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

6. Влияние технологии восстановления на эксплуатационные характеристики деталей

6.1. Методика исследований

Акцент в работе сделан на восстановление деталей хромированием без предварительной и последующей механической обработки с получением герметичных и пористых покрытий.

Образцы для исследований изготавливались из стали 30 ХГСА ТУ 14-1-950-74. Наружный диаметр образцов составлял 45 мм, длина 60 – 80 мм. Образцы подвергались предварительной обработке, имитирующей износ деталей в процессе эксплуатации. Все образцы, подвергаемые восстановлению методом ГКО, имели разной величины пространственные отклонения формы поверхности, такие как конусность, эллипсность, овальность и т.д.

Восстановительные покрытия осаждались в стандартном электролите хромирования, содержащем 200 – 250 г/л CrO₃ и 2,0 – 2,5 г/л H₂SO₄, т.к. он наиболее широко применяется в ремонтном производстве.

Для проведения экспериментальных исследований электролит готовился на дистиллированной воде. Плотность электролита измерялась ареометром, кислотность метромиливольтметром модели рН – 121.

Температура электролита поддерживалась с точностью 1К при помощи термометра ТПП – 11 ГОСТ 13717 – 74 и контролировалась термометром ТН – 5 ГОСТ 400 – 80 с ценой деления шкалы 0,2 К.

6.2. Исследование коррозионной стойкости покрытия

Литературные данные свидетельствуют о том, что основной причиной коррозии металлов под гальваническими покрытиями является наличие глубоких пор в осадке, доходящим до основного металла. [73; 90] В связи с этим исследования проводились на образцах, восстановленных по разным технологиям. Серия1 – образцы, восстановленные по стандартной технологии. Серия2 – образцы, восстановленные по технологии ГМО на режимах, обеспечивающих получение беспористых хромовых покрытий [22; 24; 26; 85]. Серия3 – образцы, восстановленные по технологии ГКО на режимах, обеспечивающих получение беспористых хромовых покрытий. Толщина покрытий в обеих сериях составляла 250 мкм. Результаты экспериментов представлены в таблице 6.1.

Таблица 6.1

Сравнительные испытания коррозионной стойкости

Подводя итоги проведенных экспериментов, которые полностью подтверждают теорию о первостепенности влияния пористости покрытия на его коррозионную стойкость, описанную в работах [66; 68; 73; 85; 88; 104; 112], можно утверждать, что метод ГКО, рекомендованный для восстановления деталей гальваническими покрытиями не уступает новейшим достижениям технологии в этой области.

6.3. Исследование износостойкости покрытий

Износ — это нежелательное изменение поверхности предмета вследствие отрыва от нее мельчайших частиц. Отрыв частиц может произойти по причинам чисто механического порядка, но часто, в особенности на металлических парах, одновременно с механическими нагрузками наблюдаются также и химические реакции между трущимися парами или с окружающей средой.

Мерой износа обычно является убыль материала в результате испытания (истирание), определяемая взвешиванием. Такие испытания называют испытаниями на истирание. Иногда износ характеризуют изменением состояния поверхности, которое может быть определено с помощью специального прибора. В некоторых случаях пользуются другими измерителями (например, продолжительностью испытания или количеством шлифовального материала, необходимого для достижения определенного состояния поверхности). Эти измерители представляют собой, конечно, не абсолютную меру износа образца, а только сравнительные величины.

В большей степени, для испытания на истирание может быть рекомендован прибор, основным элементом которого является латунный барабан с натянутым на него наждачным полотном для испытания твердых покрытий. Вместо наждачного полотна иногда можно применять бумагу (чертежную), которая обладает высокими абразивными свойствами. Образец закрепляется в патроне рычага, который лежит на барабане под нагрузкой. Через каждые 50 или 100 оборотов образец приподнимают и охлаждают. Установка снабжена устройством, обеспечивающим возвратно-поступательное движение образца. Трущаяся пара представляет собой стальной или латунный диск диаметром около 40 мм с нанесенным на него покрытием, который перемещается по неподвижной плоскопараллельной пластине. Пластина в случае необходимости изготавливается из соответствующего материала. В наших исследованиях имитировалась износостойкость с бронзовой поверхностью. В качестве нагрузки на образец используется съемная гиря. Одновременно истирается несколько образцов. Мерой износоустойчивости покрытия является толщина удаленного покрытия в единицу времени, выражаемая обычно в мкм/мин.

Большинство трущихся деталей гидропневмоаппаратуры работает в условиях высоких удельных нагрузок, малых скоростей скольжения и низких температур поверхностей трения.

В этих случаях отсутствуют какие-либо структурные изменения, перенос материала с одной поверхности на другую. Износ обусловлен в основном, абразивным воздействием частиц в случае не хромированной стали. В случае применения одной из сопрягаемых деталей с хромовым покрытием износ наблюдается в основном на детали с меньшей твердостью. На детали с хромовым покрытием отсутствуют риски от абразивных частиц и следы от задиров, а износ деталей невелик.

Для испытаний на износоустойчивость были взяты образцы, восстановленные по стандартной технологии гальваническим хромированием (серия1), по технологии ГМО (серия2) и по технологии ГКО (серия3). Характеристики восстановленных образцов и покрытий приведены в табл. 6.2.

Таблица 6.2

Характеристики восстановленных образцов

В каждой серки обрабатывались 4 штока. В результате сравнительных испытаний натурной типовой конструкции узла трения выяснилось, что при базе погружения N = 3,6  10⁴ колебаний вид зависимостей и величина коэффициентов трения для различных нагрузок совпадают.

Механизм изнашивания был изучен в работах [77; 85]. Цикл механизма изнашивания повторяется многократно. Интенсивность изнашивания исследуемых пар при разных удельных нагрузках на базе N = 1 10⁶ колебаний представлена в таблице 6.3.

Для возможности проведения сравнительного анализа износостойкости покрытий, полученных по разным технологиям, исследования были проведены на режимах проверки износостойкости, опубликованных в [77].

Из анализа данных, приведенных в табл. 6.3.следует, что с увеличением удельных нагрузок интенсивность изнашивания увеличивается. Видно, что при повышенных значениях удельных нагрузок (Р  Р_кр ) интенсивность изнашивания исследуемой пары трения несколько ниже, чем серийной пары трения и пары, с покрытием по методу ГМХ, а при пониженных значениях удельных нагрузок наблюдается обратное явление. Однако, несмотря на неизменную качественную динамику процесса, подробно изученную в [77; 85] количественная характеристика процесса несколько изменилась в сторону увеличения износостойкости по сравнению с методом гальвано механического осаждения. Объясняется это видимо особой структурой получаемого покрытия.

Таблица 6.3

Сравнительные испытания на износостойкость

Уточнен механизм износостойкости хромированных сталей, восстановленных стандартным гальваническим методом, методом гальвано механического хромирования (ГХМ) и методом нанесения хрома гальвано контактным осаждением (ГКО), работающих в паре с бронзами в тяжело нагруженных узлах трения: вид износа и несущая способность изделий совпадают с аналогичными серийными парами. При этом с увеличением удельных нагрузок в обоих случаях интенсивность изнашивания увеличивается, однако в случае ГКО в меньшей степени.

6.4. Исследование отражательной способности

Одним из свойств хромового покрытия является его хорошая отражательная способность. Ввиду того, что отражательная способность хромовых покрытий, полученных как методом ГМХ, так и методом ГКО в достаточной мере не изучена, в данной работе приведены исследования влияния режимных параметров восстановления хромовым покрытием на отражательную способность осадка.

Самым простым способом оценки блеска является визуальное наблюдение. Однако оно носит субъективный характер и дает лишь качественное впечатление. Поэтому визуальное наблюдение может быть применено лишь во время поисковых опытов в качестве предварительной оценки.

Блеск металлической поверхности обусловлен тем, что падающий на поверхность металла свет не рассеивается равномерно по всем направлениям, как в случае матовых поверхностей, а отражается от поверхности по закону геометрической оптики, т. е. так, что угол отражения равен углу падения. Чем меньше света рассеивает поверхность и чем больше его отражается, тем более блестящей будет поверхность. Иначе говоря, блеск поверхности определяется соотношением между интенсивностью зеркально отраженного и диффузно рассеянного света. Поэтому блеск поверхности может быть охарактеризован уравнением:

Блеск = I₀/I_C,

где I₀ – интенсивность зеркально отраженного света;

I_C – суммарная интенсивность светового луча.

В случае идеально зеркальной поверхности это отношение равно 1. Чем больше блеск поверхности, тем ближе к единице отношение I₀/I_C. Измерение интенсивности зеркально отраженного света для характеристики степени блеска металлической поверхности применяется чаще других методов.

Зеркально отраженный свет при измерении улавливается либо оптическим прибором — фотометром (фотометрический метод), либо фотоэлектрическим — фотоэлементом (фотоэлектрический метод). Коэффициент отражения света определялся следующим образом. Измеряется общая интенсивность отраженного и диффузно рассеянного от поверхности образца света и сравнивается с интенсивностью такого же светового луча, отраженного от зеркала (серебряного или алюминиевого), т. е.

КО = 100I₁/I₂,

где KO — коэффициент отражения;

I₁ — величина фототока для изучаемой поверхности;

I₂ — величина фототока для зеркальной поверхности.

Для измерения зеркального коэффициента отражения малых участков плоских и криволинейных поверхностей в лабораторных и цеховых условиях применяется зеркальный фотометр ФЗ-65. Погрешность измерения на приборе не более ±5%. В комплект его входят оптический блок, блок стабилизированного питания, микроамперметр М-95 с наружным шунтом. Принципиальная оптико-электрическая схема этого прибора показана на рис. 6.1

Пучок света от лампы с концентрированным телом накала 1 попадает на линзу 2, которая создает изображение тела накала в плоскости отверстия промежуточной диафрагмы 3. Линза 4 фокусирует изображение диафрагмы на выходное отверстие наконечника оптического блока прибора. К наконечнику оптического блока прибора прикладывается исследуемая поверхность 5, на которую проектируется световое пятно  2 мм. Пучок света, отразившись от исследуемой поверхности, попадает через диафрагму 6 на матированное стекло 7 и на селеновый фотоэлемент 8, фототек которого регистрируется микроамперметром М-95.

Данным прибором можно измерять зеркальный коэффициент отражения не только плоских, но и криволинейных поверхностей.

Рис.6.1. Принципиальная оптико-электрическая схема

прибора ФЗ-65

Как следует из литературных данных при увеличении толщины хромового покрытия, что характерно для восстановительного производства, его отражательная способность быстро уменьшается [100; 110]. Поэтому в данной работе приведены исследования отражательной способности покрытий с толщиной 200 – 250 мкм.

Таблица 6.4.

Влияние режимов на отражательную способность

Для изучения влияния электролиза на отражательную способность восстановленной поверхности применялось математическое планирование эксперимента по методике многофакторного эксперимента [1].

Матрица планирования, результаты экспериментов представлены в таблице 6.4, а результаты расчетов пошаговой множественной регрессии представлены в приложении 1.

В результате регрессионного анализа, получено уравнение, описывающее зависимость исследуемого фактора от режимных параметров:

KO = - 31,375 + 0,325i + 0,25T – 7,75P

Корреляционный анализ позволил выявить, что зависимость отражательной способности от исследуемых факторов линейная, а связь между ними довольно сильная – множественный коэффициент корреляции достигает значения 0,9951.

Анализ регрессионного уравнения позволяет сделать выводы о том, что увеличение плотности тока ведет к увеличению отражательной способности покрытия, что полностью подтверждает исследования других авторов [43; 63] и объясняется, видимо ускоренным ростом кристаллов осадка.

Повышение температуры электролита также приводит к увеличению отражательной способности покрытия. К такому же выводу приходят авторы [43; 63; 88; 109]. Это видимо объясняется увеличением пластичности осадка при его осаждении.

Повышение давления инструмента на восстанавливаемую поверхность приводит к уменьшению отражательной способности покрытия. Объяснение этому авторы видят в увеличении массового переноса вещества инструмента на катод.