Intensification of the recovery of hydraulic equipment parts by iron in the electrolyte flow

Full Text

Введение

Для интенсификации электролитического железнения, расширения номенклатуры восстанавливаемых деталей сельскохозяйственной техники и одновременного упрощения технологического процесса наращивания металла разработан безванный метод нанесения покрытий в проточном электролите [1−5]. При помощи приспособлений детали помещают в электрохимическую ячейку, или их поверхность, подлежащая нанесению покрытий, превращается в закрытую гальваническую ванну. Вместо погружения всей детали в электролит рабочий раствор подается насосом к месту нанесения покрытий. В этом случае отпадает необходимость применять ванны больших размеров, изолировать поверхности, не подлежащие покрытию, применять подвесные устройства.

Нанесение железных осадков в потоке электролита с одновременным гидромеханическим активированием наращиваемой поверхности (за счет воздействия скоростных гетерофазных потоков с грубодисперсными твердыми частицами) позволяет значительно повысить производительность процесса. При железнении таким способом с увеличением интенсивности перемешивания величина диффузионного пограничного слоя уменьшается, а количество диффундирующего вещества (ионов железа) возрастает. Поэтому повышается возможность без ущерба для электрохимического процесса увеличить плотность тока и получать плотные осадки с хорошими механическими и эксплуатационными свойствами. Однако сведения об их физико-механических свойствах ограничены. Не установлено, какие режимы нанесения и состав электролита-суспензии (содержание частиц дисперсной фазы в электролите) обеспечивает высокую износостойкость покрытий в условиях абразивного изнашивания. Для разработки технологического процесса получения гальванических покрытий необходимо выбрать оптимальные условия получения наиболее износостойкой матрицы.

Цель исследований

Разработка технологии восстановления деталей безванновым способом в потоке электролита.

Материалы и методы

Влияние добавок и параметров электролиза на прочность сцепления покрытий проводили с применением центрального ротатабельного униформ – планирования второго порядка при k = 3. Обработку результатов эксперимента проводили по стандартной методике [6, 7].

Покрытия получали из хлористого электролита-суспензии (ЭС) железнения (FeCl₂ · 4H₂O – 500±10 кг/м³) при режимах электролиза: рН − 0,5±0,1; температура ЭС (Т) − 40±2 °С; скорость потока электролита (ν) − 1…9 м/с; содержание частиц электрокорунда белого в ЭС (марки F100) – 0…150 г/л; катодная плотность тока (Д_к) − 100…500 А/дм². После нанесения покрытия образцы нейтрализовали и стабилизировали в течении 10 суток.

Установка для нанесения покрытия на образцы включала электролизеры, источник тока, термостат, приборы для регулирования и контроля параметров электролиза (рис. 1).

 

Рис. 1. Экспериментальная установка для нанесения покрытий на образцы: 1 – основание; 2 – мотор-насос; 3 – ванна (0,01 м3); 4 – всасывающий трубопровод; 5 – подающий трубопровод; 6 – кран регулировочный; 7 – диск со шкалой; 8 – ячейка; 9 – клемма питания анода; 10 – клемма питания катода; 11 – кран сливной; 12 – термометр; 13 – контактный нагреватель; 14 – уровень электролита

 

Источником тока служили выпрямители типа ВСА-50. Раствор в ванне железнения (объемом 15 литров) подогревался и стабилизировался по температуре с точностью ± 1 °С с помощью термостата. Кислотность электролита контролировали ионометром ЭВ-74.

Прочность сцепления определяли методом кольцевого сдвига [8, 9] на цилиндрических образцах из стали 35 (длина 60 мм, диаметр 12 мм, толщина покрытия 0,5±0,1 мм), которые получали в электрохимической ячейке (рис. 2).

 

Рис. 2. Ячейка для нанесения осадков на образцы при исследовании их прочности сцепления с основой: а) общий вид ячейки; б) схема ячейки: 1 – анод; 2 – образец; 3 – катод

 

Исследования покрытий на абразивное изнашивание проводились в соответствии с ГОСТ 23.208–79. Электрохимические покрытия толщиной 0,3…0,5 мм наносили на пластины из стали 35 с размерами 30×30×1 мм в электрохимической ячейке (рис. 3). Время испытаний образцов определялось необходимостью получения ощутимой величины износа (J, мг), который определяли весовым методом с погрешностью 5·10^–8 кг. В качестве абразивного материала использовали речной песок, с размером зерен не более 1 мм. Эталонами сравнения служили образцы из сталей: 65Г закаленная и 35.

 

Рис. 3. Ячейка для нанесения покрытий на образцы при исследовании их износостойкости: 1 – корпус; 2 – электрод; 3 – образец

 

Микроструктуру изучали на поперечных шлифах образцов после механических испытаний с помощью микроскопов МИМ-8. Микротвердость (Н_μ) измеряли на ПМТ-3М по ГОСТ 9450–76.

Повторность испытаний в опытах составляла от 3 до 20. Опытные данные обрабатывали методами математической статистики. Для построения функциональных зависимостей использовали регрессионный анализ [6].

Результаты и обсуждение

Исследования показали, что микротвердость, прочность сцепления с основой и износостойкость покрытий, зависела от параметров электролиза. При регрессионном анализе трехфакторного эксперимента были получены эмпирические зависимости прочности сцепления и износа покрытий от параметров процесса электролиза (скорость потока электролита – X₁; плотность тока, А/дм², Х₂; содержание частиц – Х₃):

${\sigma }_{сц}=219,1+{Х}_1+17,3·{Х}_2-18,6·{Х}_3+2,3·{Х}_1^2+1,2·{Х}_2^2+0,3·{Х}_3^2+3,0·{Х}_1·{Х}_2-1,3·{Х}_1·{Х}_3+1,3·{Х}_2·{Х}_3;$ (1)

$J=10,6-1,5·{Х}_1-2,5·{Х}_2+0,9·{Х}_3+1,9·{Х}_1^2+0,5·{Х}_2^2+0,6·{Х}_3^2+2,9·{Х}_1·{Х}_2-1,8·{Х}_1·{Х}_3-6,0·{Х}_2·{Х}_3.$ (2)

Анализ результатов исследований показал, что наибольшее влияние на прочность сцепления и износостойкость покрытий оказывала плотность катодного тока (рис. 4).

 

Рис. 4. Влияние параметров электролиза на прочность сцепления покрытия с основой (а), микротвердость (б) и износ (в): 1 – скорость потока электролита-суспензии; 2 – содержание дисперсных частиц; 3 – катодная плотность тока

 

Это влияние наиболее заметно при изучении свойств осадков, полученных при режимах электролиза, соответствующих «звездным» точкам плана эксперимента. Увеличение катодной плотности тока приводило к снижению прочности сцепления с 240…250 до 120…150 МПа и увеличению износа покрытий (рис. 4). Осадки, полученные при высоких плотностях тока из скоростного потока и низком содержании частиц, имели наименьшую прочность сцепления (140…150 МПа) и износостойкость, которые обусловлены их низким качеством и высокими внутренними напряжениями (рис. 5). Их структура характеризовалась сеткой сквозных трещин, разделяющих осадок на крупные блоки. Это может быть результатом действия интенсивно выделяющегося водорода и накопившихся в прикатодной зоне чужеродных частиц, которые гидроабразивный поток не в полной мере удалял с поверхности катода. Хотя покрытия имели высокую микротвердость (рис. 5), они не обладали высокой износостойкостью, поскольку при их деформировании в процессе нагружения происходит развитие готовых очагов разрушения.

 

Рис. 5. Влияние условий электролиза на микроструктуру электроосажденного железа (×400): а) разрушенные разупрочненные осадки; б) монолитные осадки

 

Увеличение содержания частиц электрокорунда в электролите приводило к увеличению прочности сцепления и износостойкости покрытий (см. рис. 4). Введение в электролит абразивных частиц способствовало получению монолитных осадков или структуры с мелкой сеткой микротрещин. Вероятно, это обусловлено повышением эффективности перемешивания прикатодного слоя и снижения перенапряжения при выделении осадка на катоде, очисткой поверхности катода от выделяющегося водорода и чужеродных частиц.

Можно отметить, что структура электролитического железа, полученного в условиях гидромеханического активирования с увеличением скорости потока электролита-суспензии более 3…4 м/с при постоянных остальных условиях электролиза, отличалась отсутствием обычной слоистости, наблюдаемой у покрытий, получаемых при стационарных условиях электролиза. Таким образом, нестационарные режимы электроосаждения, обеспечивающие получение осадков с микротвердостью выше 3,5…4,0 ГПа, являются границей раздела области получения трещиноватых разупрочненных покрытий.

Увеличение содержания наполнителя в ЭС до 80…120 кг/м³ приводило к формированию структуры покрытий с густой сеткой микротрещин (рис. 6), что способствовало увеличению износостойкости покрытий и прочности сцепления их с основой до 260…280 МПа.

 

Рис. 6. Микроструктура (×400) (а) и структура поперечного излома осадков железа (×1000) (б), полученных при оптимальных условиях электролиза

 

При изломе покрытия не отделялись от подложки (рис. 6). Подобное изменение механических свойств покрытия можно попытаться объяснить изменением их внутренних напряжений растяжения, которые с увеличением микропористости покрытий частично «снимаются» [5]. Такая структура, обладая низким уровнем остаточных внутренних напряжений, вследствие более глубокого разрушения покрытий в процессе электролиза, приводила к увеличению микротвердости и износостойкости осадков.

Таким образом, для получения прочносцепленных и износостойких покрытий, имеющих высокую микротвердость (4…5 ГПа), оптимальную микроструктуру и высокую скорость роста осадков (1,5…3 мм/ч), необходимо поддерживать наиболее благоприятные состав и режимы электролиза: скорость потока ЭС − 3…4 м/с, содержание частиц в ЭС – 80…120 г/л, Д_к – 150…300 А/дм². Соблюдение рекомендуемых режимов электролиза позволяет получать покрытия с износостойкостью в 1,5…2 раз большей по сравнению co сталью 65Г закаленной (серийного лемеха) и в 3…5 раз чем со сталью 35 нормализованной.

Результаты лабораторных исследований были использованы для разработки технологии восстановления деталей сельскохозяйственных машин в потоке электролита, апробацию которого выполняли на примере золотников гидрораспределителей.

В результате исследований процесса электроосаждения железа в условиях гидромеханического активирования катода была установлена возможность высокоскоростного электроосаждения покрытий с широким спектром физико-механических свойств. Реализация многофакторных ЦКР планов позволила установить область режимов электролиза, в которой были получены качественные осадки, толщиной 0,2…1,0 мм, с выходом по току 80…90 %. Микротвердость осадков находилась в пределах 5,5…6,5 ГПа. В данной области условий электроосаждения покрытия имели упорядоченною пористую структуру, обеспечивающую их высокую маслоемкость и стойкость к задиру.

Вместе с тем, для реализации результатов исследований восстановления золотников гидрораспределителей необходимо было разработать общую технологическую схему восстановления деталей железнением в условиях гидромеханического активирования, осуществить опытную проверку технологии и работоспособности покрытий в условиях полевой эксплуатации и оценить технико-экономическую оценку технологии.

Технологический процесс должен включать следующие операции: предварительная подготовка поверхности (механическая обработка), обезжиривание, промывка, анодная обработка, электроосаждение и окончательная механическая обработка.

Очистку, мойку и дефектовку деталей можно принять стандартными согласно требованиям [3, 4]. Электрохимическое обезжиривание деталей целесообразно проводить в стандартном электролите при 1,0…2,0 А/дм² или венской известью.

Разработке технологии восстановления золотников гидрораспределителей предшествует, как правило, анализ состояния ремонтного фонда, на основе которого определяется основные составляющие величины припуска на предварительную механическую обработку [10]. При ванновом железнении для повышения эффективности восстановления деталей, как правило, рекомендуется разделить детали на размерные группы в зависимости от величины износа и установить для каждой группы необходимую продолжительность нанесения покрытий. При проточном железнении эту операцию можно исключить.

Учитывая, что исходная шероховатость деталей развивается в результате роста осадков, целесообразно предварительную механическую обработку завершить доводочными операциями (чистовым шлифованием и хонингованием). В этом случае сокращается припуск на окончательную механическую обработку и, соответственно, количество операций окончательной механической обработки покрытия.

Существенное упрощение технологии скоростного электроосаждения может быть достигнуто при выполнении операции анодной обработки и электроосаждения покрытия в рабочем электролите. Для полного удаления анодного шлама с поверхности детали необходимо поддерживать скорость потока и содержание абразивных частиц не менее 3 м/с и 80 г/л соответственно. Режимы анодной обработки: Т – 100…120 с, Д_а – 6…10 кА/м². Режимы необходимо уточнять в зависимости от марки стали, из которой изготовлен золотник.

Электроосаждение покрытия необходимо начинать с выхода на рабочий режим, который осуществляют в 3 этапа: установление плотности тока на уровне 0,05…0,2 кА/м² в течение 200…300 сек.; ступенчатое увеличение плотности тока до 5…10 кА/м² в течение 300…480 сек.; выход на рабочий режим в течение 60…180 сек. Скорость потока электролита на первом этапе выхода по току можно поддерживать на уровне 1…1,5 м/с. На втором этапе выхода на режим необходимо установить рабочую скорость потока электролита на уровне 3…5 м/с. В дальнейшем процесс ведут на рабочем режиме электроосаждения.

Время выхода на рабочий режим электроосаждения можно значительно сократить, если на начальном этапе установить высокую рабочую скорость потока электролита (6…8 м/с). В этом случае начальные плотности тока могут быть увеличены (до 1…3 кА/м²).

После нанесения покрытия ячейку с золотником отключают от установки. Затем золотник из ячейки демонтируют, промывают холодной водой и нейтрализуют в растворе каустической соды.

Предварительную механическую обработку восстановленных золотников рекомендуется проводить шлифованием на режимах, рекомендованных для закаленных сталей [10]. Для определения припуска на окончательную механическую обработку поверхности золотников гидрораспределителей можно применить известную методику [10].

Технологический процесс апробировался на участке ремонта гидрораспределителей ООО «ГидроРемСервис». Изношенные отверстия корпусов гидрораспределителей восстанавливали алмазным хонингованием и притиркой.

Нанесение покрытий проводили на опытной установке проточного железнения в лаборатории строительного института Брянского ГИТУ (рис. 7). Состав электролита: FeCl₂ · 4H₂O – 500...550 кг/м³, электрокорунд белый (марки F100) – 80…100 г/л. Режимы нанесения покрытий: рН – 0,3–0,5; Д_к – 100...500 А/дм²; Т = 40–50 °С; скорость потока ЭС – 3...4 м/с. Для нанесения покрытий на золотники гидрораспределителей была разработана электрохимическая ячейка (рис. 4).

 

Рис. 7. Общий вид установки (а) и ячейки (б), схема ячейки (в) и золотник гидрораспределителя Р 100 после нанесения покрытия (г)

 

После нанесения покрытий золотники шлифовали до требуемых размеров и притирали. Регулировку гидрораспределителей после сборки выполняли на стенде КИ-4815М.

Испытания гирораспределителей с восстановленными золотниками проводили на опытном стенде ООО «ГидроРемСервис» и в хозяйствах Брянской области. Опытные гидрораспределители работали в период с марта 2018 г. по февраль 2020 г. на двух тракторах ЮМЗ-6, выполняющих различные виды сельскохозяйственных работ. Неисправностей гидрораспределителей за период эксплуатации выявлено не было.

Таким образом, результаты эксплуатационных испытаний полностью подтвердили лабораторные исследования. Технологический процесс был принят к внедрению на ряде предприятий Брянской области. Технико-экономическая оценка технологии восстановления деталей железнением при нестационарных режимах электролиза, выполненная на примере золотников гидрораспределителей, показала ее высокую эффективность в сравнении с ванновым способом. Основные факторы, определяющие эффективность технологии:

– сокращение производственных площадей, занятых технологическим оборудованием, за счет изменения технологической схемы процесса и применения одного и того же выпрямителя на операциях анодной обработки и нанесения покрытий;

– сокращение затрат времени и электроэнергии на восстановление деталей за счет увеличения производительности процесса железения и сокращения числа операций;

– уменьшение затрат материалов для приготовления электролитов за счет сокращения операции анодной обработки и промывок;

– повышение надежности технологии за счет улучшения ее структурной схемы.

Вывод

Нанесение железных осадков в потоке электролита с одновременным гидромеханическим активированием наращиваемой поверхности (за счет воздействия скоростных гетерофазных потоков с грубодисперсными твердыми частицами) позволяет без ущерба для электрохимического процесса увеличить плотность тока (до 200…300 А/дм²) и значительно повысить производительность процесса. Установлены режимы нанесения качественных железных покрытий, имеющих высокую прочность сцепления и обладающих повышенной – до 2 раз – износостойкостью по сравнению с закаленными легированными сталями.

Разработаны технологический процесс, установка и оснастка нанесения покрытий на золотники гидрораспределителей. Проведена опытно-производственная проверка технологии, показавшая высокую эффективность и целесообразность ее внедрения на ремонтных предприятиях.

About the authors

YU. E. Kisel'

Bryansk State Engineering and Technological University

Email: Simonin77@mail.ru

Dsc in Engineering

Russian Federation, Bryansk

S. P. Simokhin

Bryansk State Engineering and Technological University

Author for correspondence.
Email: simonin77@mail.ru
Russian Federation, Bryansk

S. A. Murachev

Bryansk State Engineering and Technological University

Email: Simonin77@mail.ru
Russian Federation, Bryansk

References

Supplementary files