых электролитов: менее агрессивен и более 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ устойчив к окислению, чем хлористые, и в то же время позволяет получать покрытия хорошего качества с высокой производительностью. Электролит № 5 рекомендуется для реализации новой технологии, когда анодное травление стальных деталей и осаждение на них покрытий осуществляют из электролита одного и того же состава. Электролит № 6 используется для осаждения покрытий повышенной твердости (более 8000 МПа) и износостойкости. Применяют три варианта анодного травления перед железнением: в 30 % -ной серной кислоте, хлористом электролите железнения с последующей очисткой в 30%-ной серной кислоте, высококонцентрированном хлористом электролите железнения без последующей очистки и промывки. Для получения высокой прочности сцепления железного покрытия с деталью применяют так называемый разгонный цикл: подготовленные детали завешивают на катодную штангу ванны железнения и выдерживают без тока 10-60 с. После этого включают ток плотностью 2-5 А/дм2 и проводят электролиз 0,5-1 мин. Затем постепенно в течение 5-10 мин катодную плотность тока увеличивают до заданного значения. При выборе режима железнения следует иметь в виду общие для большинства гальванических процессов положения: чем выше катодная плотность тока, тем больше скорость осаждения металла и производительность процесса; чем ниже температура и концентрация электролита и выше плотность тока (жестче режим), тем больше твердость железных покрытий и меньше их максимально достижимая толщина; чем выше температура и концентрация электролита, тем бÓльшую плотность тока можно допустить без ущерба для качества покрытий. При железнении необходимо выдерживать заданную кислотность электролита, так как ее снижение приводит к резкому ухудшению сцепляемости покрытий вплоть до отслоения. Применяют растворимые аноды из малоуглеродистой стали. Соотношение между анодной и катодной поверхностями должно быть в пределах 1-2, т.е. Sa : Sk = 1-2. Аноды помещают в чехлы (мешки) из кислотостойкой ткани (стеклоткань, шерсть и др.). Расстояния между анодами и деталями должны быть одинаковыми (60-150 мм). 153 153 Составы электролитов и режимы железнения 154 Таблица 3.4.1 Компоненты и параметры режима Железо, г/л: 300-350 0,5-2 1,5-2,0 0,8-1,2 70-80 20-50 20-60 70-80 0,8-1,5 0,5-1,3 20-50 10-30 0,6-1,1 30-50 20-25 0,5-0,7 30-35 20-30 0,8-1,0 70-80 20-30 200 600-680 400-600 150-200 580-620 50 250-300 хлористое сернокислое Хлористый никель, г/л Аскорбиновая кислота, г/л Гипофософит натрия, г/л Кислотность, рН Температура электролита, °С 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ Катодная плотность тока, А/дм2 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ Толщину покрытия определяют в зависимости от износа детали с учетом припуска на механическую обработку: 0,1-0,2 мм для последующего шлифования и 0,2-0,3 мм для токарной обработки. Интенсифицировать процесс и уменьшить продолжительность железнения можно за счет движения электролита относительно покрываемой поверхности в турбулентном режиме. РГАЗУ предложено создавать турбулентное движение электролита у поверхности катода введением в межэлектродное пространство вращающейся пластмассовой перфорированной перегородки. При скорости вращения ее 2-3 м/с катодная плотность тока при железнении в холодном электролите с концентрацией хлористого железа 580-620 г/л и рН = 0,6-0,8 может достигать 150-200 А/дм2, а скорость осаждения покрытий – 1,5-2 мм/ч. Кроме того, с введением вращающейся перегородки уменьшаются дендритообразование и шероховатость покрытий, улучшается их равномерность. Для обеспечения прочного сцепления покрытия с деталью при таком жестком режиме электролиз начинают на периодическом токе, а затем постепенно переходят на постоянный ток (как при бесшламном анодном травлении). Расстояние между перегородкой и деталью 6-10 мм. Железнение из горячих электролитов имеет существенные недостатки. В то же время осаждение железных покрытий из простых (без добавок) холодных электролитов из-за концентрационных ограничений возможно лишь при малой плотности тока, а это приводит к низкой производительности процесса. Применение периодических токов (реверсированного, асимметричного, импульсного и др.) вместо постоянного позволяет путем изменения параметров прямого и обратного импульсов значительно уменьшить концентрационные ограничения, повысить рабочую плотность тока и прочность сцепления железных покрытий с деталями, в широких пределах управлять их свойствами. При осаждении металлов на этом токе режим электролиза характеризуется не одним, а двумя электрическими параметрами: катодной плотностью тока Dk и катодно-анодным показателем β. Оптимальные значения этих параметров при холодном железнении из обычных электролитов: Dk = 20-30 А/дм2, β = 6-10, кислотность электролита рН = 0,5-0,9, температура не регламентируется. 155 155 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ 156 Для восстановления железнением крупногабаритных деталей сложной конфигурации (блоки цилиндров, корпуса коробок передач и др.) применяют вневанные способы: проточный, струйный, электроконтактный и т.д. Принцип безванного нанесения покрытия заключается в том, что у поверхности, подлежащей покрытию, с помощью несложных устройств создают местную электролитическую ячейку (ванночку), в которую подают электролит, а деталь и анод подключают к источнику тока. При проточном способе электролит прокачивают насосом с определенной скоростью через пространство между покрываемой поверхностью и анодом (например, через отверстие в корпусе коробки передач). Наибольшая скорость осаждения металлов при проточном способе достигается при скорости протекания электролита более 1 м/с, при которой создается турбулентный режим течения. В этом случае при определенных условиях плотность тока при железнении может быть увеличена до 200-300 А/дм2 и более. При струйном способе электролит подают струями в межэлектродное пространство через отверстия насадка, который одновременно служит анодом и местной ванночкой. Для получения равномерного покрытия деталь вращается с частотой до 20 мин-1. Скорость протекания электролита в анодно-катодном пространстве 1-1,5 м/с при удельном его расходе 40-45 л/мин на 1 дм2 покрываемой поверхности. При электроконтактном способе электроосаждение металла происходит при прохождении постоянного тока через маленькую ванночку, которая образуется в зоне контакта покрываемой детали с анодом, обернутым адсорбирующим материалом (тампоном), пропитанным электролитом. Деталь и анод перемещаются относительно друг друга (деталь вращается при неподвижном аноде или наоборот), т.е. возникает трение анода по детали. Поэтому часто этот способ называют электронатиранием. Тампон (стекловата или губка в суконном чехле, фетр, войлок, капрон и др.) непрерывно смачивается электролитом, который поступает к нему через шланг от сосуда, расположенного над установкой. Однако хлористый электролит при таком способе наращивания покрытий перегревается и интенсивно окисляется. Кроме того, происходят быстрый износ и загазо- 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ ванность анодного тампона, что снижает производительность процесса и качество покрытий. Этих недостатков не имеет анодное устройство с ленточным тампоном (рис. 3.4.1), в котором трение скольжения заменено трением качения. При этом за счет большей площади контакта анодного устройства с деталью увеличиваются допустимая плотность тока и производительность процесса. Разработан также устойчивый к окислению состав Рис. 3.4.1. Схема анодного устройства с ленточным электролита из сернокислого (250-300 тампоном: 1 – аноды; г/л) и хлористого (130-150 г/л) желе2 – катод (деталь); за. Режим электролиза: рН = 0,9-1,2, 3 – трубки подачи средняя катодная плотность тока 20электролита; 4 – ленточный 2 60 А/дм , скорость вращения катода тампон; 5 – натяжной ролик; 20-40 м/мин, расход электролита 0,36 – направляющий ролик 0,6 л/мин, угол обхвата детали тампоном 90-120°, скорость осаждения покрытий 3,3-12,3 мкм/мин, микротвердость их 5500-7000 МПа. Покрытия осаждаются гладкими и равномерными, при их толщине до 0,1 мм не требуется последующая механическая обработка. Перед железнением детали зачищают наждачной шкуркой, обезжиривают венской известью, промывают холодной водой и подвергают анодному травлению. Анодное травление закаленных деталей осуществляют в растворе серной кислоты (700-800 г/л), незакаленных – в электролите железнения. Травление проводят контактным способом с использованием вращающегося дискового катодного устройства при средней плотности тока 15-20 А/дм2 в течение 50-75 с, а затем в течение 10-20 с при 40-60 А/дм2. Железнение начинают без промежуточной промывки водой. Для обеспечения высокой и стабильной сцепляемости покрытий электролиз сначала ведут на периодическом токе при средней катодной плотности тока 15-20 А/дм2 и катодно-анодном показателе 1,5. Затем в течение 4-6 мин этот показатель увеличивают до бесконечности и переходят 157 157 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ 158 на постоянный ток. Аноды изготовляют из малоуглеродистой стали в виде дисков Ø50-100 мм. Толщина их равна ширине восстанавливаемой шейки вала. Для улучшения равномерности покрытия кромки дисков закругляют радиусом 3-5 мм. Хромирование позволяет получать мелкозернистые покрытия микротвердостью 4000-12000 МПа, обладающие низким коэффициентом трения, высокой сцепляемостью с основой. Хром химически стоек против воздействия многих кислот и щелочей, жароустойчив. Высокие твердость, жаростойкость, химическая стойкость и низкий коэффициент трения хрома обеспечивают деталям высокую износостойкость даже в тяжелых условиях эксплуатации, превышающую в 2-5 раз износостойкость закаленной стали. Наибольшей износостойкостью хромовое покрытие обладает при твердости 70009200 МПа. В то же время хромирование – энергоемкий, дорогой, малопроизводительный процесс, применять который нужно в строго необходимых случаях. Его используют для защитно-декоративного хромирования, увеличения износостойкости и срока службы прессформ, штампов, измерительных и режущих инструментов, трущихся поверхностей деталей машин (поршневые кольца, штоки гидроцилиндров) и др., для восстановления малоизношенных ответственных деталей. Электролиты для хромирования получают растворением в воде хромового ангидрида (CrO3) с добавлением серной кислоты (табл. 3.4.2). Хромовый ангидрид, г/л Серная кислота, г/л Сернокислый стронций, г/л Камнефтористый калий, г/л 120-150 1,2-1,5 - 220-250 2,2-2,5 - 300-350 3-3,5 - 225-300 5,5-6,5 19-20 380-420 - 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ Продолжение табл. 3.4.2 Компоненты и параметры режима Номер электролита 3 4 1 3 5 Углекислый кальций, г/л Сернокислый кобальт, г/л Температура электролита, °С Плотность тока, А/дм2 Выход по току, % 50-65 30-100 15-18 45-60 20-60 12-14 40-50 15-30 8-10 50-65 40-100 18-20 40-60 18-20 18-25 100-300 35-40 Для осаждения покрытий хорошего качества и с наибольшим выходом по току необходимо, чтобы отношение CrO3/H2SO4 было равным 100 (допускается изменение от 90 до 120). В электролите должно быть 1-2% (от количества Cr2O3) ионов трехвалентного хрома, который получают проработкой электролита током при температуре 45-50°С, Dk =4-6 А/дм2 и соотношении Sк / Sа = 4-6. При проработке на каждый литр электролита необходимо пропустить 3-4 А∙ч электричества. Наибольшее распространение имеет электролит № 2, который позволяет получать покрытия как твердые износостойкие, так и с хорошими защитнодекоративными свойствами. Его обычно называют универсальным или стандартным. При хромировании обезжиренные детали завешивают в ванну, выдерживают для прогрева без тока 0,5-1,5 мин и подвергают анодному травлению по описанному режиму. Затем переключают полярность и 159 159 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ 160 устанавливают заданный режим хромирования. При покрытии рельефных и чугунных деталей, а также деталей из высоколегированной стали для улучшения равномерности покрытий рекомендуется в начале электролиза давать «толчок» тока (ток в 1,5-2 раза превышает расчетное значение), а через 1-2 мин его постепенно, за 1-1,5 мин снижают до заданного значения. Благодаря этому удается осадить хром на углубленных участках детали. Для повышения износостойкости деталей, работающих при недостаточной смазке (гильзы цилиндров, поршневые кольца и др.), следует применять пористое хромирование, при котором деталь хромируют в универсальном электролите при плотности тока 40-50 А/дм2, а затем переключают полярность ванны и проводят анодное травление при той же плотности тока. Канальчатую пористость получают при температуре электролита 58-62°С и продолжительности травления 6-9 мин, точечную – 50-52°С и 10-12 мин. На анодное травление оставляют припуск 0,01-0,02 мм на диаметр. Пористое хромирование увеличивает износостойкость поршневых колец в 2-3 раза, гильзы – в 1,5. Для восстановления крупногабаритных деталей применяют струйное и проточное хромирование. Струйное хромирование чаще проводят в саморегулирующемся электролите при температуре 50-60°С в широком диапазоне плотности тока, достигающей 200 А/дм2. Скорость протекания электролита 40-60 см/с, катодно-анодное расстояние 15 мм, в универсальном электролите соответственно 50°С, 70-90 А/дм2, 100-120 см/с, 15 мм. Проточное хромирование позволяет получать блестящие покрытия повышенной твердости и износостойкости в универсальном электролите с повышенным содержанием серной кислоты (3-7 г/л) при температуре 55-65°С, плотности тока 100-150 А/дм2, скорости протекания электролита 100-120 см/с и межэлектродном расстоянии 5-15 мм. Применение периодических токов значительно повышает производительность хромирования и качество покрытий. Хромировать с помощью реверсированного тока можно в универсальном электролите при температуре 50-60°С, плотности прямого и обратного токов 60-140 А/дм2, времени прохождения прямо- 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ го тока 1-5 мин, обратного – 1-5 с. Этот способ успешно используют для беспритирочного хромирования (в «размер») поршневых колец. Хромирование периодическим током с независимым регулированием амплитуд прямого и обратного импульсов позволяет получать высококачественные хромовые покрытия в универсальном электролите при температуре 60-70°С, плотности тока 160-200 А/дм2 и катодноанодном показателе 90-120. В этих условиях скорость осаждения покрытий составляет 0,14-0,2 мм/ч, микротвердость – 8000-9500 МПа. Гальванические композиционные покрытия. Гальваническими покрытиями восстанавливают шатуны, толкатели, клапаны, золотники, плунжеры и др. Для улучшения физико-механических свойств покрытий разработана технология нанесения железных покрытий, легированных никелем, хромом, кобальтом и другими металлами. Для повышения коррозионной стойкости и износостойкости рекомендуются железоникелевые покрытия. Повышенная износостойкость железоникелевых покрытий объясняется наличием в сплаве никеля, который оказывает легирующее действие и улучшает режим трения. Наиболее целесообразно применять железоникелевые покрытия для деталей, работающих в коррозионных условиях при больших нагрузках, прецизионных деталей топливной аппаратуры и гидросистем машин. Для повышения виброударной абразивной износостойкости покрытий разработаны состав и режим электроосаждения железоникелькобальтовых покрытий. Их износостойкость в среднем в 1,5 раза выше, чем железоникелевых. Разработаны технологии нанесения электролитическим способом композиционных материалов, в том числе металлополимерных. Для восстановления шеек осей колесных пар и корпусов букс под роликовые подшипники применяют электрохимические железокорундовые, а также железополиамидные покрытия. Композиционные электрохимические покрытия (КЭП) позволяют сочетать положительные свойства металлов и неметаллических соединений и таким образом повысить износостойкость восстановленных деталей, так как покрытия получают из железных, хромовых и никелевых суспензий – электролитов с добавками частиц оксидов, карбидов, полимеров и других материалов. 161 161 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ 162 В литературе имеется большое количество данных по улучшению твердости и износостойкости железных осадков путем введения в хлористые электролиты органических добавок и добавок солей различных элементов, т.е. осаждения сплавов (легированных покрытий). Одними из наиболее эффективных легирующих элементов являются молибден, вольфрам, титан. Исследования ученых Курской ГСХА указывают на то, что при легировании молибденом и вольфрамом электролитических металлов получаются сплавы с высокими механическими свойствами. Наиболее износостойкие железо-молибденовые покрытия получены при следующих условиях электроосаждения: асимметрия – 6, катодная плотность тока 40 А/дм2, температура электролита 40 °С, кислотность электролита рН 0,8 1, концентрация лимонной кислоты 4,5 кг/м3, молибдата аммония – 0,6-1 кг/м3, оптимальная концентрация хлорида железа 350-400 кг/м3. Оптимальные условия для железовольфрамовых покрытий следующие: содержание хлорида железа 300 кг/м3, натрия вольфрамово-кислого – 4 кг/м3, лимонной кислоты – 8 кг/м3, температура электролита 40°С, кислотность электролита рН – 1, плотность тока 30 А/дм2. Результаты сравнительных испытаний на износ показали, что износостойкость железомолибденовых покрытий к стали 45 составила 176 % при трении в паре с чугуном и 194 % – с бронзой. Износостойкость железовольфрамовых покрытий на 72 % выше, чем закаленной стали 45 при трении с чугуном, и на 85 % – с бронзой. При трении без смазки железомолибденовые и железовольфрамовые покрытия превосходят износостойкость железных покрытий в 1,87-1,95 раза. Эксплуатационной проверке были подвергнуты восстановленные железомолибденовыми покрытиями различные детали (валик коромысла дизеля СМД-18), толкатели и штоки клапанов, распределительный вал двигателей автомобилей. Шток клапана двигателя ЗМЗ-53 Толкатель клапана двигателя ЗИЛ-130 17 30 13 19 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ Продолжение табл. 3.4.3 Детали Износ, мкм серийные экспериментальные Шток клапана двигателя ЗИЛ-130 Распределительный вал двигателя ЗИЛ-130 Нижняя головка шатуна двигателя ЗИЛ-130 28 14 13 18 9 8 3.5. ЭЛЕКТРОИСКРОВОЕ НАРАЩИВАНИЕ 163 163 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ Таблица 3.5.1 Техническая характеристика установок ЭФИ Питание от сети: напряжение, В частота, Гц Потребляемая мощность, кВт Число режимов Рабочий ток, А Толщина слоя, мм 220±11 50 0,5 6 0,8-2,8 До 0,12 220±11 50 1 3 6-18 0,14 220±11 50 1,6 3 16-35 0,3 0,03 220±11 50 1,5 3 164 Упрочнение тел вращения (цилиндры, конусы) производится на установках ЭФИ-66, ЭФИ-68 и ЭФИ-80, оснащенных несколькими электродами, следящими устройствами, смонтированными на станине токарного станка, что позволяет резко повысить производительность электроискрового легирования. 1 2 3 4 15 25 40 75 9-13 10-18 21-23 30-48 3,5 3,7 4,5 4,3 0,8-1,2 1,2-1,5 1,5-2,0 2-2,5 Широкие возможности этого способа особенно раскрываются при нанесении износостойких металлокерамических покрытий. Износостойкость деталей и инструмента после электроискрового упрочнения повышается в 3-8 раз. ГОСНИТИ и Мордовским государственным университетом разработаны эффективные техноло- 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ гии восстановления и упрочнения деталей большой номенклатуры с использованием электроискровой обработки. Достоинствами ее являются простота на этапах подготовки поверхности, нанесения покрытия и последующей обработки, возможность использования в качестве электродов большинства токопроводящих материалов, высокое качество сцепления покрытия с основным материалом, отсутствие перегрева детали и коробления ее в результате обработки. При выборе технологии восстановления размеров или упрочняющей обработки руководствуются преимущественно тем, что придание необходимых эксплуатационных свойств обрабатываемой поверхности обеспечивается применением электродных материалов с соответствующими физикомеханическими свойствами, а получение требуемой толщины покрытия – путем подбора электрического режима обработки с большей или меньшей энергией искровых импульсов. Одной из важных особенностей метода является различие по текстуре обработанной этим методом поверхности и поверхностей после механической обработки. После обработки образуется микрорельеф со скругленными сферическими выступами и впадинами. На поверхности получаются несквозные масляные карманы, что обеспечивает снижение коэффициента трения, они препятствуют утечкам жидкости через так называемые «лабиринтные уплотнения». Наибольшая условная толщина масляной пленки на поверхностях, полученных электроискровой обработкой, больше в 2,5-4,6 раза, чем на шлифованных поверхностях. Метод обеспечивает возможность восстановления деталей с односторонним износом до 0,1 мм (работают в условиях трения скольжения) и до 0,6 мм (работают в неподвижных соединениях). Детали с таким износом составляют до 70% от общего объема изношенных деталей. Номенклатура восстанавливаемых изделий включает следующее: валы, оси, шкворни, цапфы, балки передней оси, валы ротора, корпуса КП, крышки, подшипниковые щиты, коренные опоры блока цилиндров, коленчатые валы компрессоров холодильных установок, золотники и корпуса гидрораспределителей и гидроусилителей руля, подшипники электродвигателей и др. Особенность внедряемых технологий заключается, как правило, в нанесении покрытий на из- 165 165 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ ношенные поверхности под размер, чтобы в последующем проводить минимальный съем нанесенного металла механической обработкой. Типовой технологический маршрут: подготовительная обработка (мойка, чистка детали, в необходимых случаях правка центровых отверстий), нанесение покрытия электроискровым методом в ручном или механизированном режиме, последующая обработка (наружные поверхности – шлифовка или выглаживание, или обкатка нагруженным роликом, или без обработки, внутренние поверхности – дорнование или без обработки). В табл.3.5.3 приведены на примере Ярославского РТП (ныне ЗАО ПК «Ярославич») сведения об эффективности восстановления параметров изношенных наружных и внутренних поверхностей деталей, работающих в неподвижных соединениях и в условиях трения скольжения, за 15 месяцев эксплуатации участка электроискровой обработки. Число восПоверхности обрастановенПрибыль , ботки (размеры, услоных детаруб. вия работы) лей Вал редуктора(СМД8-1904 – 1Г; 4Т 6-1906-10; 6ТЗ 1910-10) – двигатели СМД-14, А-01, А-41 Вал сцепления (14А-21031; 41 -2103-3) Фланец коленвала (6004115.10) Коленвал пускового дви гателя ( Д-24-С20-Б) 197 Две наружные поверхности под под шипники Две наружные поверхности под под шипники Наружная поверхность под манжету Две наружные поверхности под под шипники 10039 193 11820 275 370 12124 8156 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ Продолжение табл. 3.5.3 Шкив коленвала (14-0406; 41-0406-01; 60-04106.10) Противовес коленвала (236-1005026-Б) Вал ротора в сборе (111.30005.20) Втулка клапана направляющая (14-0603; 6Т2-0603А; 60-06103.00) Зубчатое колесо ведущее масляного насоса (СМД 55У-09С6В; МН-09 С7; 6009105.20) Крышка коренных подшипников (двигатели ЯМЗ, КамАЗ) Картер КПП трактора Т-150К (151.37.101-2) Подшипниковый щит электродвигателя 4А112 175 57 83 Наружная поверхность под манжету Внутренняя поверхность Две наружные поверхности (трение скольжения) Наружная поверхность под запрес совку Вершина зубьев и торцовые поверхности колеса Внутренняя поверхность под подшипник Внутренняя поверхность под подшип ник Две внутренние поверхности под подшипник 11429 2643 1525 327 3804 210 19156 16 1980 167 167 4 220 28 1660 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ Себестоимость восстановления изношенных поверхностей с применением электроискрового метода в 3 раза и более ниже, чем себестоимость восстановления другими методами, а с учетом потерь на подготовительно-заключительные операции этот разрыв еще значительнее. Работы по нанесению упрочняющих или восстанавливающих покрытий выполняются на электроискровых установках разных моделей, работающих в ручном или механизированном режиме: Элитрон, Вестрон, Алиер (табл. 3.5.4), а также технологических комплексах БИГ. 168 Напряжение питания (+/-10%), В при частоте 50 Гц Потребляемая мощность, кВ·А Толщина покрытия, мкм * Производительность нанесения покрытия без пропусков, см2/мин * Габаритные размеры генераторов, см Масса генераторов, кг 220 1,5 10-150 220 0,3 (0,4) 10-80 (10-60) 220 4,5 10-750 220 0,5 10-450 25 425x415x х190 32 4 (4) 410x320x х160(390x х170x210) 20 (17) 10 650x600x х1100 150 до 6 430 х170х250 15 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ Продолжение табл. 3.5.4 Характеристика Показатели «Вестрон31/1» «Элитрон-22А» (-22Б») «Элитрон52Б» «АПЕК53» Режим работы ** Ручной Ручной Ручной Ручной (механизиро- (механизиро- (механиванный) ванный) зированный) ______________ * При нанесении твердого сплава Т15К6 на сталь 45. ** Установки «Элитрон-22Б», «Элитрон-52Б», «А1ЛЕК-53» могут работать совместно с комплектами механических устройств для реализации механизированного режима обработки наружных поверхностей деталей вращения. ГОСНИТИ предлагает для реализации модернизированные установки для электроискровой обработки следующих модификаций (рис. 3.5.2). Особенно эффективна электроискровая обработка при ремонте турбокомпрессоров и гидроагрегатов: распределителей, насосов, гидростатических трансмиссий. Их ресурс выше, чем новых, за счет изменения физико-механических свойств рабочих поверхностей деталей, в том числе повышения износостойкости. Покрытия наносятся на электроискровых установках типа «Элитрон» и БИГ. Технология нанесения на поверхности «вал ротора турбины – подшипник» турбокомпрессоров тракторов наноструктурированных покрытий осуществляется электроискровой обработкой на установке БИГ-3. Результаты испытаний восстановленных и упрочненных деталей, которые проводились в хозяйствах Республики Мордовия, показали, что ресурс турбокомпрессоров повышается в 2 раза. Технология ремонта гидростатических трансмиссий ГСТ-33, ГСТ52, ГСТ90, ГСТ-112 отечественной и зарубежной сельскохозяйственной техники восстановлением и упрочнением изношенных деталей методом электроискровой обработки обеспечивает увеличение ресурса соединений «плунжер-втулка блока цилиндров», «распределитель – приставное дно блока цилиндров» в 1,5 раза. При этом из технологической цепочки обработки на дорогостоящем оборудовании исключаются хонингование отверстий и бесцентровое шлифование плунжеров. 169 169 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ 170 Рис. 3.5.2. Модернизированные установки для электроискровой обработки Интенсивность изнашивания золотниковой пары объемного гидропривода ГСТ-90 с нанесенным покрытием в 5,2 раза ниже, чем у новой пары. Технология ремонта гидравлических распределителей с плоскими золотниками восстановлением и упрочне- 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ нием изношенных деталей методом электроискровой обработки обеспечивает увеличение ресурса соединений «плоский золотник – сливные секции» в 1,4-1,6 раза, а «золотник-корпус» – в 1,41,6 раза. Сравнительная оценка по фактору износа показала, что интенсивность изнашивания деталей золотниковой пары в 6,25 меньше, чем без обработки. При этом исключается из технологической цепочки специальное высокоточное технологическое оборудование. Затраты на внедрение технологии окупаются за тричетыре месяца. Повышение ресурса соединений деталей турбокомпрессоров и гидроагрегатов после электроискровой обработки показано в табл. 3.5.5. 171 171 Электроискровая обработка может использоваться и в технологиях упрочнения режущего инструмента, штамповой и технологической оснастки. Она обеспечивает увеличение износостойкости инструмента между переточками в 2-5 раз. Экономическая эффективность технологий ремонта агрегатов машин и оборудования после электроискровой обработки показана в табл. 3.5.6. 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ Таблица 3.5.6 Экономическая эффективность технологий ремонта агрегатов машин с использованием электроискровой обработки Гидрораспределитель типа Р-160 Турбокомпрессор типа ТКРЯМЗ-238НБ1118010-Г Делительная головка тестомесителя иностранного производства Шатун двигателя 6,5 9,3 3,0 4,8 420 2,5-6 80 1,2-1,8 172 На предприятиях АПК используется множество инструментов различного назначения. Это режущие инструменты для обработки металлов, древесины, пластмасс, растительного сырья (например, свекла), инструменты почвообрабатывающих машин, комбайнов, штампов холодной листовой штамповки и горячей штамповки. Накоплен богатый опыт применения электроискровой обработки для увеличения износостойкости и ресурса этого многообразия инструментов в 2-5 раз и более. Положительный результат при разных видах обработки (резание, давление) и обработке разных материалов достигается применением электродных материалов, формирующих электроискровые покрытия с требуемыми физико-механическими свойствами. Так, в ЗАО «Ярославское РТП» за 15 месяцев этим методом обработано более 870 металлорежущих и около 600 слесарно-монтажных инструментов, а также некоторое количество дереворежущих инструментов. Значительная часть инструментов повторно подвергается упрочняющей обработке в процессе эксплуатации после переточки. Согласно результатам эксплуатационных испытаний, износостойкость упрочненных инструментов выше в 2 раза и более по сравнению с инструментами без упрочнения. С наиболее высоким эффектом применяются электроискро- 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ вые технологии при упрочняющей обработке рабочих частей штампов для холодной и горячей обработки металлов: преобладающая доля экономии формируется за счет сокращения количества ремонтных циклов, сопряженных с большими трудовыми затратами. НПФ «Плазмацентр» использует электроискровые технологии для упрочнения технологической оснастки и инструмента промышленных предРис. 3.5.3. Установка для приятий. Внедрение в ОАО электроискрового нанесения покрытия «Эльфа- 541» «Электросила» двух установок (рис. 3.5.3, 3.5.4) для электроискрового нанесения покрытий с ручным электромагнитным вибратором (МП-ЭЛ2) и механизированной установки с вращающимся электродом («Эльфа 541») позволило повысить долговечность отдельных групп инструмента из быстрорежущих сталей и штампов для холодной и горячей обработки. Стойкость Рис. 3.5.4. Электроискровое нанесение упрочненных обрезных матриц износостойкого покрытия на фрезу по сравнению с традиционно ручным вибратором изготавливаемыми была повышена в 2,5 раза. Упрочнение фрезы Ø12 мм производится вручную материалом Р6М5. В качестве оборудования для ЭИНП используется установка UR-121, состоящая из ручного электромагнитного вибратора и генератора импульса тока с емкостным накопителем энергии. 173 173 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ 3.6. ВОССТАНОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ 174 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ ния рабочей поверхности поршневых пальцев дизельных двигателей методом термопластической раздачи. Автомат состоит из несущей силовой рамы, на которой размещены закалочный трансформатор, индуктор, пневмоцилиндры со специальными наконечниками и призмой, подающей транспортер, пневмопанель, пульт управления и сливная контрольная воронка. Характеризуется высокой производительностью и минимальным нагревом детали, обеспечивает увеличение наружного диаметра поршневого пальца с одновременной закалкой поверхностного цементированного слоя. 175 175 Обжатием восстанавливают детали с изношенными внутренними поверхностями, уменьшение наружных размеров которых не имеет значения (корпуса насосов гидросистем, проушины рычагов, вилок и др.). ГОСНИТИ разработал установку термопластического обжатия гильз цилиндров ТПД-М-01.01.224 (рис. 3.6.2). Рис. 3.6.2. Установка термопластического обжатия гильз цилиндров ТПД-М-01.01.224 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ Применяется для восстановления в номинальный размер гильз цилиндров наиболее распространенных в сельском хозяйстве дизелей СМД-14, Д-50,А-41, КамАЗ-740, СМД-60. 0,12 /0,16 24-28 70 до 30 0,5-1,2 не более 0,1 не более 0,2 1200х800х1800 не более 600 176 Вытяжку используют для увеличения длины деталей за счет уменьшения их поперечного сечения (тяги, штанги и т.д.). Деформируют детали в горячем состоянии. Правку применяют для ремонта деталей, в которых во время работы возникла остаточная деформация: изгиб, скручивание или коробление (валы, оси, рычаги, рамы и др.). Для повышения усталостной прочности и стабильности геометрической формы детали после холодной правки подвергают нагреву до 400-500°С и выдерживают 0,5-1 ч. Закаленные ТВЧ детали нагревают до 180-200°С и выдерживают 5-6 ч. Электромеханическая обработка заключается в следующем. Деталь закрепляют в шпиндель токарного станка. В резцедержатель 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ суппорта помещают специальную оправку с рабочим инструментом. Деталь и инструмент подключают к вторичной обмотке понижающего трансформатора. Включают вращение детали, прижимают к ней с определенным усилием инструмент и включают его продольную подачу. При этом через зону контакта детали и инструмента пропускают ток 350-700 А напряжением 1-6 В. Так как площадь контакта детали и инструмента очень мала, а ток большой, то металл детали в зоне контакта мгновенно нагревается до 800-900°С и легко деформируется инструментом. Последующий быстрый отвод теплоты внутрь детали (охлаждение) способствует закалке поверхностного слоя. В качестве инструмента используют пластинку или ролик из твердого сплава. При восстановлении детали (рис. 3.6.3) изношенную Рис. 3. 6.3. Схема восстановления деталей электромеханическим поверхность сначала высаживаспособом: 1 – деталь; ют заостренной пластиной или 2 – высаживающий инструмент; роликом. При этом нагретый в 3 – сглаживающий инструмент; зоне контакта металл выдавли- d – диаметр изношенной детали; и вается, образуя выступы, анало- dв – диаметр детали после высадки; гичные резьбе, в результате диа- dн – номинальный диаметр детали метр детали увеличивается от dв до du. Затем высаженную поверхность обрабатывают сглаживающей пластиной или роликом до номинального диаметра dн. Восстановленная поверхность получается прерывистой, площадь ее контакта с сопрягаемой деталью меньше номинальной. Допускается уменьшение площади контакта не более чем на 20% по сравнению с номинальной. Для большего увеличения диаметра при сохранении необходимой площади контакта применяют заполнение образовавшейся винтовой канавки проволокой или составами на основе эпоксидных смол. 177 177 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ 3.7. НАНОТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ 178 Рис. 3.7.1. Основные типы наноматериалов По геометрическим параметрам наноматериалы делят на три группы: • трехмерные (объемные), у которых все три размера (длина, ширина и толщина) находятся в наноинтервале; • двумерные, у которых поперечные размеры находятся в наноинтервале, а длина может быть сколь угодно велика; • одномерные, у которых только один размер (толщина) находится в наноинтервале, а два других (длина и ширина) могут быть сколь угодно велики. К первой группе относятся: 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ • наночастицы, имеющие форму сферы многогранника, чешуек, стержней, колец и различных их комбинаций, их получают способом искусственного синтеза, используя физические, химические и биологические методы, они наиболее просты и производительны – методы распыления струи расплава жидкостью или газом, испарения – конденсации или вакуум-сублимационной технологии; • нанопорошки, получаемые методом механического измельчения твердых тел в мельницах. Некоторые особенности свойств наночастиц и нанопорошков: • большая (до 103 м2/г) удельная площадь поверхности, что предопределяет их высокую химическую и каталитическую активность, в связи с этим нанопорошки используют не только как сырье для производства наноструктурированных объемных материалов, но и как высокоэффективные катализаторы и реагенты в химических реакциях; • малые размеры наночастиц, приводящие к изменению условий для их фазовых и структурных превращений, намагничивания и размагничивания, явлений переноса теплоты, заряда, пропускания и отражения света и др., при этом изменяются все фундаментальные характеристики вещества: параметры решетки, электронный спектр, выход электронов, температура плавления и т.д.; так, уменьшение размеров наночастиц в области < 10 нм приводит к падению температуры плавления на десятки процентов. Ко второй группе относятся: • углеродные нанотрубки, свойствами которых можно управлять, изменяя скрученность решетки относительно продольной оси; • нанотрубки с регулируемым внутренним диаметром, представляют собой основу идеальных молекулярных сит высокой селективности и газопроницаемости, контейнеров для хранения газообразного топлива, катализаторов и т. п.; • нанотрубки как сенсоры, атомарно острые иголки, элементы экранов дисплеев сверхвысокого разрешения и др.; • нитевидные кристаллы углеродных, борных стеклянных, кремнеземных и карбидокремниевых волокон, которые применяются в качестве конструкционных, теплоизолирующих, экранирующих от различных воздействий и фрикционных материалов. 179 179 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ 180 К третьей группе относятся тонкие жидкие пленки, адсорбционные моно- и полислои, а также твердые покрытия. Основные методы создания тонкопленочных наносистем (подложка – тонкая пленка) базируются на физическом и химическом осаждении; поверхность приобретает антикоррозионные, антиадгезионные, гидрофобные, противоизносные и другие свойства. При защите поверхностей от коррозии и износа большой интерес представляют нанопленки. К ним относятся поверхностно-активные вещества (ПАВ), которые можно разделить на два типа: органические соединения, обладающие способностью адсорбироваться на поверхности раздела фаз, снижая межфазное натяжение, и фторорганические ПАВ. В России ультрадисперсные (нано) порошки (НП) были специально разработаны для промышленного производства и успешно использованы еще в 50-е годы XX века. Можно выделить три основные области мировой экономики, где НП уже применяются в значительных количествах. Больше всего (70 %) они используются в электронике. Ко второй по значению (17 %) области применения можно отнести биомедицину, фармакологию и парфюмерию. Очень бурно развивается (13 %) применение НП в энергетике и для дисперсионных упрочнений. На их основе созданы высокоэффективные автомобильные катализаторы, керамические мембраны, топливные ячейки, высокопрочные покрытия и структурная керамика, термостойкие покрытия и др. Основным типом НП на мировом рынке являются тугоплавкие оксиды. Общий объем производства составил 55000 т, стоимость – 4,3 млрд дол. США. При этом цена 1 кг НП пока значительно выше, чем тех же крупнозернистых порошков, и колеблется в широком диапазоне от 60 долл. США (кремнезем, оксид железа) до 100000-200000 долл. (золото, платина). С развитием методов изготовления и ростом производства НП их цена снижается. По некоторым оценкам, к 2020 г. мировой рынок наноматериалов достигнет 1000 млрд долл. США. В России разработаны и используются более 20 способов получения НП. Их можно разделить на физические и химические. К первым относятся механическое измельчение, распыление, конденсация из газовой фазы или из плазмы, электродуговое измельчение, лазерное облучение, СВЧ-обработка, электро- 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ взрыв (проволоки) и др., ко вторым – разложение солей, водородное восстановление металлов из оксидов и др. В Томском политехническом университете разработана технология производства нанопорошка на основе электрического взрыва проводников в газовых средах, в Институте теоретической и прикладной механики им. С.А.Христиановича Сибирского отделения РАН – новая технология получения нанопорошков методом испарения с последующим охлаждением высокотемпературного пара и конденсацией. Одним из направлений работы ГОСНИТИ по применению нанотехнологий для повышения межремонтного ресурса сельхозтехники является разработка новых наноматериалов. В результате многолетних исследований разработан способ получения нанокристаллических порошков оксидов и гидрооксидов алюминия сжиганием алюминия в водных средах с одновременным получением водорода. Способ позволяет менять форму и структуру частиц и получать материалы высокой чистоты (до 99,99% масс. содержания основного компонента). Отработаны технологические режимы процесса (соотношение алюминия и воды в суспензии и скорость ее подачи, соотношение суспензии и воды в объеме реактора, температура и давление в зоне реакции). В зависимости от концентрации алюминия меняется форма частиц от равноосной (размеры в диапазоне от десятков до сотен нм) до нитевидной. Меняя условия, можно получать различные структуры материала: гидраргиллит, бемит, гамма- и альфа-оксид алюминия. К настоящему времени испытаны лабораторная и опытнопромышленная установки по сжиганию алюминия при до- и сверхкритических параметрах воды, обеспечивающие высокую скорость и полноту реакции (более 99,9%). Чистота порошков зависит от чистоты используемого алюминия и воды. По данным электронно-микроскопического анализа, сферолитовые образования состоят из первичных частиц-пластинок размером 0,3-1 мкм и толщиной от 250 нм. Термообработка бемита при 600°С приводит к разложению с образованием гамма-, дельта- и небольшого количества альфа-форм оксида алюминия. После термообработки при 1300°С, по данным петрографического и рентгено-фазового анализов, завершается (на 95-97%) переход в альфа-форму. Остальное ко- 181 181 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ 182 личество частиц представлено переходными от гамма к альфа-формам оксида алюминия. При этом форма частиц и сферолитовая структура порошка практически не меняются. Нанодисперсные частицы обладают повышенной поверхностной энергией и активны к синтезу новых материалов, спеканию, адсорбции и т. д. Учитывая их более высокую стоимость по сравнению с техническими марками глинозема и электрокорунда, их целесообразно использовать в тех областях, где промышленные порошки не дают должного эффекта. Можно сказать, что существует свой рынок применения таких порошков, который изучен недостаточно. Каждая из форм оксида и гидроксида алюминия имеет свои области применения, определяющиеся свойствами конкретной модификации. Одним из важных свойств полученных материалов является их способность связывать ионы металлов (в том числе радиоактивных) в водных растворах путем хемосорбции. Большая удельная поверхность обеспечивает высокоэффективную очистку питьевой и технологической воды. Апробировано применение нановолокон бемита как для очистки питьевой и технологической воды, так и для улавливания из промывных вод ценных металлов с целью уменьшения их потерь в технологическом процессе. Нанопорошки и волокна можно гранулировать, что повышает их технологическую ценность. Слой бемита в несколько сантиметров способен очистить большой обьем воды от примесей металлов и фтора, исходная концентрация которых может составлять десятки миллиграммов на 1л, с эффективностью, близкой к 100%. Опробовали порошок бемита в качестве добавки к маслам (гидравлическое, автомобильное, трансмиссионное). Эффект наблюдался и на стадии холодной и горячей обкатки двигателя, и при работе трансмиссии. Видимо, происходили микрошлифовка, полировка деталей, в результате – уменьшение трения между движущимися деталями. Добавка бемита также продлевает ресурс дизельных двигателей и агрегатов сельхозтехники (трансмиссии и ТНВД дизельных двигателей). Нанокристаллический бемит может обеспечить необходимую структуру различным материалам. В качестве структурирующего компонента его применяли в составе ферромагнитного композита, предна- 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ значенного для полирования высокотвердого кремния и стекла. Состав содержал порошковое железо, алмазный порошок, цианакриловый клей и 30-40% бемита. Опробован нанокристаллический порошок корунда в составе полимерного композиционного материала. Образцы из композиционного материала на основе стеклоткани и смолы ПН-1 и ЭД-6 покрывали слоем, состоящим из смолы и корунда. Микротвердость материала увеличилась в 2 раза. Выданы рекомендации по использованию подобных покрытий в тонкостенных конструкциях, которые подвергаются действию подвижных абразивных сред. ГОСНИТИ разработана энергоресурсосберегающая технология получения нанокристаллического порошка оксигидроокиси алюминия – бемит. Для этого используют установку сверхкритического водного окисления путем сжигания алюминия в водных средах. Опытно-промышленная установка позволяет получить до 140 кг в сутки нанокристаллического порошка с кристаллами размером не более 50 нм. Бемит можно использовать в различных областях, в том числе для защиты деталей машин от коррозии и повышения их износостойкости, для изготовления керамических, композиционных и абразивных изделий и др. Области и эффективность использования нанокристаллического порошка бемит даны в табл. 3.7.1. 183 183 Защита от коррозии Повышение износостойкости Керамические материалы Поверхности деталей машин и оборудования Втулочно-роликовые цепи Изделия из корундовой керамики Сокращение потерь металла в 2-8 раза Уменьшение износа в 2 раза Повышение прочности в 1,4-3 раза и повышение трещиностойкости на 25% Практический интерес представляют результаты коррозионной стойкости консервационных составов с содержанием в них нанопо- 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ 184 рошка на основе бемита. С этой целью в ГОСНИТИ испытаны консервационные материалы «Маякор» и «Росойл-700». Результаты испытаний показали, что добавки бемита увеличивают коррозионную стойкость на 25-85 %. ООО «Диском» создано более 20 типов медных наноматериалов: прутков, труб и других профилей, из которых затем изготавливаются и поставляются потребителям в России, Германии, Италии, США, Австрии и других странах высокоресурсные готовые изделия: сварочный инструмент (электроды, наконечники, сопла и др.), направляющие втулки и седла клапанов бензиновых и дизельных двигателей, сухие подшипники скольжения и др. Разработано также около 30 типов алюминиевых наноматериалов «Диском», упрочненных синтезированными оксидами и/или карбидами с частицами средним размером 10-50 нм. Главное преимущество этих материалов – высокая жаростойкость, благодаря чему они могут заменять при температуре эксплуатации 350°С ряд сталей, титановых сплавов, а также все имеющиеся алюминиевые и магниевые сплавы. Из полученных полуфабрикатов (например, прутков Ø 2,5-120 мм) изготавливались различные детали. Нанокристаллические быстрозакаленные магнитные порошки (БЗМП) и высокоэнергетические постоянные магниты на их основе являются важнейшими составляющими элементной базы производства микроэлектродвигателей для автомобилей. В мире ежегодно производится постоянных магнитов разных типов на несколько миллиардов долларов, причем доля в этом объеме нанокристаллических магнитных материалов резко нарастает. В России разработана и запатентована ФГУП ВНИИНМ альтернативная технология получения БЗМП методом центробежного распыления расплава. ФГУП ВНИИНМ является изготовителем нанокристаллических быстрозакаленных магнитных материалов для автомобильной и авиационной промышленности и других отраслей. Нанокристаллические порошки меди и ее сплавов в больших объемах изготавливают на заводе ПП «Высокодисперсные металлические порошки» (ВМП) в г. Екатеринбурге. Порошки медных сплавов много лет используют для производства противоизносных препаратов марки РиМЕТ, а также для улучшения характеристик по- 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ рошковых сталей. Легирование порошкового железа нанодисперсным порошком меди в количестве 3 мас. % влияет на структуру и физико-механические свойства спеченных порошковых сталей и значительно улучшает их пластические характеристики: относительное удлинение возрастает в 5 раз, ударная вязкость – в 3, твердость – в 1,25 раза по сравнению со сталями, легированными стандартными порошками меди с зерном размером 15-125 мкм. В последние годы с помощью нанотехнологий создан новый класс полимерных материалов – нанокомпозиты. Тамбовским ГТУ совместно с Воронежским государственным техническим университетом проводятся исследования эффективности использования универсального наноматериала УНМ «Таунит» в качестве наполнителя полимерной матрицы Полиамид-б. Получены композиты, у которых в 8 раз увеличилась допустимая нагрузка, в 1,5 раза – удельная ударная вязкость и в 2 раза уменьшился коэффициент трения. Получены предварительные результаты, свидетельствующие об эффективности применения УНМ для получения электропроводящих полимерных композитов различного назначения, а также в качестве добавок (до 0,5%) в легированные и нелегированные масла. В Курчатовском институте проведены исследования возможности использования УНМ «Таунит» в качестве носителя для электролизеров литиевых батарей, адсорбентов и фильтров. В Институте высокомолекулярных соединений РАН (г. Санкт-Петербург) ведутся работы по получению электропроводящих красок и композитов на основе латекса (в полученных красках поглощение СВЧ увеличилось в 400-450 раз). Нанодисперсные порошки оксидов и гидроксидов алюминия используются для изготовления различных деталей. Перспективно применение волокон оксидов и гидроксидов алюминия, которые обладают уникальными сорбционными, бактерицидными и каталитическими свойствами. Апробировано их применение в керамических фильтрах и мембранах, а также для полной очистки питьевой и технологической воды от тяжелых металлов. Такие порошки используются как наполнители в производстве красок и лаков, абразивных и шлифовальных материалов, шин, для изготовления металлической фольги, режущего инструмента, в композициях с полимерами и т.д. 185 185 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ 3.7.2. Упрочняющие покрытия Важным направлением использования нанотехнологий и наноматериалов при создании новой техники является увеличение ресурса деталей. С помощью специальных нанопокрытий и эмульсий может быть увеличен ресурс деталей и агрегатов. Многие детали, изготовленные из обычных конструкционных материалов, не могут обеспечивать планируемый ресурс работы современных устройств, машин и механизмов. Поэтому необходимы современные технологии модификации поверхности, среди них – нанесение различных типов функциональных и защитных покрытий из неорганических материалов: металлов, сплавов, химических соединений (карбиды, нитриды, оксиды) и углерода. Острота этого вопроса связана и с тем, что поиск и создание новых конструкционных материалов в современных условиях требуют больших капитальных вложений, а процесс этот растягивается на пять-десять лет, что не отвечает динамике научно-технического развития и созданию техники следующего поколения. В промышленности используются различные материалы для покрытий и способы их нанесения. В качестве материалов покрытий, как правило, применяют многокомпонентные материалы с большим набором легирующих элементов, с помощью которых конструкционному материалу детали можно придать новые свойства. Особенно это относится к изделиям сложной техники, работающим в экстремальных условиях (высокая температура, агрессивные среды) либо в форсированных режимах: форсированные двигатели внутреннего сгорания (ДВС), газотурбинные двигатели (ГТД), металлообрабатывающий инструмент для обработки деталей и др. Без применения специальных покрытий с определенным составом и структурой (многослойные, наноструктурированные) не могут работать сопла, детали поршневой группы ДВС, режущий инструмент и др. Задача повышения ресурса деталей машин, оборудования и инструмента решается в мире за счет нанесения на них многофункциональных покрытий, в том числе нанокомпозитных. Это уже апробировано и внедрено в производство ведущих предприятий развитых стран. По оценке Европейского союза 1 евро, потрачен- 186 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ ный на упрочняющее покрытие только режущего инструмента, дает экономию производственных издержек в 5 евро. Такие покрытия обладают свойствами, необходимыми для работы деталей и инструмента с высокой твердостью и низким коэффициентом трения. Этот комплекс свойств обеспечивается за счет особой нанокомпозитной структуры покрытий, представляющей собой нанокристаллитные керамические зерна, распределенные в матрице. Например, нанокомпозитные технологии, разработанные МЭИ, позволяют увеличить эрозионно-коррозионную стойкость штоков и других элементов регулирующих стопорных клапанов оборудования ТЭК в 4-6 раз. В Институте физики твердого тела РАН (г. Черноголовка Московской области) разработаны технологии нанесения нанокерамических защитных покрытий для различных узлов трения: уплотнений, подшипников скольжения. НПФ «ЭланПрактик» (г. Дзержинск Нижегородской области) разработала ряд технологий и установок магнетронного нанесения нанокомпозитных покрытий. Покрытия наносят в вакууме, на автоматизированных установках, которые обеспечивают стабильную повторяемость высоких свойств покрытий. Ведущие производители вакуумных установок в мире используют два способа нанесения нанокомпозитных покрытий: вакуумнодуговой и магнетронный. При первом способе покрытие формируется из высокоионизированной плазмы за счет энергии разряда электрической дуги на металлическом катоде. В магнетронном способе ионизированная плазма формируется в результате бомбардировки металлической мишени ионами аргона. Покрытие, осаждаемое на изделии, строится исключительно на атомарном уровне, без каких-либо включений микрокапель. Преимущества магнетронного метода нанесения нанокомпозитных покрытий наиболее ярко проявились в последние годы при использовании дуальных магнетронных распылительных систем. Это системы, состоящие из двух одинаковых магнетронов, устанавливаемых рядом под некоторым углом друг к другу (рис. 3.7.2). Магнетроны оснащаются мишенями, выполненными из различных материалов, что позволяет формировать сфокусированные на изделии потоки атомов и ионов тех металлов, из которых строится нанокомпозитное покрытие. 187 187 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ 188 При подаче на дуальный магнетрон импульсного двуполярного напряжения частотой 20-40 кГц магнетроны системы начинают работать в особом режиме. В одну половину периода один магнетрон работает катодом, а другой анодом, в другую половину периода – наоборот. Такой режим работы магнетронов позволяет получить высокую степень ионизации плазмы и полностью исключить генерацию микрочастиц, которая возможна в обычном магРис. 3.7.2. Схема нанесения нетронном разряде. В резульнанокомпозитных покрытий методом тате формируется совершенная дуального магнетронного распыления нанокомпозитная структура покрытия с высокой гладкостью поверхности, которая обладает низким коэффициентом трения и обеспечивает высокоэффективную защиту как от износа, так и от коррозии при повышенных температурах. Ведущим производителем импульсных блоков питания магнетронов (включая специализированные блоки асимметричного питания) в России является фирма «Плазматех» (Москва). На их основе НПФ «Элан-Практик» выпускает вакуумные установки, которые позволяют наносить разнообразные упрочняющие покрытия. Для нанесения специальных многослойных многокомпонентных наноструктурированных покрытий ВИИПМРС разработал способ высокоскоростного ионно-плазменного магнетронного распыления (ВИИПМРС). Разработана установка для нанесения защитных и функциональных покрытий из различных материалов, в том числе наноструктурированных – многослойных, состоящих из отдельных пленочных слоев наноразмерного диапазона. Установка позволяет наносить одновременно четыре типа многокомпонентных материалов со скоростью от 50 нм/мин до 1-2 мкм/мин. По типам исполь- 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ зуемых магнетронов и их техническим возможностям установка не имеет мировых аналогов. Она может также использоваться для получения ультрадисперсных порошков наноразмерных диапазонов из многокомпонентных материалов с одновременным капсулированием порошинок в оболочки из нанопокрытий. Для нанесения нанопорошков применяют также детонационный метод. Такая технология разработана в Институте машиноведения им. А. А. Благоправова РАН для повышения ресурса подшипников скольжения погружных центробежных насосов. Для напыления покрытий используют детонационную пушку АДУ «Обь». Порошок для напыления представляет собой гранулы 20-60 мкм, размер зерна в которых составляет 17 нм. В процессе детонационного напыления получены наноструктурированные покрытия с содержанием 62% монокарбида. Испытания таких покрытий на трение и износ в воде показали, что они обладают пониженным коэффициентом трения, высокой нагрузкой заедания по сравнению с обычным покрытием из керамического порошка. Подшипники с износостойким покрытием проходят опытную эксплуатацию в ОАО «Сургутнефтегаз». Технологический процесс нанесения наноструктурированного покрытия методом фрикционного покрытия (ФП) состоит в следующем. Материал покрытия (МП) в виде прутка, ленты и т.п. с определенным усилием прижимается к гибкому инструменту – вращающейся металлической щетке (ВМЩ). В зоне контакта МП разогревается до высокой температуры. Частички МП схватываются с концами проволочек ВМЩ и переносятся на обрабатываемую поверхность. При этом одновременно происходят зачистка поверхности изделия, ее нагрев и совместная пластическая деформация поверхностного слоя и частичек МП, что способствует прочному сцеплению их с основой. В качестве МП могут использоваться различные металлы и сплавы или специально созданные композиты. Это дает возможность формировать поверхностные слои с наноструктурой и принципиально новым комплексом свойств. Сопоставление его с традиционными методами защиты, упрочнения и модификации поверхности показывает, что в определенных условиях метод ФП обладает рядом преимуществ: малые металло- и энергоемкость, отсутствие сложных и вредных для обслуживающего персонала опера- 189 189 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ 190 ций предварительной подготовки поверхности, высокие коэффициент полезного действия и производительность процесса, его экологическая чистота. В основе технологии ФП лежит перевод рабочих поверхностей в наноструктурное состояние путем диспергирования поверхностных слоев в условиях ударно-фрикционного взаимодействия ВМЩ с обрабатываемой поверхностью, при этом ВМЩ вырывает частицы из поверхности материала-донора и переносит их на поверхность детали. Процесс измельчения поверхностных слоев протекает аналогично получению нанопорошков в аттрикторах с тем отличием, что при фрикционном проскальзывании частицы по поверхности происходят их схватывание и образование наноструктурного покрытия, обладающего повышенными функциональными характеристиками, превышающими в 14-16 раз аналогичные характеристики покрытий, полученных другими способами. Детальные исследования структуры и свойств нано-структурированных покрытий были проведены для алюминиевых покрытий, нанесенных на стальную основу. Успешная работа в течение ряда лет по модификации металлических изделий методом ФП на различных предприятиях металлургии и машиностроения показала устойчивое повышение их служебных свойств в 2-3 раза. Например, на Магнитогорском металлургическом комбинате (ММК) и на Южно-Уральском машиностроительном заводе (ЮМЗ) освоен процесс нанесения алюминиевых покрытий на оси прокатных валков перед их бандажированием с целью повышения адгезии между бандажом и осью и увеличения за счет этого ресурса работоспособности валка. Кроме того, на ММК освоен опыт покрытия рабочих поверхностей тежелонагруженных зубчатых пар трансмиссий прокатных станов. На Магнитогорском метизном металлургическом заводе (МММЗ) освоено нанесение медного подслоя методом ФП при производстве биметаллической проволоки «сталь-медь», Магнитогорском калибровочном заводе (МКЗ) – нанесение медного защитного покрытия методом ФП на металлокордовую ленту для шин большегрузных автомобилей, на автотранспортном предприятии этого города – восстановление посадочных размеров методом ФП плунжеров в плунжерных парах гидросистем и дизельных двигателей автомобилей КамАЗ. По заказу компании «Japan 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ Work Steel» (Япония) на опытную партию шлицевых осей для шнеков экструдеров было нанесено защитное покрытие методом ФП. Тестирование этих изделий показало, что ресурс их работоспособности при циклических нагрузках возрос более чем в 2 раза по сравнению с аналогичными изделиями без покрытия. Области применения метода фрикционного плакирования: нанесение антифрикционных наноструктурированных покрытий для уменьшения износа пар трения, что позволит увеличить срок службы деталей в 10-12 раз; восстановление размеров изношенных деталей (штоки гидроцилиндров, соединения с натягом и т.п.); нанесение покрытий на сопрягаемые поверхности соединений с натягом с целью увеличения их несущей способности за счет повышения адгезии в 2-4 раза и предотвращения фреттинг-коррозии (колесные пары железнодорожного транспорта, бандажированные прокатные валки, судовые гребные винты); повышение выносливости, усталостной прочности и срока службы деталей машин в 1,5-2 раза; повышение коррозионной стойкости изделий в 14-16 раз; повышение тепло- и жаростойкости материалов и изделий. Предварительные исследования показали, что этот новый класс покрытий обладает уникальными функциональными свойствами. Наряду с высокой твердостью и износостойкостью они обладают высоким сопротивлением коррозии и жаростойкостью. Микротвердость покрытий в зависимости от их химического состава варьируется от 1100 до 14000 МПа, что обеспечивает их высокую износостойкость в любых трибологических ситуациях. Алюминийцинковые покрытия в зависимости от относительного содержания Al и Zn повышают коррозионную стойкость стали во влажной морской атмосфере в 11-16 раз, алюминий-никелевые покрытия повышают жаростойкость стали при 8000⁰С в 9-12 раз. В последнее время повышенное внимание уделяется наноалмазным композиционным покрытиям. Введение наноалмазов в электролиты позволяет получить покрытия с низким коэффициентом трения, высокой теплопроводностью и повышенной износостойкостью. Наносятся на любые углеродистые, инструментальные, штамповые и конструкционные стали, чугун, алюминий. Наиболее эффективны наноалмазные композиционные покрытия узлов и дета- 191 191 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ 192 лей, подверженных интенсивному износу (штоки, шестерни, узлы трения, подшипники и др.), узлов и деталей машин (цилиндры, детали поршневой группы и т.д.), формообразующего инструмента (пресс-формы, штампы, матрицы, фильеры, калибраторы, пуансоны), работающего с металлами, стеклом, пластиком, абразивными материалами, металло- и деревообрабатывающего инструмента (фрезы, сверла, метчики, зенкера, развертки, резцы и др.). ЗАО «Нанотехнологические системы» для повышения эксплуатационного ресурса инструмента и деталей механизмов использует для нанесения специальных износостойких нанопокрытий технологии ионной имплантации. Сущность процесса состоит во внедрении в поверхность твердого тела ионизированных веществ с помощью ускоряющего электрического поля в вакууме. Доза имплантации (количество ионов, внедренных в единицу поверхности) различная, в зависимости от материала детали. После такой обработки изменяются износостойкость, коэффициент трения, усталостная прочность и другие свойства поверхности изделия. Преимущества перед способами нанесения покрытий: отсутствие проблем обеспечения его качества и сцепления с поверхностью, низкая температура разогрева деталей потоком ионов, отсутствие необходимости в нагреве деталей и контроле температуры, изменения размеров деталей, существенно меньший расход распыляемых катодов и электроэнергии. Номенклатура деталей для ионной имплантации: высокоточный инструмент, ленточные пилы, инструмент для измельчения мяса, детали механизмов (валы, шестерни, кулачки). Производственная группа ООО «ПрофиПроект» предлагает ионно-лучевую обработку, которая позволяет повысить стойкость инструмента в 2 раза и более, в зависимости от выбранной технологии упрочнения. Технология позволяет упрочнять не только режущий инструмент, но и различные детали машин, работающие в сложных условиях динамического нагружения и агрессивных средах, таких, как вода, газ, щелочь и т.п. Объединение имеет опыт по упрочнению деталей, топливной аппаратуры, форсунок, гильз, цилиндров, поршней с целью увеличения срока службы, уменьшения нагарообразования и улучшения динамических характеристик машин. Метод упрочнения основан на внедрении легирующих элемен- 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ тов в матрицу материала на глубину 1-2 мкм с образованием активного, перестроенного слоя, связанного с кристаллической решеткой металла. Легирующие элементы подбираются индивидуально, исходя из условий работы изделия или инструмента. Преимущества технологий упрочнений перед традиционными покрытиями типов TiN, TiCN: бóльшая износостойкость благодаря большой микротвердости и структурным особенностям; упрочнение не приводит к изменению геометрических параметров; более низкие коэффициенты трения в паре «материал покрытия – обрабатываемый материал». Предприятие внедряет также нанокомпозитные покрытия для улучшения характеристик гильзопоршневой группы. Нанокомпозитные покрытия предотвращают задиры при работе в паре с гильзовым чугуном в условиях трения скольжения при граничных условиях смазки, соответствующих условиям работы деталей цилиндропоршневой группы двигателей. Относительное увеличение стойкости достигает 20-80 раз, а износ контртела уменьшается в 4-5 раз. В государственном технологическиом университете «Московский институт стали и сплавов» осуществлен процесс ионно-плазменного получения нанопокрытий на твердостплавные пластины ВК-6. Проведены аттестационные испытания режущих свойств твердосплавных пластин с разработанными покрытиями. Испытания резанием при фрезеровании проводили на стали 8ХНМА, при точении – на сером чугуне. Покрытия характеризуются высоким коэффициентом стойкости (Кст. порядка 4-6) в условиях как непрерывного, так и прерывистого резания и могут применяться для упрочнения поверхности инструмента. В Томском политехническом университете разработаны эффективные ионно-плазменные технологии и оборудование для нанесения наноразмерных покрытий. НПО «Сатурн» разработан новый технологический процесс модификации поверхности с помощью вакуумно-плазменного нанесения покрытий в сопровождении ионного пучка. В настоящий момент основными поставщиками твердосплавного инструмента в Российской Федерации являются зарубежные фирмы «Sandvic» (Швеция), «Iscar» (Израиль), «Mitsubishi» (Япония), Se-co (Швейцария), «Kennametal» (США) и др. Весь выпускаемый за рубе- 193 193 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ 194 жом инструмент имеет покрытие, которое увеличивает эффективность его использования в 2-2,5 раза по сравнению с инструментом, не имеющим специального покрытия. Просматривается тенденция разработки ведущими производителями режущего инструмента технологически развитых стран (Швеция, Германия, Япония, США) многослойных покрытий композиционного пятого-шестого поколений, наносимых на многогранные пластины из твердых сплавов и режущей керамики при использовании высокотемпературных процессов химического осаждения (процессы CVD при температуре 1050-1100°С). На Международном форуме по нанотехнологиям 6-8 октября 2009 г. ГК «Роснано» представила инвестиционные проекты по износостойким наноструктурированным материалам и покрытиям, внедряемым в России. В г. Рыбинске (Ярославская область) началось строительство нового завода, который будет производить инструмент для обработки деталей авиадвигателей и металлов на предприятиях машиностроительных отраслей. Ключевая технология проекта – нанесение наноструктурированных покрытий на инструмент – разработана Курчатовским институтом в рамках Федеральной целевой программы. Нанослойные и наноструктурированные покрытия сложной архитектуры из нитридов, карбидов элементов, оксидов, боридов, алмазоподобные пленки, износостойкие и антифрикционные покрытия будут наносить плазменно-дуговым способом. Такие покрытия делают инструмент более стойким к износу – срок его службы увеличивается, а обработку металла можно проводить на более высоких скоростях – скорость резки возрастает в 1,5-2 раза. Новое производство должно ослабить зависимость российских машиностроительных предприятий от импорта. Крупносерийное производство режущего инструмента из нанопорошка кубического нитрида бора создается на базе ООО «Микро-бор Технолоджи» (Москва). На этом же производстве будут синтезировать нанопорошок кубического нитрида бора – сверхтвердого материала, уступающего по твердости только алмазу. Режущему инструменту, изготовленному из него, поддаются все промышленно значимые материалы, в том числе чугун и сталь, а затраты на обработку деталей умень- 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ шаются до 60%. Отечественное производство инструмента из нанопорошка кубического нитрида бора, создаваемое в рамках проекта ГК «Роснано», будет первым в мире. Его продукция предназначена для черновой и финишной обработки деталей в машиностроении, автомобилестроении, добывающей промышленности, строительстве и будет поставляться на внутренний и внешний рынки. Производство износостойких изделий из наноструктурированных керамических и металокерамических материалов создается в СанктПетербурге на базе ООО «Вириал». Управляя формированием зерен и нанослоев (ноу-хау), технологи научились создавать прочные износостойкие материалы, устойчивые к трению, температурам и химическим агентам. Из этих материалов нового поколения будут изготавливать подшипники скольжения, уплотнения, сопла, фильеры. Использование новых наноструктурированных материалов только в насосном оборудовании позволит повысить его ресурс и надежность на 20-30%. В России создается промышленное производство оборудования для синтеза нанокерамических покрытий на алюминиевых и магниевых поверхностях. Они защищают металлы от коррозии, что особо важно в автомобиле- и машиностроении. Покрытие наносится методом микродугового оксидирования, который разработали специалисты из Российского государственного технологического университета им. К. Э. Циолковского (МАТИ). Этот метод позволяет формировать наноструктурированные керамикоподобные слои на поверхности алюминия, магния, титана, циркония и других металлов. Процесс происходит в электролите под воздействием электрического тока. В зависимости от условий обработки можно получать модифицированные поверхности различного назначения: износостойкие, коррозионно-защитные, электроизоляционные, теплостойкие и другие либо их сочетания. Эффект применения некоторых нанотехнологий при создании новой сельскохозяйственной техники приведен в табл. 3.7.2. Перспективно направление восстановления и упрочнения деталей гальванокомпозиционными покрытиями. Для этого в электролиты вводят нанопорошки, в том числе керамические. Закономерным следствием улучшения структуры электроосаждаемых композиционных материалов является улучшение их свойств: повышение 195 195 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ твердости, сопротивления износу и коррозии. Микротвердость композиционных материалов с нанокомпонентами на основе никеля и хрома в 1,4-1,9 раза выше, чем чистых металлов, и в 1,1-1,2 раза, чем с композиционными материалами с микропорошками, причем во всех случаях микротвердость повышается с увеличением содержания частиц в композиционном материале. Включение ультрамалых частиц в никелевые и хромовые матрицы снижает интенсивность их изнашивания в зависимости от содержания наноразмерного порошка соответственно в 1,5-2 и 2-2,5 раза. 196 Детали двигателя: клапаны, седла, поршни Детали опрыскивателей и поливной техники: насадки, распылители Кожухи кормоуборочных комбайнов Упрочнение режущих элементов почвообрабатывающей техники Антифрикционные вкладыши Использование нанопорошковых материалов Использование металлокерамических нанопорошков Нанесение нанослоя из оксида алюминия Повышение жаро- и износостойкости Повышение стойкости к гидроабразивному изнашиванию Увеличение срока службы в несколько раз Повышение долговечности в 2-3 раза Использование наночастиц из металлокерамики Использование наноком- Снижение коэффиципозитов из углерода ента трения в несколько раз Производство автомо- Использование нанопле- Самоочищение побильных фар и зеркал нок верхности Нейтрализаторы выИспользование наноча- Эффективность очистхлопных газов стиц бемита ки при температуре 450°С по оксиду углерода 95%, по углеводородам – 85% ФГУП ФНПЦ «Алтай» (г. Бийск) разработаны технологии нанесения композиционных металло-алмазных покрытий. Они на- 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ носятся электрохимическим способом из никелевых электролитов. Размер частиц алмаза составляет 4-6 нм. После их введения коррозионная стойкость покрытий увеличивается на 50-120%, а износостойкость – в 2-4 раза. ФГОУ «ВПО «Саратовский государственный аграрный университет им. Н. И. Вавилова» разработан способ получения нанокомпозиционных гальванических покрытий на основе хрома. Предлагаемый способ подразумевает получение композиционных гальванических покрытий на основе хрома с использованием нанодисперсных порошков с размерами 10-30 нм. Для получения таких покрытий возможно применение различных нанодисперсных материалов, в том числе композиционных (Cu-Al2O3, Cu-BN, Cu-MoS2, CuZnO2). Предлагаемый способ по сравнению с существующим гальваническим хромированием позволяет улучшить основные физикомеханические свойства получаемых покрытий. Так, композиционное гальваническое покрытие на основе хрома, полученное с применением нанодисперсного порошка оксида алюминия, по отношению к стандартному покрытию хрома обладает микротвердостью выше в среднем в 1,4 раза, износостойкостью – в 2,2, коррозионной стойкостью – в 1,8 раза. Улучшение физико-механических свойств гальванического покрытия связано с изменением его структуры под воздействием нанодисперсных частиц. Все это позволяет увеличить ресурс автотракторных деталей машин. Способ получения композиционных гальванических покрытий на основе хрома с использованием нанодисперсного порошка оксида алюминия был применен для восстановления и упрочнения плунжерных пар топливного насоса высокого давления. Стендовые и эксплуатационные испытания, а также расчеты показали, что ресурс плунжерных пар, восстановленных и упрочненных с применением нанокомпозиционного хромирования, по сравнению с плунжерными парами, восстановленными стандартным гальваническим хромированием, в 1,8 раза выше. ГОСНИТИ активно ведет работы по повышению послеремонтного ресурса агрегатов путем создания на рабочих поверхностях изношенных деталей наноструктурированных покрытий электроискровой обработкой (ЭИО) в газовой среде, холодным газодинамическим напылением порошков (ХГДН) и микродуговым оксидированием (МДО). 197 197 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ 198 Исследования микроструктуры и фазового состава поверхности после ЭИО в газовой среде показали, что независимо от режимов обработки, свойств материалов электрода и детали на рабочих поверхностях последней появляется измененный слой, состоящий из четырех зон. Верхняя (первая) зона – тонкий слой, по свойствам близкая к покрытиям, образованным газотермическими методами. Под верхним слоем находится белый слой, под ним – диффузионная зона, за которой следует зона термического влияния. Диффузионную зону и зону термического влияния часто объединяют под общим названием «термодиффузионная зона» или «переходной слой», который представляет собой область диффузионного проникновения элементов материала электрода и газовой среды в материал детали и термического воздействия искровых разрядов. Белый слой, внешне бесструктурный, обладает высокой химической стойкостью. Он представляет собой твердые растворы карбидов и нитридов, оказывающих влияние на износостойкость сопряжений. Были проведены двигательные (100-часовые) стационарные испытания по определению интенсивности изнашивания эталонной и восстановленных ЭИО пар трения. Установлено, что интенсивность суммарного изнашивания поверхностей, образованных ЭИО, в 6-22 раза ниже, чем эталонного соединения. При этом интенсивность изнашивания подвижных и неподвижных образцов уменьшилась соответственно в 1,73-8,83 и 2,69-19,72 раза. Нанострукгурированные покрытия, образуемые при ЭИО, применяются в новых технологиях ремонта гидрораспределителей типов Р-75/85, Р-100/150, Р-200 и Р-12П, турбокомпрессоров типа ТКР7,5/8,5/11, гидростатических трансмиссий ГСТ-90 и ГСТ-112, рулевых механизмов тракторов МТЗ, защищенных патентами. Эти технологии обеспечивают 100 %-ный ресурс после ремонта и внедряются «под ключ» в ремонтное производство. Опыт ремонта агрегатов с восстановлением деталей наноструктурированными покрытиями показал, что для образования электроискрового покрытия на площади в 1 см2 толщиной 0,3 мм требуется в 10-100 раз меньше энергии, чем при традиционных сварочных процессах. Основным недостатком известных газотермических методов нанесения покрытий является высокая температура переносимых частиц, 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ как правило, существенно превышающая температуру плавления наносимого материала. В этом случае в наносимом покрытии происходит необратимая деградация исходной наноструктуры напыляемого материала. Поэтому особый интерес вызывает газодинамическое напыление (до 500 м/с), при котором значительно снижены температурные режимы. Этот процесс позволяет сохранить наноструктуру исходного дисперсного материала и обеспечить высокие прочностные свойства покрытий. ГОСНИТИ для восстановления и упрочнения деталей используется установка для газодинамического нанесения покрытий «Димет-403», выпускаемая Обнинским центром порошкового напыления. Для восстановления деталей типа «вал» из коррозионностойких сталей разработан РТМ, предусматривающий нанесение покрытий путем газодинамического напыления алюминийсодержащих порошковых материалов с последующим их упрочнением микродуговым оксидированием (МДО). Микродуговое оксидирование представляет собой способ поверхностного упрочнения деталей из алюминиевых сплавов или стальных деталей, покрытых слоем алюминия, образованием нанокомпозитных покрытий. Суть способа состоит в том, что поверхностный слой алюминия под действием микродуги преобразуется в модификацию, состоящую из А12О3, т.е. получается керамический высокоизносный слой толщиной до 300 мкм. Принципиальным отличием МДО от других традиционных способов нанесения покрытий (плазменный, детонационный и др.) является наращивание слоя внутри основного материала без изменения геометрических размеров изделий. При этом форма обрабатываемых деталей не имеет принципиального значения: это могут быть сложнопрофильные изделия с различными внутренними поверхностями, включая скрытые полости. Различными испытаниями установлены следующие технические характеристики покрытия: прочность сцепления сопоставима с прочностными характеристиками подложки; микротвердость по Виккерсу 20-22 ГПа; износостойкость не уступает карбиду вольфрама; коэффициент трения 0,014-0,046; высокая гидро- и газоабразивная износостойкость; выдерживает термоциклирование до 1000°С; стоек в щелочных и кислотных растворах. Из приведенных данных можно определить возможную область ис- 199 199 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ 200 пользования МДО. Наиболее целесообразным является применение его в узлах трения, например, для восстановления и упрочнения деталей гидрораспределителей, корпусов гидронасосов типа НШ, алюминиевых поршней двигателей, различных деталей любой отрасли промышленности. С внедрением указанного способа упрочнения поверхностей открывается широкая перспектива по замене специальных сплавов на алюминиевые или низколегированные стали с последующим покрытием алюминием. Большую номенклатуру изнашивающихся деталей импортных и отечественных машин можно успешно восстанавливать нанесением алюминия электродуговой металлизацией с последующим микродуговым оксидированием. Износостойкость восстановленных деталей после МДО будет выше, чем оригинала. В ГОСНИТИ имеется конструкторская документация на оборудование для МДО. При разработке были учтены все требования санитарных и экологических служб и можно констатировать: процесс экологически безопасен, он не требует очистных сооружений, раствор ванны слабощелочной с добавлением небольшого количества жидкого стекла. Для внедрения МДО у заказчика необходимы подвод электроэнергии, отдельное помещение площадью 20-40 м2 с приточно-вытяжной вентиляцией. Все остальное, включая изготовление оборудования, пусконаладочные и технологические работы, выполняется силами специалистов ГОСНИТИ. Другим важным направлением повышения качества ремонта техники является технология безразборных методов восстановления работоспособности сопряжений. Суть этих работ состоит в том, что используются ремонтно-восстановительные составы, содержащие высокодисперсные антифрикционные нанопорошки, которые вводятся в смазочные материалы. Основным сырьем для изготовления составов являются шунгит, серпентинит и нефрит, которые добываются в горах Урала. В измельченном виде (размер частиц 1-10 мкм) эти минералы разбавляются катализаторами и вводятся в смазочные масла узлов и агрегатов машин. Попадая на поверхность трения и контакта работающих механизмов, частицы препарата модифицируют поверхности деталей с образованием металлокерамического защитного слоя (МКЗС). При работающем 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ механизме машины происходит контактирование микронеровностей сопрягаемых поверхностей, в результате в этом месте на сотые доли секунды резко повышается температура. При наличии в смазочном материале частиц минералов происходит (в момент касания микронеровностей и повышения температуры) реакция замещения атомов железа на атомы Мп или 51, в результате образуется МКЗС большой твердости (63-70 ИКС). По своей природе МКЗС – диэлектрик и огнеупор. Температура его разрушения 1575-1600°С, стоек к коррозии. За счет образования МКЗС происходят уменьшение зазора в сопряжениях механизмов и безразборное его восстановление с одновременным упрочнением ресурса сопряжений. Известно около 200 различных препаратов. Естественно, все эти препараты имеют различные свойства и могут обеспечивать наибольший эффект при определенных условиях. К сожалению, фирмыпроизводители препаратов в своих рекламных проспектах многократно завышают их достоинства. Исследования, проведенные в ГОСНИТИ, показали, что ремонтновосстановительные составы целесообразно применять после 50-70%ной наработки доремонтного или послеремонтного ресурса. В этом случае можно увеличить доремонтный ресурс более чем в 2 раза. В подтверждение этого в ГОСНИТИ были проведены исследования по количественной оценке повышения износостойкости пары трения за счет применения шести типов препаратов с использованием машины трения СМЦ-2. При исследовании применена схема «вращающийся стальной каленый ролик-неподвижный стальной каленый контрролик». Исследовались нанопрепараты РВС, «Хадо», «Реагент-2000», «Супротек», «Форсан», «Автокомфорт». Результаты исследования противоизносных свойств указанных препаратов по сравнению с чистым моторным маслом показали, что все они, предназначенные для увеличения ресурса двигателей, на машине трения снизили износ образцов по сравнению с износом тех же образцов на чистом моторном масле в 2 раза и более. Хороший результат по уменьшению износа показал препарат РВС – 31%, т.е. износ образцов по сравнению с износом в чистом моторном масле уменьшился более чем в 3 раза. Остальные препараты для двигателей уменьшали суммарный износ 201 201 3. ЭВОЛЮЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ: ОТ НАПЛАВКИ ДО НАНОТЕХНОЛОГИЙ 202 образцов на величину до 65% (автокомфорт), т.е. можно с уверенностью утверждать, что все препараты дают существенный положительный эффект по снижению износа образцов, а следовательно, по замедлению скорости изнашивания деталей ресурсных сопряжений двигателя. Температура масла в зоне трения образцов по истечении 1 ч испытания достигала 130-140°С и стабилизировалась на этой отметке. Эффективность РВС была проверена в условиях эксплуатации на двигателе ЯМЗ-240 трактора К-701. Был выбран двигатель, который по техническому состоянию должен быть поставлен на капитальный ремонт. В систему смазки двигателя было введено РВС согласно технологии применения препарата. Стоимость обработки двигателя с применением РВС составила 9,8 тыс. руб., затраты на проведение капитального ремонта – 32 тыс. руб. После девяти месяцев эксплуатации у двигателя была восстановлена компрессия и стабилизировалось давление в системе. Дальнейшее наблюдение за работой двигателя показало, что трактор проработал вместо предполагаемого капитального ремонта за счет РВС 38 месяцев, выполняет сельскохозяйственные работы с экономией дизельного топлива и без расхода масла. На основании выполненных исследований следует считать, что препарат РВС является наиболее эффективным и универсальным средством увеличения ресурса двигателей. Для развития нанотехнологий, в том числе для восстановления и упрочнения деталей в ГОСНИТИ создан Наноцентр. Раздел 4. ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТИПОВЫХ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ 203 203 4. ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТИПОВЫХ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ 204 Трещины образуются в результате воздействия значительных местных нагрузок, ударов и перенагружений. Они могут появляться в наиболее нагруженных местах рам, блоков, корпусов коробок передач задних мостов и других корпусных деталей различных механизмов. Часто трещины возникают на чугунных деталях и на деталях, изготовленных из листового материала (крылья, капоты, облицовка и т. п.). Кроме трещин, возникающих в результате воздействия сил ударного характера, появляются усталостные трещины в наиболее напряженных местах деталей (продолжительное воздействие знакопеременных нагрузок). Могут быть трещины и теплового происхождения. Они возникают в перемычках гнезд клапанов головок цилиндров и т.д. Пробоины появляются в результате ударов различных предметов о поверхности тонкостенных деталей. К таким повреждениям относятся пробоины на стенках блока цилиндров, крыльях, капотах и корпусах коробок передач и редукторов. Трещины и пробоины в стенках блоков и головках, а также в радиаторах могут появляться при замерзании охлаждающей жидкости. Риски и надиры (ряд рисок) на рабочих поверхностях деталей чаще образуются вследствие загрязнения смазки или абразивного действия чужеродных частиц. Выкрашивание – дефект, характерный для поверхностей деталей, подвергнутых химико-термической обработке (поверхности зубчатых колес коробок передач, зубчатые муфты), появляющийся вследствие динамических ударных нагрузок в процессе эксплуатации. Выкрашивание может быть и в результате усталостных напряжений, например, выкрашивание баббитового слоя на вкладышах подшипников шатунов и коленчатого вала, на беговых дорожках колец шариковых подшипников, на профилях зубьев колес и т. п. Поломки и обломы возникают при сильных ударах о детали, часто наблюдаются на литых деталях. Могут возникать также в результате усталости металла. Изгибы и вмятины характеризуются нарушением формы деталей и происходят в результате ударных нагрузок. Такие дефекты появляются на рамах машин, различных валах, балках передних мостов автомобилей, тягах, а также деталях, изготовленных из листового металла. 4. ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТИПОВЫХ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ Скручивание деталей возникает от воздействия большого крутящего момента, связанного с преодолением временных значительных сопротивлений при работе. Скручиванию подвержены валы, полуоси и т. п. Химико-тепловые повреждения деталей по сравнению с другими повреждениями встречаются реже и возникают, как правило, в результате сложных взаимодействий при тяжелых условиях эксплуатации машин. К таким повреждениям относятся коробление, коррозия, раковины, образование нагара и накипи, электроэрозионное разрушение и т. д. Коробление деталей происходит в результате воздействия высоких температур (чаще при нарушении правил эксплуатации машин), приводящих к возникновению структурных изменений и больших внутренних напряжений. Такие повреждения характерны, например, для головок цилиндров автотракторных двигателей. Коррозия – процесс разрушения металлов вследствие химического или электрохимического взаимодействия их с коррозионной средой. Поскольку подавляющее большинство технологических сред представляет собой электролиты, то основным видом коррозии оборудования является электрохимическая коррозия. Разнообразие условий эксплуатации обусловливает различные виды изнашивания рабочих поверхностей деталей машин. Для оборудования характерными видами изнашивания являются абразивное, коррозионно-механическое, гидроабразивное, гидроэрозионное и кавитационное. Наиболее распространенный вид разрушения технологического оборудования – коррозионно-механическое изнашивание, происходящее в результате механических воздействий, сопровождающихся химическими или электрохимическими воздействиями среды на металл. В результате совместного воздействия механического и коррозионного факторов в поверхностных слоях металла происходят взаимосвязанные явления, способствующие активизации процессов упругопластического деформирования, химических и электрохимических реакций и т. д. Гидроабразивное изнашивание происходит в результате воздействия на поверхность металла твердых абразивных частиц, взве- 205 205 4. ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТИПОВЫХ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ 206 шенных в жидкости и перемещающихся относительно изнашиваемой поверхности. Такой вид характерен для рабочих колес и корпусов насосов, предназначенных для перекачки технологических жидких сред, деталей гарнитуры размольного оборудования, поверхности стенок корпусов варочных котлов, особенно в местах установки загрузочных, выдувных и циркуляционных устройств и других деталей. Гидроабразивное изнашивание происходит при наличии значительного числа абразивных частиц в составе технологической среды. Кавитационное изнашивание металла происходит в результате воздействия на его поверхность микроударных нагрузок, возникающих при образовании и захлопывании кавитационных полостей и пузырьков. Раковины (выгорание) образуются в результате местных температурных воздействий на поверхности детали, например, раковины на корпусных поверхностях (фасках) выпускных клапанов и т. д. Нагар появляется в результате взаимодействия сильнонагретых газов и продуктов сгорания топлива и масел на поверхностях деталей. Он ухудшает условия теплопередачи и в некоторых случаях приводит к перегреву деталей и образованию на них трещин. Накипь на стенках рубашки блока образуется в результате использования в системе охлаждения двигателей воды с малорастворимыми в воде солями магния и кальция и механическими примесями. Существуют также неисправности, связанные со снижением тех или иных эксплуатационных свойств деталей. Например, пружины, рессоры, торсионные валы, поршневые кольца вследствие динамических нагрузок и теплового воздействия без видимых внешних повреждений утрачивают упругость, нарушая нормальную работу агрегатов, и часто вызывают полную потерю работоспособности машин. Классификация восстанавливаемых деталей машин Все восстанавливаемые детали подразделяются на два класса: тела вращения (табл. 4.1.1) и не тела вращения (табл. 4.1.2). Из двух классов деталей выделено семь подклассов. 4. ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТИПОВЫХ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ Таблица 4.1.1 Классификация восстанавливаемых деталей тел вращения Точные цилиндрические детали Поршневые пальцы Детали гидроцилиндров Прецизионные детали топливной аппаратуры Детали гидрораспределителей Крестовины карданных валов Толкатели двигателей Клапаны двигателей Валы и оси Валы и оси цилиндрические Валы шлицевые Валы, оси (полуоси) с фланцами, вилками Валы, шестерни, валы пустотелые Распределительные валы Коленчатые валы Стаканы, гильзы, диски, роли- Маховики ки, катки Гильзы цилиндров Стаканы, втулки, ступицы Фланцы, чашки дифференциалов Направляющие колеса, ролики, шкивы, барабаны Барабаны тормозные Опорные катки, ролики Поршни двигателей Диски трения, диски муфт сцепления Детали с зубчатыми поверхно- Зубчатые колеса стями Звездочки цепных передач Ведущие колеса Храповики Полотна транспортеров Шнеки Рукава высокого давления 207 207 4. ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТИПОВЫХ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ Таблица 4.1.2 Классификация восстанавливаемых деталей не тел вращения Корпусные детали 208 Блоки цилиндров Головки цилиндров Корпуса коробок передач и трансмиссий Корпуса редукторов, картеры, рукава, подшипниковые щиты Корпуса гидронасосов Балансиры Станины Звенья гусениц, башмаки Ножи режущих аппаратов Кожухи, оперенья, крылья, баки Радиаторы Шатуны, рычаги, кронштейны, Шатуны рамные конструкции Вилки переключения передач Кронштейны, рычаги, коромысла Рамные конструкции сварные Рамные конструкции клепано-сварные Звенья, планки транспортеров Пружины Сборочные единицы Втулочно-роликовые цепи Полотна транспортеров Шнеки Рукава высокого давления Дефектация деталей Дефектация – это оценка технического состояния детали. При дефектации руководствуются специальными таблицами, приводимыми в технических требованиях на ремонт или руководствах по ремонту машины конкретной марки. В таблицах для каждой детали машины указаны дефекты, размеры по чертежу и допустимые без ремонта, а также средства измерения. 4. ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТИПОВЫХ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ По результатам дефектации детали сортируют на пять групп и маркируют краской определенного цвета: годные (зеленые), годные в соединении с новыми или восстановленными деталями (желтые), подлежащие ремонту на данном предприятии (белые) и на специализированных ремонтных предприятиях (синие), негодные – утиль (красные). Для дефектации деталей применяют следующие основные методы: наружный осмотр, апробирование вручную, остукивание, измерение износа или зазора стандартным измерительным инструментом или с помощью приспособлений, испытание с помощью специальных стендов и приборов. При наружном осмотре устанавливают явные дефекты: поломки, большие трещины, пробоины, вмятины и др. Апробированием вручную определяют пригодность резьбы (отвертывая и завертывая болт или гайку), заедание шариков (проворачивая кольцо подшипников качения) и др. При остукивании по характеру звука выявляют скрытые дефекты: ослабление заклепок, уменьшение натяга посадок колец и втулок в корпусных деталях, трещины и др. Для измерения размеров и других геометрических параметров применяют стандартный измерительный инструмент – штангенциркули, индикаторные нутромеры, микрометры и др., а также специальные калибры и приборы, которые позволяют более точно и производительно оценивать пригодность детали. При дефектации необходимо применять те средства измерения, которые указаны в технических требованиях на ремонт машины. В любом случае средство измерения по своим метрологическим характеристикам (цена деления, погрешность измерения и др.) должно соответствовать точности измеряемого элемента. Нормальными называют размеры и другие технические характеристики деталей, соответствующие рабочим чертежам. Допустимыми – размеры и другие технические характеристики детали, при которых она может быть поставлена на машину без ремонта и будет удовлетворительно работать в течение предусмотренного межремонтного периода. Предельными – выбраковочные размеры и другие характеристики деталей. 209 209 4. ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТИПОВЫХ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ 210 Методы контроля, средства измерения и классификация средств дефектации приведены в табл. 4.1.3. Для определения скрытых дефектов (трещин и др.) применяют магнитный, капиллярный, гидравлический, пневматический и другие методы. Магнитный метод используют для обнаружения поверхностных и близко расположенных к поверхности трещин, раковин. Его суть заключается в намагничивании детали специальным прибором (дефектоскопом) и посыпании мелким железным порошком. В месте дефекта появляется скопление порошка, по которому можно определить границы трещины или раковины. Для намагничивания деталей применяют передвижные и переносные магнитные дефектоскопы. Магнитную суспензию приготовляют, используя керосин, трансформаторное масло или смесь минерального масла с керосином и порошок магнетита или оксида железа зернистостью не более 5-10 мкм. На 1 л жидкости добавляют 30-50 г магнитного порошка. При сухом способе контроля используют только магнитный порошок. Технология определения дефекта состоит из следующих операций: очистка детали от загрязнений, подготовка суспензии (мокрым способом), намагничивание детали, нанесение на поверхность детали порошка или суспензии, осмотр поверхности детали для выявления дефекта, размагничивание детали. Универсальные инструменты (штанген и микрометрические, рычажно-зубчатые приборы) Отклонение от Лекальные и поверочные прямолинейности линейки, щупы и плоскостности Отклонение фор- Шаблоны (профильные мы заданного про- калибры), щупы филя Отклонение от округлости или профиля продольного сечения Выполнение измерений в нескольких направлениях и сечениях Проверка на просвет и измерение зазора щупом То же 4. ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТИПОВЫХ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ Продолжение табл. 4.1.3 Показатели Средство измерения Метод контроля Отклонение от плоскостности Отклонение от перпендикулярности оси к плоскости Радиальное биение Лекальная и поверочная линейка Лекальный угольник, щупы Измерение зазора щупом Проверка угольника на просвет и измерение зазора щупом Проверка стрелы прогиба при вращении детали на призмах Индикатор на штативе, проверочные призмы Среди магнитных методов дефектоскопии широкое распространение для контроля сварных швов получил магнитографический метод благодаря простоте применяемого оборудования, низкой стоимости материалов, безопасности для обслуживающего персонала и др. Капиллярные методы основаны на явлении капиллярного эффекта. Наиболее прост следующий способ: очищенную деталь смачивают в течение 10-30 мин керосином и вытирают досуха. Затем на поверхность наносят тонкий слой мела. После высыхания меловой обмазки керосин, выходя из капиллярной трещины, смачивает обмазку, показывая расположение дефекта. В последние годы в качестве жидкостей (пенетрантов) используют растворы органических люминофоров и красителей в смесях с необходимыми добавками. Если состав пенетранта включает вещества, способные флюоресцировать при облучении ультрафиолетовым светом, то такие жидкости называют люминесцентными, а сам метод – люминесцентным методом дефектоскопии. Если в пенетранте содержатся красители, видимые при дневном свете, то такие жидкости называются цветными, а сам метод — цветным методом дефектоскопии. Технология люминесцентного контроля состоит из операций очистки и обезжиривания детали, нанесения проникающей жидкости (керосин с добавлением минерального масла, дефектоля и др.), выдержки 5-15 мин, удаления жидкости (промывкой детали в воде), 211 211 4. ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТИПОВЫХ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ 212 просушки детали струей теплого воздуха, нанесения (напыления распылителем) проявляющегося порошка (окись магния, силикагеля, талька) и осмотра детали в темноте под ультрафиолетовыми лучами ртутно-кварцевой лампы. Порошок впитывает в себя оставшуюся в трещинах жидкость и при облучении усиливает свечение, способствуя более надежному выявлению дефекта. Места дефектов люминесцируют желто-зеленым излучением и выявляют визуально. Ускорение пропитки и повышение чувствительности контроля достигаются использованием вакуума, избыточного давления, ультразвука, вибрации и т.д. При применении метода красок (цветная дефектоскопия) проникающая жидкость (керосин – 65%, минеральное масло – 30, скипидар – 5%) окрашивает поверхности в красный цвет (краситель «Судан-IV» – 10 г/л). Технология этого метода аналогична люминесцентному. В качестве проявителя используют белую краску (цинковые белила + растворитель + белая нитроэмаль). Ультразвуковой метод контроля основан на способности ультразвуковых колебаний распространяться в металле на большие расстояния в виде направленных лучей и отражаться от дефектного участка детали вследствие резкого изменения плотности среды. В ремонтном производстве применяются два способа ультразвукового контроля: теневой и импульсный (эхо-метод). Гидравлический и пневматический методы применяют для обнаружения нарушения герметичности полых деталей. При гидравлическом испытании внутрь загерметизированной детали (например, блока цилиндров или головки блока) нагнетают под давлением 0,3-0,5 МПа воду и выдерживают в течение 3-5 мин. Появление течи воды и падение давления указывают на наличие трещин или других повреждений. При пневматическом испытании внутри изделия (например, в топливном баке, радиаторе) создают избыточное давление воздуха около 0,1 МПа. Для обнаружения утечки воздуха через неплотности и повреждения изделия погружают в ванну с водой или смачивают проверяемые участки мыльным раствором. 4. ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТИПОВЫХ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ 4.2. ВОССТАНОВЛЕНИЕ КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ Суть ремонта заключается в стягивании трещин фигурной вставкой в результате запрессовки ее в паз (рис. 4.2.1). Фигурные вставки изготовляют из малоуглеродистой стали в виде цилиндров, соединенных между собой перемычками. Форма паза соответствует форме вставки и представляет собой ряд цилиндрических отверстий, соединенных между собой пропилом, по ширине равным ширине перемычки вставки. В ремонт принимают детали с трещинами шириной до 0,3 мм, расположенными на плоскостях Рис. 4.2.1. Схема ремонта трещин фигурными вставками: размерами не менее 50х50 мм и на А – фигурная вставка; Б – паз в расстоянии не менее 25 мм от края. детали под фигурную вставку; Технологический процесс ре- 1 – цилиндр вставки: 2 – перемычка монта деталей включает в себя вставки; 3 – трещина; подготовку фигурного паза, за4 – отверстие паза 213 213 4. ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТИПОВЫХ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ 214 прессовку в него фигурной вставки, зачистку отремонтированного участка, проверку качества ремонта и заделку эпоксидным составом. При подготовке фигурного паза сверлят по кондуктору перпендикулярно трещине шесть отверстий (по три с каждой стороны трещины) ∅3,5, глубиной 10 мм, с шагом 4,2 мм. Затем удаляют перемычки между просверленными отверстиями специальным пробойником шириной 1,8 мм, в паз запрессовывают фигурную вставку и зачищают этот участок заподлицо. Технологической оснасткой предусмотрено, что шаг между цилиндрами вставки меньше шага между отверстиями паза на 0,2 мм, что обеспечивает надежное стягивание трещины. Фигурные вставки поставляются в комплекте ОР-11362-ГОСНИТИ. Он предназначен для ремонта деталей с трещинами и может быть использован при ремонте головок и блоков цилиндров двигателей, коробок передач, задних мостов, корпусных деталей тракторов, автомобилей и других машин, ширина трещин в которых не превышает 0,3 мм. Применяется в условиях любого вида ремонтного производства (рис. 4.2.2). Технологическая оснастка и режущий инструмент размещены в футляре. В состав комплекта входят кондукторы, прижимы, фигурные вставки, режущий и крепежный инструменты. Фигурные вставки содержат четное количество цилиндрических элементов, соединенных между собой перемычками. Использование комплекта ОР-11362М позволяет: снизить себестоимость единицы ремонта за счет экономии затрат на материалы, электроэнергию, оборудование, а также фонд заработной платы в связи с возможностью привлечения обслуживающего персонала невысокой квалификации; повысить качество ремонта благодаря отсутствию типичных для сварки нагрева и коробления деталей, простоте исполнения и специализации рабочего места; улучшить условия труда рабочих за счет ликвидации сварочной и термической операций; сохранить геометрические параметры детали; обеспечить гарантированную прочность соединения. Следует отметить сравнительную со сваркой эффективность комплекта при ремонте деталей из чугуна – при сварке затруднена 4. ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТИПОВЫХ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ или невозможна последующая механическая обработка из-за отбела чугуна в околошовной зоне. Рабочее место оснащают пневматическим или электрическим механизированным инструментом, сверлильной и шлифовальной машинами, клепальным молотком. Рис. 4.2.2. Комплект ОР-11362-ГОСНИТИ 215 215 Техническая характеристика Тип Производительность за смену, вставки Габаритные размеры, мм Масса, кг переносной 25 330х465х80 15 Корпуса коробок передач, блока цилиндров представляют собой систему, состоящую обычно из трех и более жестко увязанных между собой координирующими размерами соосных отверстий. Результаты исследований по износам корпусных деталей свидетельствуют, что уже за очень короткий период эксплуатации износы посадочных отверстий превышают максимально допустимые. Перспективными являются технологии, основанные на способе восстановления посадочных поверхностей отверстий установкой свертных колец с последующим закрепляюще-упрочняющим раскатыванием. 4. ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТИПОВЫХ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ 216 Технологический процесс восстановления посадочных отверстий предусматривает следующие операции: предварительное растачивание, установка свертных колец и их раскатывание с целью закрепления и поверхностного упрочнения, чистовое растачивание свертных колец в размер. Достоинством данного процесса является то, что при чистовом растачивании снимается тонкий обезуглероженный поверхностный слой металла с дефектами производства. В данном случае чистовое растачивание отверстий происходит по упрочненному предыдущим раскатыванием металлу кольца. Имеет место совмещенная механическая обработка – опережающее пластическое деформирование (ОПД) и последующая обработка резанием со всеми ее преимуществами. Восстановление посадочных поверхностей отверстий установкой свертных колец с их последующим упрочняющим раскатыванием относится к методам поверхностного пластического деформирования (ППД). В процессе пластической деформации поверхностный слой металла значительно упрочняется, что увеличивает сопротивление поверхности пластической деформации. Раскатывание повышает твердость стальных поверхностей на 15-30%, снижает на два-три класса шероховатость поверхности, что благоприятно влияет на работоспособность поверхностей отверстий. Все это создает предпосылки к созданию поверхностного слоя в посадочных отверстиях с улучшенными физико-механическими свойствами по сравнению с новыми деталями, а следовательно, и более высокой износостойкостью. Данный способ по сравнению с другими имеет ряд преимуществ: применение дешевых и доступных материалов, при этом коэффициент использования материалов колец близок к единице; возможность многократного восстановления и легкое исправление брака, при этом отпадает необходимость в предварительном растачивании деталей, поступающих на повторное восстановление, восстановление заключается в замене свертных колец и раскатывании; невысокие требования по подготовке поверхности для установки кольца (отпадает необходимость в тщательной очистке и обезжиривании, без которых другие способы практически не реализуемы). 4. ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТИПОВЫХ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ Технологический процесс изготовления, закрепления и упрочнения свертных колец должен состоять из следующих основных этапов: резка стального листа на полосы, резка полосы на пластинызаготовки в размер, зачистка заусенцев и снятие фасок на пластинкахзаготовках, изгиб пластин-заготовок в свертные кольца, установка свертных колец в расточенные отверстия восстанавливаемого корпуса, закрепляюще-упрочняющее раскатывание свертных колец. Свертные кольца целесообразно изготовлять из рулонной ленты или стального листа, разрезанного на полосы с последующим разрезанием в размер на приспособлении. Материал колец: сталь 3, 10, 30, 35, 40 толщиной 1,4 мм. Лист разрезают на полосы с помощью кривошипных ножниц с наклонным ножом или ручных рычажных ножниц. Ширина полос выбирается с учетом ширины посадочного отверстия, уменьшенного на 0,5-0,75 мм, возможного выплава металла при раскатывании. Допуск на размер по ширине свободный, разность – не более 0,2 мм. Полосы разрезаются на пластины-заготовки на установке для резки в размер. Гибка колец выполняется на специальном приспособлении. Установка свертных колец в расточенные отверстия осуществляется с помощью приспособления (рис 4.2.3), которое обеспечивает центрирование кольца с отверстием, его быструю и надежную запрессовку. Рис. 4.2.3. Приспособление для Закрепляюще-упрочняющее запрессовки свертных колец: раскатывание свертных ко1 – стержень; 2 – стакан; лец проводится на радиально3 – корпус; 4 – оправка; сверлильном станке жесткими 5 – кольцо; 6 – крышка; 7 – гайка; 8 – пружина; 9 – шарик дифференциальными роликовыми 217 217 4. ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТИПОВЫХ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ 218 регулируемыми раскатниками, которые настраиваются на заданный размер. Комплект раскатников должен обеспечить закрепляющее и упрочняющее раскатывание свертных колец в отверстиях ∅ 50+0,030, 62+0,040, 72+0,030, 80+0,020, 85+0,090, 90+0,023, 100+0,035, 110+0,035, 120+0,035, 130+0,040, 135+0,040, 138+0,040, 145+0,040, 150-0,030+0,010, 155+0,040, 160+0,040, 165+0,040, 210+0,045мм. Для ремонта резьбовых отверстий разработан комплект инструмента и оснастки ОР-5526-ГОСНИТИ. Он размещен в двух металлических коробках: в одной находится комплект № 1 для ремонта резьбовых отверстий от М 8 до M l4, в другой – комплект № 2 для ремонта резьбовых отверстий от M l6 до М 20. Каждый комплект состоит из сверл для рассверливания изношенных резьбовых отверстий, метчиков для нарезания резьбы под спиральные вставки, ключей для ввертывания спиральных вставок, бородков для удаления технологического поводка в спиральных вставках, трехгранных ключей для вывертывания бракованных вставок, набора спиральных вставок. Процесс ремонта неисправных резьбовых отверстий состоит из рассверливания изношенной резьбы в деталях, нарезания новой резьбы под спиральную вставку, установки спиральной вставки, удаления технологического поводка (рис.4.2.4). Рис. 4.2.4. Спиральная вставка Резьбу в отверстиях нарезают на глубину, которая была до рассверливания. 4. ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТИПОВЫХ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ Спиральную вставку надевают на голову ключа так, чтобы технологический поводок вставки вошел в паз головки ключа. Затем ключ устанавливают перпендикулярно поверхности подготовленного резьбового отверстия и, вращая за рукоятку, ввертывают вставку в резьбовое отверстие (рис. 4.2.5а) до тех пор, пока верхний виток ее не будет утопать на 1-1,5 нитки от поверхности детали. После этого ключ перемещением вверх за рукоятку снимают с технологического поводка спиральной вставки. Поводок удаляют с помощью бородка и молотка (рис. 4.2.5б). Поврежденную вставку можно удалить трехгранным ключом, установив его перпендикулярно поверхности детали, резким ударом молотка вогнав во вставку до середины диаметра первого витка, а затем повернув против часовой стрелки (рис. 4.2.5в). 219 219 Рис. 4.2.5. Ремонт резьбы спиральной вставкой Для восстановления до номинального размера изношенной резьбы отверстий деталей машин с помощью резьбовых спиральных вставок можно использовать комплект ОР-5526-ГОСНИТИ (рис.4.2.6). Он состоит из отдельных наборов для восстановления резьбовых отверстий размерами от М4 до М36. Большую группу корпусных деталей составляют блоки цилиндров двигателей. В ГОСНИТИ разработана технология ремонта блоков цилиндров двигателей КамАЗ-740 восстановлением размеров и геометрии коренных опор комбинированным методом, включающим электроискровую обработку и применение металлополимерных композиций. 4. ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТИПОВЫХ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ Рис.4.2.6. Комплект ОР-5526-ГОСНИТИ 220 Обеспечивает: 100%-ный послеремонтный ресурс блока цилиндров; восстановление размеров и геометрических параметров изношенных поверхностей посадочных отверстий коренных опор нанесением высокопрочного электроискрового покрытия и слоя износостойкой металлополимерной композиции; снижение себестоимости ремонта благодаря применению энергосберегающего оборудования и минимальным ресурсозатратам. Комплект поставки при внедрении: установка «Элитрон-5 2БМ» – 1 шт.; комплект технологической оснастки (калибрующие отправки под номинальный и ремонтный размеры) – 1 шт.; методическая литература, конструкторская и технологическая документация. Для реализации разработки необходимо иметь производственную площадь (минимально 50 м2), верстак с тисками для слесарных работ, горизонтальный агрегатно-расточной станок 14А339 или аналог, подъемное устройство (тельфер, кран-балку), контрольноизмерительный инструмент с точностью 0,01 мм. Для расточки и хонингования постелей коленчатого вала двигателя КамАЗ-740 разработаны борштанги (рис. 4.2.7). Достоинства разработки: исключает применение при восстановлении сложного оборудования (расточных и хонинговальных станков, наплавочных установок); 4. ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТИПОВЫХ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ сокращает потребление электроэнергии; повышает коэффициент использования производственных площадей; конструкция борштанги обеспечивает обработку всех возможных дефектов в одном блоке за одну установку; передача крутящего момента на борштангу осуществляется без динамических нагрузок и вибраций; бесступенчатая регулировка частоты вращения борштанги; настройка резцов и контроль их вылета обеспечивают точность не более 0,01 мм; базирование центрирующих опор и посадки подвижных и неподвижных сопряжений обеспечивают точность геометрии обрабатываемых отверстий не ниже 6-7 квалитета. 221 221 Рис. 4.2.7. Борштанги для расточки и хонингования постелей коленчатого вала двигателя КамАЗ-740 Особенности восстановления головок блоков цилиндров Головки блоков цилиндров автомобильных двигателей в процессе эксплуатации испытывают значительные внешние и внутренние нагрузки, воздействия высокой температуры; возникают коррозия, коробление, выгорание металла, трещины на рубашке охлаждения, срыв или износ резьбы, ослабление посадки седел клапанов и другие дефекты. 4. ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТИПОВЫХ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ 222 Серьезные проблемы – коробление и коррозия привалочных плоскостей головок блоков цилиндров. На многих предприятиях такие дефекты устраняются фрезерованием. Однако, как показывает практика, головки имеют более серьезные дефекты, часть деталей подвергается многократному ремонту, существенно уменьшается объем камер сгорания, что приводит к повышению износа двигателя и потере его экономичности. Ремонт привалочных плоскостей головок блоков цилиндров осуществляют фрезерованием и установкой прокладок, предварительно вырубленных из листового алюминия или его сплавов. В процессе работы двигателя в связи с его вибрацией происходит раскручивание крепежных гаек, что приводит к течи охлаждающей жидкости через прокладку. Срок службы таких двигателей невысок. Несколько повышает стойкость головок приклеивание прокладок. Однако при этом наблюдается выгорание клея в местах камер сгорания в связи с высокой температурой, образующейся при сгорании топлива. Для устранения некоторых повреждений в головках блоков цилиндров применяют энексипласт, приготовленный из эпоксидной смолы, пластификатора, наполнителей и отвердителя. Эпоксидная смола – связующее вещество, основа клеящего состава. Наибольшее распространение получили эпоксидные смолы отечественного производства – ЭД-5,6, 16-, 20 и др. При восстановлении привалочной плоскости отдельные дефекты коррозионного характера устраняют способом аргонодуговой наплавки. Дефектные места предварительно очищают. Наплавка всей привалочной плоскости нежелательна в связи со значительной деформацией деталей. Технология восстановления электродуговой металлизацей включает в себя следующие основные операции: очистка от загрязнений, мойка, удаление нагара и накипи, дефектация и предварительное устранение дефектов головок, подготовка поверхности к металлизации, металлизация, фрезерование головок. Электродуговую металлизацию проводят на установке УВГ-3 (рис. 4.2.8). Основные узлы установки: камера металлизации, электрошкаф, пульт управления, источник питания ВДУ-506. 4. ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТИПОВЫХ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ В камере металлизации установлены направляющие, бункер, платформа и привод. По направляющим перемещается каретка с качателем и приводом качателя, состоящим из двигателя и редуктора. На качателе установлены металлизатор и блок катушек с проволокой. Бункер локализует область металлизации и Рис. 4.2.8. Установка для увеличивает эффективность вывосстановления головок блока тяжной вентиляции. цилиндров УВГ-3: 1 - камера; Привалочные плоскости вос2 - электрошкаф; 3 - пульт управления; 4 - источник питания станавливают с помощью напыления слоя алюминия на плоскость разъема электродуговым металлизатором ЭМ 12-67. Установка обеспечивает равномерное нанесение слоя алюминия толщиной до 3 мм. Для ускорения процесса металлизации предусмотрено эффективное охлаждение поверхности проточной водой. Специальная звукоизоляция позволила снизить общий уровень шума при работе установки со 140 до 84 дБа. Процесс нанесения металлизационного слоя полностью автоматизирован. Толщина наносимого слоя задается с пульта. Подготовку восстанавливаемой поверхности выполняют в три этапа. Сначала проводят фрезерование до устранения неплоскостности раковин глубиной более 2 мм. Далее на внешних краях плоскости разъема, камеры сгорания и всех углублений (кроме сквозных отверстий под шпильки) делают насечки с помощью специального ударного приспособления или на прессе. Третий этап заключается в обработке поверхности в специальной камере стальной колотой дробью. Технологический процесс восстановления привалочных плоскостей головок блоков цилиндров выполняется в определенной последовательности. Очищают детали в растворе Лабомид-203 (концентрация 2535 г/л, температура раствора 80-100°С). 223 223 4. ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТИПОВЫХ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ 224 При дефектации выявляют головки с наличием коррозии и коробления привалочной плоскости, с заниженной высотой камеры сгорания, определяют размер головки. При этом используют штангенрейсмас ШР-0-250, щуп 0,3, поверочную линейку ШП 2-630. Механическую подготовку поверхности выполняют на вертикально-фрезерном станке 6М12П резцом специальной формы, установленным в резцовую головку или фрезу. Режим: скорость подачи стола 200 мм/мин, частота вращения резца 100 мин-1, число проходов 1, глубина обработки 0,7-1,7 мм, диаметр фрезы или резцовой головки 250 мм, длина хода стола 800 мм. Подготовка поверхности заключается в удалении оксидов, загрязнений, масла, увеличении площади контакта, что способствует повышению кристаллизации частиц на единичном выступе, гашении остаточных напряжений. Это особенно важно при нанесении слоев толщиной 4-5 мм. Отверстия камер сгорания и водяного охлаждения закрывают пробками, головку устанавливают в камеру установки. Для металлизации привалочной плоскости применяют полуавтоматическую установку, включающую в себя закрывающуюся камеру с подведенной вентиляцией, приспособление для установки головки и изменения угла наклона плоскости к металловоздушному потоку; приспособление, позволяющее перемещать головку в плоскости, перпендикулярной оси металловоздушного потока; электрометаллизатор ЭМ-12. Используют источник питания ВДГ-301, заводскую сеть сжатого воздуха, обеспечивающую давление не менее 0,4 МПа. Металлизируют привалочную плоскость проволокой СвАк-5 Ø 2 мм при следующем режиме: ток дуги 300 А, ее напряжение 2832 В, давление сжатого воздуха 0,4-0,6 МПа, дистанция металлизации 80-100 мм. При этом прочность соединения покрытия с подложкой является достаточной для получения толщины наносимого слоя до 5 мм. Приведенные затраты на восстановление одной головки (с учетом устранения всех дефектов) составляют 32% от стоимости новой детали. Трещины на стенках рубашки охлаждения головки цилиндров заделывают эпоксидной пастой. В качестве наполнителя пасты 4. ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТИПОВЫХ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ используют алюминиевый порошок. Предварительно концы трещин накернивают и сверлят отверстия, затем трещину разделывают по всей длине на глубину 3 мм. Поверхность, подлежащую заделке, тщательно обезжиривают ацетоном или другим растворителем и сушат в течение 3-5 мин. Эпоксидную пасту первоначально тщательно втирают в подготовленную трещину, используя шпатель, а при нанесении второго слоя перекрывают расфасованную трещину на ширину 10 мм. Высота валика пасты должна быть не менее 2-3 мм. Отремонтированную головку выдерживают в течение 48 ч при температуре 16-20°С до полного затвердевания мастики. Для ускоренного (в течение 1 ч) затвердевания используют сушильные шкафы с температурой нагрева до 100°С. Трещины на поверхности сопряжения с блоком цилиндров устраняют электросваркой. Перед сваркой концы трещин накернивают и сверлят отверстия ∅ 0,4 мм и глубиной 4 мм. Затем трещину разделывают по всей длине на глубину 3 мм. После этого головку цилиндров греют в электропечи до 180 – 200°С, поверхность, подлежащую сварке, зачищают металлической щеткой и заваривают ровным швом постоянным током обратной полярности, используя электроды 03А – 2, 04А – 5 мм. После этого шов зачищают заподлицо с основным металлом наждачным кругом. Если трещины выходят на отверстия под направляющие втулки, то перед сваркой необходимо отверстия рассверлить и запрессовать в них втулки, после чего варить, как указано. ГОСНИТИ проводит работы по ремонту головок блока цилиндров двигателей любой отечественной и зарубежной техники на высокоточном оборудовании SERDI (Франция). Применяемые технологические процессы позволяют обеспечить высокое качество ремонта и минимальные сроки выполнения заказов при сохранении низких цен на услуги (рис. 4.2.9). При ремонте головки блока проводятся: обработка (или замена) седел клапанов с обеспечением соосности седла клапана и втулки с точностью 0,01 мм; восстановление рабочих фасок клапанов любых размеров и материала с максимальной соосностью относительно стержня; 225 225 4. ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТИПОВЫХ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ перепрессовка направляющих втулок с нагревом головки и охлаждением втулки в жидком азоте; операционный контроль герметичности сопряжения «клапанседло» вакуум-тестером. 226 Рис. 4.2.9. Ремонт головок блока цилиндров двигателей отечественной и зарубежной техники на высокоточном оборудовании SERDI (Франция) 4. ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТИПОВЫХ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ Применяемые технологии и оборудование для ремонта клапанных седел определяют качество ремонта всей головки блока цилиндров. Шлифование применяется при обработке седел из материалов высокой твердости и позволяет получить для таких седел более высокое качество поверхности по сравнению с обработкой резанием. Фирма «ROSSI & KRAMER» (Италия) выпускает ряд шлифовальных машин PEG для обработки седел и коромысел клапанов (рис. 4.2.10). Специальная (эксцентриковая) конструкция машин, применение шлифовальных кругов высокого качества, пилотов, самоцентрирующихся во втулке клапана, позволяет с высоким качеством восстанавливать седла клапанов ∅16-180 мм бен- Рис. 4.2.10. Шлифовальная машина PEG для зиновых и дизельных двигателей. Время обработки седел восстановления даже самого твердого седла 3-5 мин. Ресурс одного шлифовального круга 550-600 седел. Модельный ряд шлифовальных машин PEG: PEG8 – для мотоциклов и легковых автомобилей; PEG10 – для легковых и грузовых автомобилей; PEG90 – для тракторов и грузовых автомобилей; PEG125; PEG175 – для локомотивов и судов; AVIO – для самолетов и танков. Применяемое высокоточное станочное оборудование (рис. 4.2.11) позволяет значительно повысить производительность ремонта головок блока цилиндров при одновременном улучшении качества обработки седел. Универсальные высокоточные станки для комплексной обработки головок блока цилиндров AZ VV 80 и Serdi S2.0 являются представителями гаммы специализированного станочного оборудования, производимого за рубежом. Основные операции: обработка и замена седел, обработка направляющих втулок, 227 227 4. ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТИПОВЫХ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ контроль герметичности клапанных сопряжений. На станках применены пневматические системы центрирования шпинделя с использованием воздушных подушек при базировании режущего инструмента с высокой точностью. Все машины имеют встроенный вакуум-тестер, что повышает качество и обеспечивает удобство работы. Обработка седел производится фасонными резцами, формирующими за один проход нужное количество фасок. 228 Рис. 4.2.11. Станки для обработки седел Технология проверки герметичности головок блока цилиндров и блоков цилиндров способом опрессовки в ванне с горячей водой отличается высокой точностью выявления дефектов, большой производительностью и удобством. Стенд PMD PTR (Италия) для опрессовки рубашек охлаждения головок и блоков цилиндров, теплообменников отличает от подобных машин других производителей: повышенная грузоподъемность рампы, на которую устанавливается испытываемая деталь; расширенный (до 90оС) диапазон моделирования температурного нагружения деталей; возможность испытания деталей длиной до 1300 мм. Порядок работы. На головку (блок цилиндров) устанавливаются боковые заглушки, на одной из которых размещен штуцер для подвода сжатого воздуха. ГБЦ (БЦ) устанавливается на поворотный 4. ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТИПОВЫХ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ стол (рампу). Отверстия рубашки охлаждения закрываются резиновыми прокладками и накрываются толстым листом оргстекла. После зажима детали на столе машины подается сжатый воздух. Деталь опускается в ванну и выдерживается в течение 15-20 мин до достижения деталью заданной температуры. Зона повреждения определяется по местам выхода воздуха визуально. Для удобства тестирования деталь может вращаться внутри ванны на 360о. Рис. 4.2.12. Стенд для проверки герметичности головок блоков 4.3. ВОССТАНОВЛЕНИЕ КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ Принятые на восстановление валы перед очисткой поступают на участок разборки и осмотра, оснащенный столами с приспособлениями и инструментом, где удаляют шпонки из шпоночных пазов, извлекают заглушки и пробки из масляных каналов, выпрес- 4. ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТИПОВЫХ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ 230 совывают подшипники из отверстия во фланце и снимают противовесы. Для контроля и сортировки наружных диаметров цилиндрических поверхностей применяют калибры-скобы, внутренних – калибры-пробки. Для каждого типа вала используют комплект скоб по количеству ремонтных размеров, предусмотренных для данного вала. Износ шпоночных канавок контролируют с помощью шаблонов, резьбы – резьбовыми калибрами. Торцовое биение фланца проверяют индикатором, поворачивая вал в призмах. Рекомендуется сортировать валы по ремонтным размерам, что уменьшает количество переналадок оборудования. Номер ремонтной группы коренных шеек проставляется клеймом на щеке первой коренной шейки. Для обнаружения трещин на шейках и галтелях применяют метод магнитной дефектоскопии с использованием магнитного порошка (суспензии). Дефектоскопию проводят с помощью универсальных дефектоскопов МД-50П, ПМД70. Магнитная суспензия состоит из трансформаторного масла (40%), керосина (60%) и магнитного порошка (50 г на 1 л смеси). При дефектоскопии вал посыпают сухим ферромагнитным порошком или поливают суспензией. Порошок или суспензию чаще всего наносят после прекращения действия магнитного поля, что определяется контролем остаточной намагниченности. Металлические частицы, скапливающиеся на дефектном участке, образуют осадок порошка в виде «жилки», которая указывает на наличие микротрещин. Трещины на шейках и щеках коленчатых валов являются одной из основных причин их выбраковки. Проведенные исследования показывают, что ежегодно из-за трещин на шейках выбраковывается 9-16% валов, поступивших в капитальный ремонт. Изношенные валы в большинстве случаев имеют прогиб, значение которого контролируют с помощью установки. Коленчатый вал укладывают крайними коренными шейками на призмы, смонтированные на той же плите, на которой устанавливают штатив с индикатором. Вал поворачивают в призмах вручную, наблюдая при этом за показанием индикатора. Разность между крайними показаниями 4. ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТИПОВЫХ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ индикатора за один полный оборот коленчатого вала представляет собой значение прогиба. Прогиб, превышающий 0,2 мм (для тракторных валов), устраняют правкой. При меньшем прогибе валы не правят, а шлифуют на ремонтные размеры. Наибольшее распространение получила правка методом статического изгиба на гидравлических прессах путем нагружения и разгружения вала. Число нагружений, их величина и направление зависят от значения прогиба и опыта правильщика. Процесс нагружения повторяют до тех пор, пока прогиб оси вала не станет меньше допустимого. Правку осуществляют на прессах различных модификаций при скорости рабочего хода штока, превышающей 1 мм/с в специальном приспособлении. Коленчатые валы шлифуют под ремонтный или номинальный размер. Шлифование под ремонтный размер чаще всего выполняют в одну операцию. Ремонтные размеры определяются значением износа шеек. Выбор ремонтного размера шеек проводится в соответствии с техническими условиями на коленчатые валы. Приступать к шлифованию необходимо только после устранения всех дефектов коленчатого вала. Наиболее часто в ремонтной практике для шлифования шеек применяют универсальные шлифовальные станки ЗА423, ЗВ423, пригодные для шлифования коренных и шатунных шеек коленчатых валов тракторных двигателей. Сначала шлифуют коренные шейки и другие поверхности, находящиеся на одной с ними оси, а затем шатунные шейки. При шлифовании коренных шеек базовыми являются поверхности центровых отверстий. Шлифование шатунных шеек выполняют, закрепляя крайние коренные шейки коленчатого вала в патронах центросместителей шлифовального станка, предварительно устанавливаемых на требуемый радиус кривошипа, что обеспечивает погрешность базирования не более 0,03 мм. Впоследствии при шлифовании шатунные шейки выставляются только в горизонтальной плоскости, для чего предусматривается специальное приспособление. Предварительно шлифуемую шейку выставляют призмой, окончательно – индикаторным устройством. Показания индикатора должны равняться половине припуска на 231 231 4. ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТИПОВЫХ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ 232 шлифование. При окончательно отшлифованной шейке индикатор устанавливается на «ноль». Перед шлифованием шлифовальный круг правят алмазным карандашом, закрепленным в оправке, при обильном охлаждении эмульсией. Цилиндрическую часть круга правят, перемещая алмазный карандаш в горизонтальной плоскости, а галтели – качанием оправки с карандашом в этой же плоскости. Боковые плоскости круга обрабатывают до требуемой ширины при поперечной подаче шлифовального круга. Последовательность шлифования коренных шеек может быть различна. Шлифование шатунных шеек обычно проводят на другом станке, оборудованном центросместителями, обеспечивающими совпадение осей шатунных шеек с осью вращения станка. Шатунные шейки также, как и коренные, шлифуют попарно с помощью продольной или поперечной подачи. Способ поперечной подачи более производителен, однако он требует, чтобы ширина круга точно соответствовала длине шлифуемой шейки. При этом способе погрешности формы имеют большие числовые значения, что требует более частой правки круга. Кроме того, применение поперечной подачи ограничивается недостаточной жесткостью шлифуемого вала. Шейки вала шлифуют электрокорундовыми на керамической связке шлифовальными кругами зернистостью 16-60 мкм, твердостью СМ2, С1, С2,СТ1, СТ2. Более 85% объема восстановления шеек коленчатого вала выполняют сварочно-наплавочными методами. Наиболее эффективные технологии, которые широко апробированы в условиях ремонтного производства, приведены далее. Наиболее распространенной на протяжении ряда лет была технология наплавки. Наплавка осуществлялась пружинной проволокой второго класса под слоем легированного флюса, представляющего собой механическую смесь, состоящую из стандартного плавленого флюса АН-348А (93,2%), феррохрома № 5 или № 6 (2,2%), графита (2,3%) и жидкого стекла (2,5%). Этот метод несложен для внедрения. Однако он резко снижает усталостную прочность наплавленных коленчатых валов из-за наличия огромного количества трещин. 4. ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТИПОВЫХ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ Наиболее прогрессивной технологией наплавки изношенных коленчатых валов следует считать технологию, которая предусматривает наплавку шеек валов проволокой НПЗ0хГСА под флюсом АН-348А с последующей механической обработкой и полным повторным циклом термической обработки (нормализация и закалка ТВЧ). Эта технология использовалась при восстановлении коленчатых валов двигателя ЯМЗ-238 с применением нейтрального флюса АН-15М и проволоки Нп-40х2Г2М. На Ярославском моторном заводе разработана и внедрена технология восстановления изношенных коленчатых валов двигателей ЯМЗ-240, применяемых на тракторах К-701. Конструктивной особенностью этих валов является то, что их коренные опоры работают в паре с подшипниками качения и выполнены в виде беговых дорожек. Это и определило необходимость применения легированной высокоуглеродистой стали 60ХФА для обеспечения высокой твердости (не менее HRCэ 62), а также усталостной и контактной прочности. Сталь 60ХФА относится к труднонаплавляемым сталям по причине плохой защиты наплавляемых шеек от образования горячих (кристаллизационных) и холодных (хрупких) трещин. Кроме того, вал проходит термоулучшение, т.е. упрочнение в поковке. Указанные особенности коленчатых валов двигателей ЯМЗ-240 определили и особенности технологии наплавки шатунных шеек, заключающиеся в принятии мер для защиты наплавляемых шеек и вала в целом от разупрочнения в процессе наплавки. К числу таких мер относятся: комбинированный подогрев вала перед наплавкой в электропечи до температуры на 10-20°С ниже температуры отпуска беговых дорожек (150°С) и местный подогрев наплавляемых шеек газовой горелкой до 350-450°С с одновременной защитой водяным душем рядом расположенных беговых дорожек; защита кромок маслоканалов от возможности образования трещин при наплавке путем установки защитных пробок из малоуглеродистой стали; снятие наплавочных внутренних напряжений путем высокого отпуска с поверхностным нагревом наплавленных шеек токами высокой частоты до 750-800°С; 233 233 4. ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТИПОВЫХ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ 234 правка валов перед наплавкой, после наплавки и перед окончательной шлифовкой методом чеканки по галтелям; поверхностная закалка ТВЧ или высокотемпературная термомеханическая поверхностная обработка на глубину, не превышающую глубину наплавленного слоя. Разработанная технология предусматривает возможность не только наплавки шеек коленчатых валов с предельным износом, но и шеек с трещинами, образующимися при задирах и поворотах вкладышей. В этом случае трещины разделываРис.4.3.1. ются на глубину залегания и завариваются Восстановление электродами, равнопрочными с металлом коленчатых валов вала Для восстановления коленчатых валов в НПФ «Плазмацентр» применяют и другие способы, например, плазменную наплавку и напыление (рис. 4.3.1). Восстановление шеек коленчатых валов методом пластинирования. Суть метода заключается в установке с последующим механическим креплением на шейках валов стальной холоднокатанной термообработанной полированной ленты, изготовленной из пружинистой стали типа 65Г (рис. 4.3.2). Рис. 4.3.2. Шатунная шейка коленчатого вала двигателя, восстановленная приваркой стальных закаленных полуколец после конструктивнотехнологической подготовки поверхности 4. ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТИПОВЫХ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ Шейки, подлежащие восстановлению, предварительно шлифуют до требуемого размера. После этого на них фрезеруют два зеркально расположенных сегментных паза, оставляя перемычки между ними. Накладная лента толщиной 0,4 мм изготовляется штамповкой, при этом предусмотрены вырубка ее требуемой длины, выполнение отверстий для масляных каналов и высечка двух противоположно направленных, частично ото- Схема закрепления ленты на шейке вала гнутых внутрь выступов, которые препятствуют провороту ленты относительно шеек коленчатого вала (рис. 4.3.3). 235 235 а б Рис. 4.3.3. Ленты для восстановления шеек коленчатого вала двигателя : а – для шатунной; б – для коренной С использованием специальной оснастки лента сворачивается в кольцо диаметром, меньшим диаметра перешлифованной шейки вала, после чего свернутая накладная лента надевается на подготовленную поверхность шейки вала и фиксируется торцами выступов относительно боковых поверхностей перемычки на валу. 4. ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТИПОВЫХ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ 236 При очередном ремонте вала накладная лента подлежит замене, при этом шейки вала не перешлифовываются. Лента изготовляется на специализированных заводах, что гарантирует высокое качество восстановленной поверхности. Кроме того, при использовании данного метода на изношенную поверхность шейки наносится (механически закрепляется) минимальное количество материала, необходимое для восстановления изношенной поверхности шейки, в то время как во всех остальных способах на изношенную поверхность шейки наносится (закрепляется) в 2-5 раз больше металла, чем необходимо для восстановления. Остальной металл при этом «переводится» в стружку. Использование данного метода позволяет существенно упростить технологический процесс и оснастку для восстановления валов, полностью исключить сварочно-термические воздействия на вал, отказаться от шлифовки и полировки восстановленных валов. Метод успешно апробирован при восстановлении чугунных валов двигателей ЗМЗ-53 и ЗМЗ-24. Средний ресурс двигателей ЗМЗ-53 с валами, восстановленными свертной лентой, составляет 60-70 тыс. км, что в 3 раза выше, чем у наплавленных. Кроме технико-экономических преимуществ, метод обладает экологической чистотой, малой энерго- и металлоемкостью, не требует больших затрат при восстановлении, позволяет проводить раздельную подготовку вала и изготовление свертных колец. Это позволяет вести процессы как на одном предприятии, так и на разных, прост в освоении, не требует высокой квалификации персонала, может использоваться на крупных авторемонтных предприятиях и в сервисных центрах. Для балансировки коленчатых валов и маховиков в сборе с коленчатыми валами других вращающихся элементов конструкции ГОСНИТИ предлагает специальный балансировочный станок КИ-4274-ГОСНИТИ (рис. 4.3.4). 4. ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТИПОВЫХ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ Рис. 4.3.4. Станок для балансировки коленчатых валов КИ-4274-ГОСНИТИ 4.4. ВОССТАНОВЛЕНИЕ ШАТУНОВ Одним из наиболее нагруженных и изнашиваемых соединений в двигателе является «нижняя головка шатуна – вкладыш коленчатого вала». В отношении этого соединения необходимо отметить два фактора, влияющих на износ образующих его поверхностей: высокие динамические нагрузки при повышенной температуре; изгиб и скручивание тела шатуна, вызывающие изменение его длины, что приводит к изменению межцентрового расстояния отверстий в головках шатуна, недопустимым перекосу и непараллельности осей отверстий, а изменение этих параметров ведет к увеличению нагрузок в соединениях деталей как кривошипношатунного механизма, так и цилиндропоршневой группы и, как следствие, к повышенному их износу. 4. ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТИПОВЫХ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ 238 Восстановление нижней головки шатуна. Ранее в ремонтной практике для ее восстановления наибольшее распространение получило железнение, которое осуществлялось в следующей последовательности: предварительные механическая и электрохимическая обработки, нанесение покрытия необходимой толщины, механическая обработка после железнения до номинального размера. В настоящее время железнение применяется редко. Известна технология восстановления отверстий нижних головок шатунов контактной приваркой или пайкой стальной ленты, но она не получила широкого распространения из-за отсутствия серийно выпускаемого оборудования и ожидаемой высокой стоимости. Кроме того, вышеперечисленные способы восстановления не устраняют фреттинг-изнашивания соединения «шатун – вкладыш». Эта проблема эффективно решается при использовании для восстановления отверстий деталей полимерных композиций. Однако полимерные материалы (композиции) для восстановления отверстий нижних головок шатунов до последнего времени не применялись, что связано, по-видимому, с определенной сложностью нанесения и формирования композиции в этих отверстиях, а также с низкой прочностью и сцепляемостью существовавших ранее композиций. Достоинства этих методов: отсутствие тепловых вложений и незначительная склонность к фреттинг-коррозии нанесенного покрытия, вследствие этого – малый износ соединения «шатун – вкладыш», низкие трудоемкость и себестоимость. Недостатки: непродолжительность нахождения в жидкотекущем состоянии применяемых полимерных композиций, повышенная токсичность ряда компонентов, используемых в композициях. Известны технологии с применением полимерных композиций на основе эпоксидных смол, эластомера ГЭН-150, герметика 6Ф. По этим технологиям устраняются износы до 0,2 мм, для чего требуется нанесение нескольких слоев композиций с интервалом 10-15 мин с последующей термообработкой для отверждения нанесенного покрытия. Для восстановления отверстий нижних головок шатунов предложена полимерная композиция на основе анаэробного герметика 4. ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТИПОВЫХ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ «Анатерм-6В», состоящая из 0,01-0,015 весовых частей бронзовой пудры, 0,15-0,2 весовых частей талька и одной весовой части герметика «Анатерм-6В». Основные характеристики композиции: время отверждения 1,52 ч при 15-20°С и 0,5 ч при 60-80°С; предел прочности на сдвиг при трении 11 МПа; коэффициент трения после приработки 0,14; твердость после полимеризации 140-160 НВ. Суть технологического процесса состоит в формировании слоя композиции в отверстиях нижних головок шатунов с помощью специальной формующей оправки с одновременным обеспечением требуемого расстояния между осями отверстий верхней и нижней головок и других параметров при базировании оправки по отверстию в верхней головке и в специальном приспособлении без механической обработки сформированного слоя композиции. Технологический процесс включает в себя следующие основные операции по восстановлению отверстий в нижних головках шатунов: отворачивание гаек крепления крышек шатунов и снятие крышек; обезжиривание поверхностей под вкладыши в шатуне и крышке шатуна; нанизывание шатунов отверстиями верхних головок на формующую оправку и установка оправки в опоры специального приспособления; нанесение композиции на поверхности под вкладыши в нижних головках и в крышках шатунов; надевание крышек на соответствующие шатуны и заворачивание гаек крепления крышек; выдерживание шатунов (в сборе) в приспособлении в течение 3 ч до полной полимеризации композиции в отверстиях нижних головок; отворачивание гаек крепления крышек шатунов, снятие крышек с шатунов и выемка шатунов из приспособления; снятие наплывов композиции с фасок отверстий и торцов нижних головок и крышек шатунов. В технологических процессах восстановления шатунов предусмотрено использование специальных приспособлений, с помощью 239 239 4. ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТИПОВЫХ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ 240 которых обеспечивается формирование слоя композиции в отверстии нижней головки шатуна. При установке шатунов в приспособление их базирование выполняется по отверстию верхней и торцам нижней головок. Восстановление верхней головки шатуна. Верхнюю головку шатуна рекомендуется растачивать до ремонтного размера с последующей запрессовкой втулки, увеличенной по наружному диаметру. Растачивание проводят на токарно-винторезном станке ТВ-320П в приспособлении специальной оправкой с двумя резцами из твердого сплава ВКЗМ для предварительной и окончательной обработок. Настраивают резец индикаторным приспособлением. При этом припуск на чистовой резец в оправке должен составлять 0,07-0,1 мм. Режим резания: частота вращения шпинделя станка 600 мин-1, подача 0,1 мм/об, глубина резания 0,25 мм, число проходов 1. Верхнюю головку шатуна растачивают до диаметров, указанных далее. Овальность и конусность отверстия верхней головки шатуна для двигателей Д-50, Д-240, СМД-14, СМД-60, Д-37М, Д-65 после растачивания должны достигать не более 0,015 мм, для двигателя А-41 – 0,02 мм, овальность отверстия верхней головки шатуна двигателей ЯМЗ-238НБ и ЯМЗ-240Б – не более 0,015 мм, конусность – не более 0,01 мм на всей длине, шероховатость поверхности отверстия верхней головки шатуна Rа 1,25-0,63 мкм. На гидравлическом прессе П-6326 с помощью приспособления в расточенное отверстие верхней головки (предварительно ее подогревают до 200°С) запрессовывают втулку. После запрессовки втулку растачивают, используя оборудование и оснастку, применяемые при растачивании верхней головки шатуна, растачивание проводится с припуском под раскатывание при следующем режиме: частота вращения шпинделя станка 1000 мин-1, подача 0,07 мм/об, глубина резания 0,35 мм, число проходов 1. При настройке резцов в оправке припуск на чистовой резец должен составлять 0,05-0,07 мм, шероховатость поверхности втулки после расточки не более Rа = 1,25-0,63 мкм. Допускается одна спиральная или продольная риска при условии, что ее глубина не превышает 0,1 мм. Продольная риска в нижней трети поверхности втулки не допускается. 4. ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТИПОВЫХ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ После растачивания во втулке зенкуют фаски 0,5х45° на вертикально-сверлильном станке 2А135 зенковкой в приспособлении. Затем проводят раскатывание втулки на вертикальносверлильном станке 2А135 раскаткой в приспособлении при следующем режиме: частота вращения шпинделя станка 1000 мин-1, подача – ручная, число проходов 1, деформация 0,01 мм. Контроль восстановленных шатунов. Контролируют диаметры отверстий, овальность и конусность нижней и верхней головок шатуна нутромером. Непараллельность и неплоскостность осей отверстий нижней и верхней головок шатуна, а также межосевое расстояние контролируют на специальном приспособлении. После контроля шатуны разбирают, зачищают пазы под усики вкладыша в крышке и шатуне на заточном универсальном станке ЗБ642 в Рис.4.4.1. Приборы для проверки приспособлении. При разборэллипсности, конусности ке разукомплектовка шатуна с и бочкообразности отверстий крышкой не допускается. Затем в нижней головке шатуна, измерения шатуны собирают и комплекмежцентрового расстояния двигателей туют по размерным группам. Разница в массе шатунов в комплекте на один двигатель для двигателей СМД-14 допускается не более 12, Д-65 – 15, Д-240 – 20, А-41 – 17 г. 241 241 4. ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТИПОВЫХ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ Для проверки эллипсности, конусности и бочкообразности отверстий в нижней головке шатуна, измерения межцентрового расстояния двигателей Д-240, Д-245, ЯМЗ-236, -238, 240, КамАЗ-740, СМД-60, -62, -14, А-0.1, -41, Д-50,-60,-37, ЗИЛ-133 ГОСНИТИ разработаны специальные приборы (рис.4.4.1). Достоинства конструкции: точность измерения до 0,01 мм; большой диапазон измерения – от 210 до 280 мм; контроль производится бесступенчато во всем диапазоне измерений; простота изготовления и обслуживания прибора. 4.5. ВОССТАНОВЛЕНИЕ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ВАЛОВ 242 Поверхности опорных шеек следует восстанавливать при износе более 0,1-0,4 мм (после последнего ремонтного размера – при их наличии). Износ кулачков сосредотачивается в области, примы- 4. ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТИПОВЫХ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ кающей к вершине кулачка, и не превышает 0,05 мм за пределами 20-25° относительно вершины кулачка. Допустимый износ зависит от типа двигателя и составляет 0,2-1,4 мм. Резьбовую поверхность восстанавливают при износе, выкрашивании, срыве более двух ниток резьбы. Правку валов проводят при изгибах, превышающих 0,10,15 мм. Шпоночные пазы восстанавливают при износах по ширине более 0,07-0,09 мм. Для восстановления опорных шеек рекомендуется электроконтактная наварка ленты. По сравнению с традиционными способами восстановления шеек (вибродуговая наплавка, наплавка в среде углекислого газа) этот способ позволяет повысить производительность труда в 2-3 раза, уменьшить расход наращиваемого металла в 3-4 раза, устранить выгорание легирующих примесей и улучшить условия труда. Кроме того, контактная наварка ленты дает возможность (путем подбора соответствующих металлических лент) получить требуемую твердость без последующей термической обработки; свести до минимума деформацию вала, регулировать толщину слоя в пределах 0,2-1,5 мм, что позволяет сократить припуски и трудоемкость последующей механической обработки. Контактной наваркой металлической ленты устраняют износы опорных шеек, шейки под распределительную шестерню, эксцентрика (для двигателя ЗИЛ-130). Технология восстановления деталей этим способом включает в себя правку центровых отверстий; шлифование шеек (для выведения следов износа и придания правильной геометрической формы) до диаметра, меньше номинального на 0,3-0,5 мм, с шероховатостью поверхности не ниже седьмого класса; наварку ленты; шлифование поверхности под номинальный размер. Заготовки для восстановления вырезают из стальной ленты толщиной 0,3-0,4 мм. Материал ленты должен соответствовать твердости восстанавливаемых поверхностей: Ст. 65Г – для опорных шеек и эксцентрика, Ст. 45 – для шейки под распределительную шестерню. Ширина заготовки должна быть равна ширине шейки и эксцентрика, длина – периметру. Не допускаются зазор в месте стыка концов ленты более 0,5 мм и нахлест концов. Ленту приваривают за два приема: сначала ее прихватывают сва- 243 243 4. ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТИПОВЫХ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ 244 рочными точками, затем приваривают. Вал закрепляют в патроне установки, устанавливают режимы, подводят электроды к средней части восстанавливаемой поверхности. Включив вращение детали, подают ленту из механизма подачи под нижний электрод. В момент касания электрода и ленты включают кнопку «Сварка» и прихватывают ленту коротким швом к поверхности детали без подачи сварочных клещей. На 10 мм сварного шва должно быть шестьсемь сварочных точек. Окончательную приварку ленты проводят с включенной подачей сварочных клещей. Усилие сжатия электродов 1,5 кН, расход охлаждающей жидкости 1,6 л/мин. Правка распределительных валов. Изгиб распределительных валов связан с действием эксплуатационных нагрузок и тепловых напряжений, возникающих при газопорошковой наплавке кулачков. Устранение деформации валов возможно двумя способами и сопряжено с определенными трудностями. Горячий способ правки валов, заключающийся в предварительном нагреве вала с последующей правкой и жесткой фиксацией до полного его охлаждения, трудоемок и длителен. Холодный способ значительно сокращает трудозатраты и цикл правки вала. Однако холодная правка не исключает релаксации напряжений в отрихтованном вале. Опыт зарубежных фирм показывает, что возможности холодного способа правки далеко не исчерпаны. Так, фирма «Галдони» (Италия) разработала полуавтоматическую установку для правки валов в холодном состоянии, которая позволяет выправить распределительный вал без возможной релаксации. Суть метода заключается в дифференцированном приложении усилия правки с постепенным его увеличением. Установка имеет сложное устройство, требует высококвалифицированного обслуживания, дорогостоящая, занимает большую площадь. Сохраняя принцип дифференцированной правки, ГОСНИТИ разработана полуавтоматическая установка для правки распределительных валов упрощенной конструкции и меньших размеров. Основные узлы установки: сварная станина, привод вращения распределительного вала, опорные раздвигающиеся призмы, датчик измерения прогиба, пневматический механизм дифференциальной 4. ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТИПОВЫХ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ правки. Благодаря раздвижным опорным призмам полуавтомат позволяет править распределительные валы автотракторных двигателей всех типоразмеров по всем шейкам. Работа полуавтомата заключается в следующем. Оператор устанавливает на опорные призмы вал, соединяет его конец с приводом вращения и нажимает кнопку пуска. По завершении цикла правки оператор выгружает вал. Все остальные операции полуавтомат выполняет в заранее заданном автоматическом режиме. При вращении распределительного вала на опорных призмах датчик измерения прогиба, установленный под центральной шейкой, определяет максимальный прогиб и системой команд на привод вращения и тормоз фиксирует вал таким образом, чтобы вершина максимального прогиба находилась в противоположном положении относительно щупа датчика. Над центральной шейкой распределительного вала находится механизм дифференцированной правки, который состоит из силового пневмоцилиндра и штока, последний передает дифференцированное усилие от пневмоцилиндра на центральную шейку распределительного вала. Дифференциация и частота приложения усилия осуществляются по заранее заданной программе. Правку вала проводят до тех пор, пока не поступит команда с датчика измерения прогиба, величина которого также задается заранее. По окончании первого цикла правки поступает команда на расфиксацию и вращение вала, при этом датчик измерения прогиба снова отслеживает максимальный прогиб. Если вал отрихтован за один цикл, то автомат отключается. Если правка вала за один цикл не достигла допустимого значения прогиба, то цикл автоматически повторяется до тех пор, пока вал не будет отрихтован. Максимально допустимая стрела прогиба для правки на полуавтомате – 1,5 мм, после рихтовки вал имеет биение по центральной шейке 0,01-0,03 мм. Разработан ряд способов восстановления кулачков распределительных валов: перешлифовка до выведения следов износа (в эквидистантный профиль); электродуговое напыление; газовая наплавка сормайтом; дуговая, вибродуговая, плазменная и лазерная наплавки; индукционная наварка; газопламенное напыление; хромирование; электроконтактное напекание порошков. Сравнительный ана- 245 245 4. ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТИПОВЫХ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ 246 лиз результатов исследования этих способов с учетом требований обеспечения высокой износостойкости и долговечности восстановленных поверхностей при незначительных производственных затратах на организацию технологического процесса и использовании малодефицитных материалов показал, что наиболее рациональным способом восстановления стальных кулачков является газопорошковая наплавка. В условиях специализированного производства при больших программах восстановления может быть рекомендована плазменная наплавка, а для восстановления кулачков чугунных распределительных валов, особенно чувствительных к операции последующей правки, предпочтительной является лазерная наплавка. Восстановление кулачков газопорошковой наплавкой. Суть процесса газопорошковой наплавки заключается в нанесении на разогретую газокислородным пламенем восстанавливаемую поверхность порошкового материала, нагретого этим же пламенем до квазижидкого (жидкотекучего) состояния. В результате оплавления прочность сцепления покрытия с основным металлом достигает 400-600 МПа. При газопорошковой наплавке отсутствует перемешивание основного металла с присадочным, зона нанесения покрытий защищена восстановительным факелом пламени от окисляющей атмосферы. В качестве горючего газа наиболее широкое применение до настоящего времени имел ацетилен, обеспечивающий самую высокую температуру пламени. Недостатком его применения является дефицитность, а при работе на генераторном ацетилене – непостоянство давления, приводящее к нестабильности температурного режима наплавки и образованию дефектов наплавленного слоя (поры, отслоения, несплошности). Для перехода на более дешевый и менее дефицитный заменитель ацетилена – пропан – необходима модернизация горелок. Для работы горелки ГН-2 на пропане комплектуются сменными мундштуками и переходниками под резиновые рукава. Процесс газопорошковой наплавки включает в себя следующие операции: подготовка порошка и поверхности, подготовка наплавочной горелки и настройка режима наплавки, наплавка порошка. 4. ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТИПОВЫХ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ Для наплавки применяют самофлюсующиеся порошковые твердые сплавы на никелевой основе. Порошковые материалы гидроскопичны, хранить их следует в герметичной таре, а перед наплавкой просушить при 150-200°С в течение 30 мин в противнях из нержавеющей стали. При сушке необходимо периодически помешивать их, толщина слоя должна быть не более 50 мм. При наплавке большое значение имеет гранулометрический состав порошков, от которого зависят, в частности, производительность и коэффициент использования. Поэтому в случае необходимости порошок для получения фракции 40-100 мкм следует просеять на механическом вибросите с набором сеток 0,04, 0,10, 0,125 мм или на установке для просеивания порошков. Восстанавливаемые поверхности кулачков следует очистить от оксидных пленок, нагара, следов коррозии. Для этого используются металлические щетки, обдирочные круги, струйная обработка корундом. Для всех вариантов очистки непременным условием является получение чистой, доведенной до металлического блеска, поверхности. Участки, прилегающие к наплавляемым кулачкам, предохраняют от воздействия наплавляемых частиц защитными экранами, кожухами из жести или нанесением специальных паст. Рекомендуемый состав пасты (массовый состав): графит – 10%, мел – 20, мыло – 70%. По окончании наплавки паста легко удаляется металлической щеткой. Во избежание попадания порошка в отверстия масляных каналов их закрывают асбоцементными или графитовыми пробками. Наплавка порошка. Поверхность кулачка предварительно следует подогреть «нормальным» пламенем до 300-400°С с целью уменьшения деформации и возможности появления трещин от локального нагрева. Затем мощность пламени необходимо снизить путем уменьшения подачи кислорода (ядро пламени вытягивается и приобретает желтоватую окраску). Нажатием на рычаг надо открыть клапан подачи порошка и с расстояния 20-40 мм небольшими дозами нанести тонкий (0,2-0,3 мм) слой порошка, защищающий поверхность от окисления. Разогреть слой нанесенного порошка до состояния «запотевания», без расплавления основного металла. 247 247 4. ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТИПОВЫХ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ 248 «Запотевание» определяет момент подачи очередной порции порошка, так как недостаточная температура подогрева может привести к образованию трещин, а чрезмерный перегрев напыленного слоя – к его отеканию, снижению твердости, появлению пор и усадочных раковин. Пламя газовой горелки при оплавлении располагают под углом 30-60°С к плоскости нагреваемой поверхности и направляют в сторону холодного участка, дистанция оплавления 10-15 мм. Состояние «запотевания» характеризуется образованием гладкой и блестящей поверхности. Последовательно чередуя процессы наполнения и оплавления, обеспечивается требуемая толщина слоя. Наплавку проводят «науглероживающим» пламенем для снижения возможного окисления и уменьшения глубины проплавления основного слоя. Ее необходимо вести таким образом, чтобы «тепловая ось» проходила через центр масс детали. У кулачков рекомендуется попеременно наплавлять диаметрально расположенные поверхности от вершины к затылочной части, начиная с крайних кулачков до середины. Число проходов определяется износом кулачка и припуском на механическую обработку. Расход кислорода в режиме газопорошковой наплавки 0,4-0,45, пропана 0,2-0,23 м3/ч, давление 0,5-0,65 и 0,02-0,04 МПа соответственно. Применяемые для наплавки самофлюсующиеся порошковые материалы имеют сравнительно низкую пластичность и отличный от Ст. 45 коэффициент температурного расширения. Поэтому после оплавления в процессе охлаждения на воздухе в наплавленных слоях могут появиться трещины. Для предупреждения этого охлаждение рекомендуется проводить в емкостях с теплоизоляционными материалами – сухим песком, измельченным асбестом и т.д. Контроль качества наплавленных покрытий на отсутствие вспучиваний, трещин, сколов и отслоений – визуальный. Для выборочной проверки применяют лупу 70-кратного увеличения ЛП-4 . |