Материал: Восстановление деталей машин композитным хромовым покрытием. Жачкин С.Ю

Однако данная установка имеет ряд недостатков, главным из которых является погрешность позиционирования плоской механической системы, проявляющаяся в отклонении движения инструмента вдоль обрабатываемой поверхности. Это обусловлено целым рядом причин: погрешность изготовления и сборки элементов системы, наличием ошибок управления и т.д. Анализ влияния на точность движения инструмента позиционирования зазоров в кинематических парах взаимодействия нескольких звеньев, сочлененных с зазором, чрезвычайно сложен. В общем случае он слагается из последовательности чередующихся интервалов движения, в течение которых звенья то находятся в контакте (интервал безотрывного движения), то свободно движутся одно относительно другого (интервал разрывного движения). В результате может оказаться, что звенья механизма совершают «в малом» уже не плоские, а пространственные движения. Кроме того, моменты входа звеньев в контакт могут сопровождаться их ударными взаимодействиями. Все это ведет к усложнению расчетов контактного взаимодействия инструмента и ухудшает физико-механические характеристики поверхностного слоя восстанавливаемой детали.

Для устранения негативных характеристик, присущих разработанной экспериментальной установке в ходе дальнейших исследований была спроектирована и изготовлена в металле опытная установка ГКО – 2 (рис. 4.5). Основным отличием этого оборудования является наличие стандартной кинематической базы, которая позволяет устранить все вышеперечисленные недостатки.

Рис. 4.5. Опытная установка ГКО - 2

Все детали установки, соприкасающиеся с электролитом хромирования, изготовлены из титановых сплавов и фторопласта.

Технические характеристики установки:

Максимальный диаметр деталей, мм Максимальная длина деталей, мм Частота вращения шпинделя, об/мин Число дв. ходов ин-та в мин Давление инструмента, МПа Максимальный ток, А

400 500 110 110 0,1-5,0 630

Представленное оборудование дает возможность плавной и более точной регулировки давления инструмента на обрабатываемую поверхность по сравнению с предшествующими установками. Следящая система, обеспечивающая контролирование толщины наносимого покрытия, одновременно располагает возможностью настройки для контроля восстановления пространственной погрешности формы.

5. Исследование физико-механических свойств получаемых покрытий

5.1. Исследование влияния режимов гко на наводороживание основного металла

Из литературных данных ясно, что снижение физико-механических свойств деталей из высокопрочных сталей, прошедших ремонтно-восстановительное хромирование, многими авторами объясняется склонностью этих сталей к наводораживанию в процессе электролиза. Там же указывается, что основным фактором, влияющим на наводораживание сталей при нанесении хромовых покрытий толщиной свыше 100 мкм, в частности, при ремонтном восстановлении хромированием, является температура электролита хромирования. В [85] отмечается, что толщина покрытия практически не влияет на наводороживание основы.

В ходе эксперимента исследования проводились на образцах с толщиной хромового покрытия 200 мкм.

Для изучения влияния электролиза на наводораживание основы из стали применялось математическое планирование эксперимента.[1] Был реализован полный факторный эксперимент 2³ . Характеристики плана эксперимента выбирались из условий получения беспористых хромовых покрытий со сжимающими остаточными напряжениями и минимальным наводораживанием стальной основы. В результате области варьирования независимых переменных были выбраны следующие:

Частота вращения образцов и скорость возвратно-поступательного движения инструмента поддерживались на постоянном уровне и составляли соответственно 70 об/мин и 120 дв.х./мин.

В качестве зависимой переменной было выбрано наводораживание основы из стали Н_Z , мл/100 г.

Матрица планирования, результаты экспериментов представлены в таблице 5.1, а результаты расчетов пошаговой множественной регрессии представлены в приложении 2. Значение параметра оптимизации для восьми экспериментальных точек плана находилось как среднее арифметическое из 3-х параллельных экспериментов. Реализация экспериментов осуществлялась по таблице случайных чисел. Для оценки дисперсии воспроизводимости дополнительно в центре плана ставилось еще четыре параллельных эксперимента.

Таблица 5.1.

Результаты экспериментов

В результате расчета пошаговой множественной регрессии с применением пакета “Statistika” получено линейное уравнение, описывающее зависимость наводораживания от исследуемых факторов:

H_Z = 117,245 + 0,23i – 0,359T – 0,24Р

Корреляционный анализ позволил выявить, что зависимость наводораживания от исследуемых факторов линейная, а связь между ними довольно сильная - множественный коэффициент корреляции достигает значения 0,872.

Анализ влияния исследуемых факторов на наводораживание основы, показывает, что с увеличением температуры электролита наводораживание основы уменьшается, что согласуется с характером влияния температуры электролита на наводораживание как при обычном хромировании, так и при гальвано контактном хромировании и объясняется, видимо увеличением пластичности хрома с, повышением температуры электролита и, следовательно, более легким выходом водорода с поверхности.

Графическое представление влияния температуры электролита на наводороживание покрытия представлено на рис. 5.1.

Рис.5.1. Влияние температуры электролита

на наводороживание хромового покрытия при восстановлении хромированием стальных деталей:

1 – стандартное электролитическое восстановление

(i = 10кА/м²);

2 – восстановление методом ГКО

(i = 10 кА /м², Р = 0,5 МПа)

Увеличение плотности тока приводит к незначительному увеличению наводораживания основы и объясняется, видимо, экстремальным характером зависимости наводораживания от плотности тока, когда при увеличении плотности тока растет количество водорода, выделяющегося при электролизе.

Однако увеличение давления приводит к уменьшению наводораживания основы, что объясняется, видимо, удалением пузырьков водорода с хромируемой поверхности в результате воздействия инструмента.

Величина наводораживания основы в покрытиях, полученных методом ГКО, несколько ниже, чем в покрытиях, полученных традиционным методом, что позволяет надеяться на широкое применение метода ГКО для восстановления деталей хромированием.

5.2. Исследование влияния режимов гко на микротвердость покрытий

Как следует из состояния вопроса, для деталей, прошедших восстановление хромированием, одной из основных характеристик получаемых покрытий является их микротвердость. Её величина определяется в основном, условиями электролиза и зависит от плотности тока, температуры электролита и его состава [10; 36; 39; 45; 63 102; 110].

В нашем случае исследовались образцы, прошедшие восстановление хромированием методом ГКО с толщиной покрытия 200- 250 мкм.

Для изучения влияния электролиза на микротвердость получаемых покрытий применялось математическое планирование эксперимента.[1] Был реализован полный факторный эксперимент 2³. Характеристики плана эксперимента выбирались из условия получения беспористых хромовых покрытий со сжимающими остаточными напряжениями и минимальным наводораживанием стальной основы. В результате области варьирования независимых переменных были выбраны следующие:

Плотность тока i кА/м² 10-20

Температура электролита, Т К 324 – 333

Удельное давление, Р МПа 0,5- 1,5

Частота вращения образцов и скорость возвратно-поступательного движения инструмента поддерживались на постоянном уровне и составляли, соответственно, 70 об/мин и 120 дв.х./мин. В качестве зависимой переменной была взята микротвердость покрытий Н_V МПа.

Результаты экспериментов представлены в таблице 5.2, а результаты расчетов пошаговой множественной регрессии представлены в приложении 3. Значение параметра оптимизации для восьми экспериментальных точек плана находилось как среднее арифметическое из трех параллельных экспериментов.

Таблица 5.2

Результаты экспериментов

Реализация экспериментов осуществлялась по таблице случайных чисел. Для оценки дисперсии воспроизводимости дополнительно в центре плана ставилось еще четыре параллельных эксперимента.

В результате расчета пошаговой множественной регрессии с применением пакета “Statistika” получено линейное уравнение, описывающее зависимость микротвердости от исследуемых факторов:

H_V = 5143,625 + 24,025i – 13,36T – 5,75P

Корреляционный анализ позволил выявить, что зависимость микротвердости от исследуемых факторов линейная, а связь между ними довольно сильная – множественный коэффициент корреляции достигает значения 0,717.

Анализ влияния исследуемых факторов на микротвердость основы, показывает, что с увеличением температуры электролита микротвердость покрытий уменьшается, что хорошо согласуется с характером влияния температуры электролита на микротвердость как при обычном хромировании [9; 11; 47; 57], так и при гальваномеханическом хромировании [85] и объясняется, видимо, увеличением пластичности хрома с повышением температуры электролита.

Сравнительный характер влияния температуры электролита на микротвердость покрытий, показан на рис. 5.2.

Рис. 5.2. Влияние температуры электролита на микротвердость хромового покрытия при восстановлении хромированием стальных деталей:

1 – стандартное электролитическое восстановление

(i = 10кА/м²); 2 – восстановление методом ГКО

(i = 10 кА /м², Р = 0,5 МПа)

Как показывают теоретические выкладки и экспериментальные исследования, хромовое покрытие, полученное методом ГКО, имеет более высокую микротвердость по сравнению с хромовыми покрытиями, наносимыми по стандартному методу и методу ГМХ. Объясняется это видимо искажением кристаллической решетки как вследствие деформации растущих кристаллов покрытия в процессе его нанесения, так и внедрением в осадок чужеродных включений. Это полностью подтверждает гипотезу авторов [82; 85]. Однако, авторы [61; 62; 71; 76; 82; 86; 97 - 105 и др] указывают, что стабильная микротвердость покрытий при внедрении чужеродных материалов может быть получена только при условии стабильного равномерного распределения внедряемого вещества в покрытии, что на сегодняшний день обеспечивает только метод ГКО.

Увеличение плотности тока приводит к незначительному увеличению микротвердости получаемых покрытий и объясняется, видимо, экстремальным характером зависимости микротвердости от плотности тока, когда максимальная микротвердость наблюдается при определенной плотности тока.

Влияние плотности тока в исследуемом диапазоне режимных параметров на микротвердость получаемых покрытий показано на рис. 5.3.

Величина давления инструмента в исследуемом диапазоне также практически не влияет на величину микротвердости получаемых покрытий. Однако увеличение давления приводит к некоторому уменьшению микротвердости покрытий, что объясняется, видимо, деформацией растущих кристаллов в процессе их осаждения в результате воздействия инструмента, а также избыточным внедрением вещества инструмента в межкристаллическое пространство покрытия.

Величина микротвердости покрытий, полученных методом ГКО, соответствует значениям микротвердости покрытий, полученных традиционным хромированием, и даже несколько превосходит их, что позволяет надеяться на достаточно высокую их износостойкость.

Рис. 5.3. Влияние плотности тока на микротвердость

хромового покрытия при восстановлении хромированием стальных деталей:

1 – стандартное электролитическое восстановление

(Т = 333 К);

2 – восстановление методом ГКО

(Т = 333 К, Р = 0,5 МПа)