Раздел № 2. Ремонт машин

ТЕМА № 1. Закономерности изнашивания деталей машин

Об исправной работе машины судят путём сравнения её настоящих характеристик с нормативными завода-изготовителя. Например, для ДВС такими характеристиками являются:

1) номинальная (максимальная) мощность N_н и её зависимость от положения рычага управления акселератором g_д и частоты вращения коленчатого вала N = f (g_д ; n_д);

2) часовой расход топлива G_т = f (g_д ; n_д);

3) часовой расход масла G_м = f (g_д ; n_д);

4) токсичность отработавших газов и др.

Также о нормальной работе машины судят по наличию тех или иных шумов, вибрации и другим косвенным признакам.

Отклонение характеристик от нормативных и наличие посторонних шумов, вибрации и т.п. указывает на те или иные неисправности.

Ненормальная работа машины может быть связана как с плохой регулировкой механизмов и систем, так и с износом деталей.

Износ всегда происходит при контакте одного тела с другим. Причём часто в соединениях деталей. Исправную работу соединений оценивают по посадке, которая определяется конструкцией. То есть неисправность сопряжения проявляется в нарушении заданного при изготовлении зазора или натяга в данной паре. Всякое нарушение посадки связано с изменением размеров и формы деталей, качества их поверхностей, а также их материалов - химического состава, структуры, механических свойств и др.

Все виды износов классифицируют на две группы:

1) естественные, то есть связанные с нормальной работой машины;

2) аварийные, которые являются результатом аварии при некачественном обслуживании или неправильном управлении.

На интенсивность естественного износа подвижных соединений деталей машин влияют различные факторы:

1) относительная скорость трущихся поверхностей;

2) давление в контакте деталей, то есть площадь пятна контакта и прижимающая сила;

3) качество поверхностей трущихся деталей, то есть шероховатость и твёрдость;

4) материалы деталей;

5) качество и способ смазывания трущихся поверхностей и др.

Общий вид естественного износа трущихся пар иллюстрирует следующий классический график.

Данный график имеет три характерные зоны, обозначенные римскими цифрами. Первая зона показывает довольно интенсивный износ в самом начале работы новой или отремонтированной машины. Это так называемая приработка деталей. Самые передовые фирмы обкатку, то есть приработку новой машины осуществляют в конце технологического процесса изготовления, где скоростные и нагрузочные режимы не превышают 50 ... 75 % от максимальных. Вторая зона характеризуется сравнительно медленным длительным износом и имеет место при рядовой нормальной эксплуатации. При достижении износом предельной величины И_пр скорость его резко возрастает и переходит в третью зону, которая характеризует интенсивный износ с появлением характерных шумов, вибрации и существенным ухудшением выходных характеристик.

Износ сопровождается следующими явлениями:

1) схватыванием трущихся поверхностей, что обуславливается интенсивным разрушением этих поверхностей при трении без смазки и больших давлениях (данный вид износа характерен для тяжело нагруженных зубчатых передач, рычажных механизмов и др. и получил название Питтинг);

2) окислением поверхностей, что характерно, например, для цилиндров ДВС, поршневых колец и других деталей, работающих в агрессивных средах;

3) тепловым воздействием, что имеет место при больших скоростях скольжения в трущийся паре, и сопровождается оплавлением материалов и переносом на другие поверхности (характерно для кулачковых и других механизмов);

4) абразивным воздействием, возникающим при попадании между трущимися поверхностями абразивных частиц из внешней среды и продуктов износа (характерен для цилиндропоршневой группы деталей, рабочего оборудования СДМ и др.)

При эксплуатации машин также возможно возникновение и других дефектов деталей, например, изгибы, скручивания, смятия. Но это связано либо с конструкторскими просчётами, либо с ненормальной эксплуатацией, например, с перегрузкой машины.

ТЕМА № 2. Методы определения износа деталей

Для оценки степени износа деталей машин применяют следующие методы: 1) микрометрирования; 2) взвешивания; 3) прифилографирования; 4) искусственных баз; 5) определения концентрации железа в масле; 6) радиоактивных изотопов; 7) нейтронной активации; 8) спектрального анализа. Иногда применяют одновременно несколько методов.

Первый указанный метод микрометрирования используется на практике при дефектовке деталей разобранных механизмов во время ремонта или после испытаний, назначении ремонтных размеров для вновь создаваемых деталей машин, а также для оценки эффективности различных мероприятий по повышению долговечности машины. Данный метод прост и нагляден, но его главный недостаток - необходимость разборки машины.

Метод взвешивания применяют для определения износа мелких деталей, например, вкладышей коленчатого вала, поршневых колец и т.п. По изменению массы детали до и после работы делается вывод об интенсивности износа. Этот метод также требует разборки машины и тщательной очистки деталей. Кроме того данным методом нельзя определить пластическую деформацию деталей.

Метод профилографирования основан на измерении профиля изнашиваемой поверхности при помощи специального прибора - профилографа с последующим сравнением с поверхностью новой детали.

Метод искусственных баз позволяет оценить величину износа по изменению размеров специально сделанного углубления (лунки) в детали. Разность глубины этой лунки до и после работы механизма позволяют сделать вывод о величине износа. К этому методу также относится метод отпечатков, который применяется, например, для оценки зазора между шейкой коленчатого вала и вкладышем. Суть данного метода заключается в том, что при сборке между шейкой и вкладышем закладывается капроновая леска строго определённой толщины, которая при сборке сплющивается. Затем узел снова разбирается и по ширине сплющенной лески судят о зазоре в данной паре.

Метод определения примесей в масле позволяет оценить суммарную величину износа деталей механизма. Этот метод позволяет определить концентрацию железа в масле с точностью 10^-3 ... 10^-4 % от массы пробы. Но для использования данного метода нужны статистические данные. Например, при определении износа автотракторных ДВС характерно следующее распределение железа в масле: от износа цилиндров и поршневых колец - 85 %, от износа коленчатого и распределительно валов, шестерён и других деталей - 15 %. Главное преимущество данного метода - нет необходимости в разборке машины. Основной недостаток - необходимость специального оборудования и подготовленного персонала.

При исследовании проб масла также применяют метод спектрального анализа, позволяющий определить величину абсолютного износа сопряжённых деталей, а также скорость их износа по концентрации химических элементов.

Метод радиоактивных изотопов позволяет оценить износостойкость сопряжённых деталей по количеству радиоактивного изотопа, поступившего в процессе работы из активированных (облучённых) деталей в масло.

ТЕМА № 3. Методы организации ремонта машин

В зависимости от масштабов ремонтного производства и конструктивных особенностей ремонтируемых машин применяют два метода ремонта: 1) индивидуальный; 2) обезличенный.

Индивидуальный метод ремонта - это такой, при котором все восстановленные после ремонта агрегаты, узлы и детали устанавливаются на ту же самую машину, откуда они были сняты. Этот метод применяется при сравнительно малых объёмах ремонтного производства.

Обезличенный метод ремонта характеризуется тем, что изношенные узлы и детали заменяются новыми или восстановленными от других машин. Данные узлы и детали хранятся в так называемом ремфонде предприятия. Данный метод применяется при больших объёмах ремонтных работ, то есть когда за год ремонт проходит большое количество однотипных машин.

Капитальным ремонтом механизма или машины называется такой, когда механизм или машина подвергаются полной разборке и восстанавливаются или заменяются базовые узлы или детали механизма или машины, например, блок-картер двигателя или рама трактора.

Агрегатно-узловым называется метод ремонта, при котором отдельные агрегаты и узлы без разборки до деталей заменяются новыми или восстановленными агрегатами и узлами из ремфонда.

При очень больших объёмах ремонтных работ организуется поточный метод ремонта машин и агрегатов, предусматривающий конвейерную разборку, мойку, дефектовку, восстановление, сборку окраску и другие операции. Здесь как правило применяют обезличенный агрегатно-узловой метод ремонта.

ТЕМА № 4. Структура ремонтного предприятия

Существуют ремонтные заводы для производства капитального ремонта полнокомплектных машин, например, Борисовский танкоремонтный завод, или для капремонта отдельных агрегатов, например, Могилёвский мотороремонтный завод.

Примерная структура предприятия для капитального ремонта полнокомплектных машин следующая:

1) Разборочный цех с участками:

а) наружной мойки;

б) разборки машин на агрегаты;

в) мойки и выварки узлов и деталей;

г) контроля, дифектовки и сортировки;

2) Моторный цех с участками:

а) сборки двигателя;

б) ремонта и регулировки топливной аппаратуры;

в) испытательный;

3) Кабино-жестяницкий цех с участками:

а) ремонта кабин, рам и кузовов;

б) жестяницко-арматурный;

в) радиаторный;

г) деревообрабатывающий;

д) обойный;

е) малярный;

4) Цех восстановления деталей с участками:

а) слесарно-механический;

б) кузнечный;

в) термический;

г) сварочный;

д) металлизационный;

е) гальванический;

5) Сборочный цех с участками:

а) комплектовки;

б) сборки агрегатов и машин;

в) ремонта электрооборудования;

г) шиномонтажный;

6) Вспомогательное производство, которое включает:

а) Отдел главного механика (ОГМ) с участками:

1) ремонтно-механический;

2) электроремонтный;

3) ремонтно-строительный;

4) компрессорная станция;

5) транспортный;

б) Инструментальный цех с участками:

1) слесарно-механический;

2) заточной;

3) инструментально-раздаточная кладовая (ИРК);

7) Склады:

а) горюче-смазочных материалов (ГСМ);

б) запасных частей;

в) металлов и др.

В зависимости от вида ремонтного предприятия и объёмов его производства указанная структура может меняться.

ТЕМА № 5. Классификация методов восстановления деталей

Существует множество методов восстановления деталей машин. Выбор способа ремонта каждой конкретной детали зависит от её конструктивно-технологических особенностей, условий работы в механизме, величины износа, характера дефектов, материала детали, объёмов ремонтного производства и других факторов.

Различают три типа дефектов деталей машин: 1) с изношенными поверхностями; 2) с нарушенной геометрией, то есть с изгибом, скручиванием и т.п.; 3) с коррозионными повреждениями.

Общую классификацию методов восстановления деталей даёт следующая диаграмма.

ТЕМА № 6. Восстановление деталей с помощью мехобработки

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

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

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

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

Ремонтную втулку крепят на восстанавливаемой шейке вала либо с помощью прессовой посадки, например, H8/p7 с шероховатостью поверхностей не хуже R_a1,25, либо крепление осуществляется по резьбе или с помощью какого-либо фиксатора - болта, шпонки и т.п.

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

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

ТЕМА № 7. Ремонт методом пластического деформирования

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

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

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

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

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

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

Кроме статической правки на прессах также применяется динамическая правка или “правка наклёпом” путём воздействия ударного инструмента на поверхности не контактирующие с другими деталями. Например, с помощью воздействия вибромолотка на щёки коленчатого вала исправляют его изгиб.

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

Ориентировочно требуемое давление при осадке можно оценить по формуле

,

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

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

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

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

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

,

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

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

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

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

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

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

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

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

К преимуществам методов пластического деформирования относится:

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

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

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

Недостатками данных методов являются:

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

2) снижение предела выносливости s_r;

3) высокая энергоёмкость при деформировании в горячем состоянии.

ТЕМА № 8. Восстановление деталей сваркой и наплавкой

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

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

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

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

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

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

Сила сварочного тока ориентировочно выбирается по зависимости

I = (45 ± 10) d,

где d - диаметр электрода.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

1) легированную электродную проволоку или ленту и обычный флюс;

2) порошковую проволоку с требуемым химсоставом и обычный флюс;

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

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

а) обёртывание легирующей лентой;

б) укладка легирующего прутка;

в) намазывание легирующих паст;

г) насыпка легирующего порошка.

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

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

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

Схема установки Клековкина следующая .

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Учитывая, что углекислый газ в 1,5 раза тяжелее воздуха, он хорошо удерживается в зоне дуги, а расхода Q_CO2 = 10 л/мин вполне достаточно для обеспечения качественного шва.

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

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

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

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

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

2) сжиженный газ пропан C₂H₆ c t_max = 2600° C;

3) ацетилен C₂H₂ с t_max = 3300° C.

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

C₂H₂ = 2C + H₂ + 54 ккал/кмоль

2С + 2O₂ = 2CO₂ + 195,8 ккал/кмоль

2H₂ + O₂ = 2H₂O + 57 ккал/кмоль

Итого в сумме имеем 306,8 ккал/кмоль.

Получают ацетилен в специальных газовых генераторах из карбида кальция

CaC₂ + H₂O = C₂H₂ + Ca(OH)₂

Карбид кальция получают в печах путём обжига известняка

CaO + 3C = CaC₂ + CO

При газовой сварке в качестве окислителя используется кислород O₂ с количеством примесей не более 1,5 %. Получают технический кислород из воздуха методом глубокого охлаждения (t_кипО2 = -183° С при p = 0,1 МПа). Давление кислорода в полностью заряженных баллонах составляет 15 МПа.

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

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

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

В зависимости от соотношения кислорода и ацетилена различают пламя горелки:

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

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

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

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

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

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

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

Химический состав данных сплавов следующий

Марка сплава	C, %	Mn, %	Si, %	Cr, %	Ni, %	Fe
Сормайт-1 (ЦС-1) Сормайт-2 (ЦС-2) Сталинит	3 2 9	1,5 1 15	3,5 2 3	28 15 18	2 2 -	Остальное

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

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

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

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

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

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

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

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

ТЕМА № 9. Восстановление деталей металлизацией

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

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

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

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

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

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

Применяют несколько видов напыления:

1) газо-плазменное;

2) электродуговое;

3) высокочастотное;

4) плазменное и др.

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

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

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

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

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

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

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

Схема установки следующая.

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

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

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

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

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

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

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

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

ТЕМА № 10. Основные понятия гальванопластики

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

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

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

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

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

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

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

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

D_к = I / A_к , А/дм² ;

D_a = I / A_a , А/дм² ,

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

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

m = I t_э C a,

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

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

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

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

,

где r - плотность осаждаемого металла, г/см³.

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

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

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

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

ТЕМА № 11. Обработка деталей перед гальванопокрытием

При гальванопокрытии осуществляют следующие операции:

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

2) очистку деталей от окислов;

3) предварительное обезжиривание;

4) изоляцию поверхностей, не подлежащих гальванопластике;

5) крепление деталей на подвесках ванны;

6) окончательное обезжиривание;

7) активацию (анодную или химическую);

8) собственно гальванопокрытие;

9) последующую промывку.

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

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

ТЕМА № 12. Хромирование

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

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

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

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

Для хромирования применяют три типа электролитов:

1) сернокислый;

2) саморегулирующийся;

3) тетрохроматный.

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

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

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

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

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

Электролит средней концентрации по своим свойствам занимает промежуточное положение.

Качества хромовых покрытий зависят не только от состава электролита, но и других параметров режима процесса, а именно: 1) катодной плотности тока D_к , А/дм²; 2) температуры электролита t_эл°. Изменяя эти параметры, в электролите любой концентрации можно получить три вида корок:

1) матовые (серые) ;

2) блестящие ;

3) молочные .

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

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

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

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

Для сернокислых электролитов при хромировании рекомендуют следующие режимы:

Электролит	1. Низкой концентрации	2. Средней концентрации	3. Высокой концентрации
Температура tэл° Плотность тока Dк, А/дм^2 Выход по току a %	50 ... 60 30 ... 100 15 ... 16	45 ... 60 20 ... 60 12 ... 14	40 ... 50 15 ... 30 10 ... 12

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

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

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

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

Компонент электролита и параметр режима	Стронций-калевый электролит	Кальций-кобальтовый электролит
CrO3, г/л H2SO4, г/л SrSO4, г/л K2SiF4, г/л CaCO3, г/л CoSO4, г/л t° С Dк, А/дм^2 a, %	225 ... 300 – 5,5 ... 6,5 18 ... 20 – – 50 ... 65 40 ... 100 18 ... 20	380 ... 420 – – – 60 ... 75 18 ... 20 18 ... 25 100 ... 300 35 ... 40

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

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

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

ТЕМА № 13. Железнение

Это процесс получения твёрдых износостойких покрытий железа путём электролиза.

В ремонтном производстве данный процесс применяется для компенсации износа. Также может использоваться для исправления брака и упрочнения поверхностей деталей из малоуглеродистых сталей без их термообработки.

По химическому составу электролитическое железо похоже на малоуглеродистую сталь, но по свойствам соответствует среднеуглеродистой. Так его твёрдость составляет 1600 ... 7800 МПа, предел прочности s_в = 736 ... 776 МПа, износостойкость и коррозионная стойкость также соответствуют Стали 40. Это связано с тем, что корка имеет мелкозернистую структуру.

Достоинства процесса железнения: 1) расходные материалы сравнительно дёшевы и недефицитны; 2) высокий выход по току a = 85 ... 95 %; 3) высокая производительность, то есть скорость осаждения составляет 0,2 ... 0,5 мм/ч; 4) толщина твёрдого покрытия может доходить до 3 мм; 5) имеется возможность в широких пределах регулировать свойства корки, например, микротвёрдость от 1600 до 7800 МПа; 6) высокая износостойкость корки, приближающаяся к закалённой стали; 7) в случае необходимости корки после железнения хорошо хромируются.

Все указанные качества обуславливают низкую себестоимость восстановления деталей данным методом. В результате стоимость отремонтированной детали составляет 30 ... 50 % от новой при почти одинаковой износостойкости, а значит и ресурсе. Однако после железнения предел выносливости детали снижается на 10 ... 30%.

Как и при других электролитических процессах, при железнении свойства покрытия зависят от состава электролита и параметров режима осаждения металла.

По своему составу электролиты для железнения делят на три типа: 1) хлористые; 2) сернокислые; 3) сульфатно-хлористые или смешанные. Для повышения электропроводности в электролит вводят соли натрия, калия, кальция и магния. Стабилизации процесса добиваются путём ввода в электролит противоокислительных веществ, например, аскорбиновой кислоты.

В ремонтном производстве наиболее часто применяют хлористые электролиты, так как сернокислые не обеспечивают высокой производительности процесса и качества корки. Однако сернокислые менее агрессивны и более стойки к окислению.

В зависимости от теплового режима различают горячие электролиты (температура 60 ... 90° С) и холодные, которые не подогревают. Первые более производительны, так позволяют повышать катодную плотность тока D_к.

Для железнения применяют электролиты следующего состава и параметры режима.

№ электролита	1	2	3	4	5	6
1. Хлористое железо FeCl, г/л 2. Сернокислое железо FeSO4, г/л 3. Хлористый натрий NaCl, г/л 4. Аскорбиновая кислота, г/л 5. Соляная кислота HCl, г/л Температура t° С Плотность тока Dк, А/дм^2 Выход по току a % Кислотность pH	200 ... 250 – 100 – – 70 ... 80 20 ... 40 85 ... 92 0,8 ... 1,2	300 ... 350 – – – – 70 ... 80 20 ... 50 85 ... 95 0,8 ... 1,2	600 ... 680 – – – – 70 ... 80 20 ... 60 85 ... 95 0,8 ... 1,5	– 300 150 – 0,4 ... 0,7 95 ... 98 10 ... 15 90 –	400 ... 600 – – 0,5 ... 2,0 – 20 ... 50 10 ... 30 85 ... 92 0,5 ... 1,3	150 ... 200 200 – – – 30 ... 50 20 ... 25 85 ... 92 0,6 ... 1,2

Процесс железнения часто осуществляют с помощью растворимых анодов из малоуглеродистых сталей марок 08 и 10. При этом образуется шлам. Чтобы не загрязнялся электролит, аноды помещают в чехлы из стеклоткани. Если же используют нерастворимые аноды (часто угольные), то возникает необходимость систематической корректировки раствора по мере его истощения.

Электролиты № 1 и 2 позволяют получать плотные и гладкие корки с твёрдостью до 6500 МПа толщиной до 1,2 мм. С помощью высококонцентрированного электролита № 3 получают высококачественные покрытия толщиной до 3 мм. Но электролиты № 1 и 3 нестабильны. В первом концентрация железа в растворе увеличивается, а в третьем уменьшается в процессе работы. Электролит № 4 в ремонтном производстве не применяют. Электролиты № 5 и 6 весьма эффективны и их широко применяют при ремонте машин.

Типовой технологический процесс железнения имеет следующие этапы:

1) очистка деталей от грязи и масла;

2) механическая обработка;

3) промывка в бензине;

4) сушка;

5) изоляция непокрываемых поверхностей;

6) монтаж деталей на подвеске;

7) обезжиривание;

8) промывка горячей водой (70 ... 80° С);

9) промывка холодной водой (10° С);

10) анодное травление в электролите железнения;

11) промывка холодной водой;

12) анодная обработка в 30 % растворе H₂SO₄;

13) промывка холодной водой;

14) промывка-прогрев тёплой водой (50 ... 60° С);

15) железнение;

16) промывка горячей водой (70 ... 80° С);

17) нейтрализация;

18) промывка горячей водой (70 ... 80° С);

19) демонтаж деталей с подвесок;

20) контроль качества железнения;

21) механическая обработка;

22) консервация деталей.

Как видим данная технология похожа на хромирование.

В начале электролиза железа силу тока плавно (примерно за 10 мин) увеличивают до заданной плотности D_к. Это необходимо для создания мягкого подслоя, который улучшает сцепление корки с основным металлом. Следует помнить, во-первых, чем больше D_к, тем производительнее процесс железнения, во-вторых, чем ниже температура и концентрация электролита, тем выше твёрдость корки, но меньше максимально достижимая толщина покрытия.

При железнении следует поддерживать строго определённую кислотность электролита. При уменьшении pH ухудшается сцепление корки, а при увеличении pH снижается выход по току.

Для улучшения качества покрытия и увеличения интенсивности процесса железнения применяют нестационарные электролитические режимы, то есть периодически изменяется полярность электрического тока. импульс анодного тока на деталях разрушает прикатодную плёнку, богатую вредными включениями и имеющую пониженную концентрацию ионов двухвалентного железа. В результате при следующем катодном импульсе увеличивается плотность тока D_к и таким образом повышается производительность процесса и качество корки. Кроме того анодный импульс снимает металл в основном с выступов, что увеличивает кроющую способность, то есть обеспечивает покрытие равномерной толщины.

В ремонтном производстве часто используют вневанное проточное железнение, при котором электролит насосом прокачивается через электролизную ячейку, образованную восстанавливаемой поверхностью детали и уплотнениями. Данный способ увеличивает производительность труда и улучшает качество корки за счёт перемешивания электролита. К тому же уменьшается объём требуемого электролита и расходных материалов. Например, указанная ячейка для восстановления верхних головок шатунов выглядит следующим образом.

ТЕМА № 14. Никелирование

Покрытие деталей никелем проводят чаще всего для защиты от коррозии и в качестве декоративной отделки. Редко данные корки наносят с целью компенсации износа.

Существует два способа никелирования - электролитический и химический.

Электролитическое никелирование используется как для защитно-декоративного покрытия, так и в качестве подслоя перед меднением или хромированием. Чаще всего применяют сернокислые электролиты, где основным компонентом является сернокислый никель NiSO₄. Также используют сульфатно-хлористые электролиты, в которые входит хлористый никель NiCl, фтор-боратные и сульфоматные электролиты со следующей рецептурой и параметрами режима.

№ эл-та	1	2	3	4	5	6	7
NiSO4 NiCl NaSO4 MgSO4 NaCl К-та борная Фторборат никеля Сульфомат никеля Кумарин Паратолуол сульфамид Алкилсульфат натрия Температура t°С Плотность тока Dк, А/дм^2 Кислотность, pH	240 340 30 ... 60 – – – 30 ... 40 – – – – – 45 ... 65 2,5 ... 10 1,5 ... 4,5	140 250 – 40 ... 60 20 ... 30 5 ... 7 25 ... 30 – – – – – 18 ... 35 0,5 ... 2 5,2 ... 5,8	– 300 – – – 38 – – – – – 50 ... 70 2 ... 10 2,0	200 175 – – – 40 – – – – – 45 2,5 ... 10 1,5 ... 2,0	– 10 ... 15 – – – 30 300 .. 400 – – – – 45 ... 55 до 20 3 ... 3,5	– – – – – 30 – 450 – – 0,4 38 ... 60 5 ... 32 3 ... 5	250 300 – – – 10 ... 15 25 ... 30 – – 0,8 ... 2,0 2 0,05 ...0,1 50 4 ... 6 4,5 ... 5,5

Электролиты № 1 и 2 применяется для получения мягких корок, которые легко полируются, то есть для защитно-декоративных покрытий. В электролит № 2 сернокислый натрий вводят для повышения электропроводности, а сернокислый магний для улучшения кроющей способности. Хлористые электролиты № 3 и 4 применяют для покрытия нержавеющих жаростойких сталей. Фтор-боратный электролит № 5 позволяет увеличить плотность тока D_к, что повышает производительность и улучшает качество корки. К тому же данный электролит обладает хорошей стабильностью и лучшей рассеивающей способностью. Электролит № 6 обеспечивает пластичные покрытия с малыми внутренними напряжениями. Он допускает высокую плотность тока и при этом имеет простой состав, поэтому применяется для компенсации износа деталей. Электролит № 7 в отличие от первых шести позволяет получать блестящие, а не матовые корки, которые не нуждаются в полировке. Но при этом необходима постоянная его фильтрация. Выход по току у всех электролитов составляет 90 ... 98 %. Борную кислоту во все рассмотренные электролиты вводят для стабилизации кислотности pH, а значит проводимости.

При электролитическом никелировании используют растворимые никелевые аноды марок НПА1, НПА2 и НПАН. Все электролиты для никелирования весьма чувствительны к посторонним примесям, которые могут попадать в раствор из анодов и материалов подвесок. Поэтому электролит подвергают постоянной фильтрации. Чем больше кислотность и температура раствора (электролита), тем при большей плотности тока и с большей скоростью можно вести процесс никелирования.

При химическом никелировании деталь погружают в нагретый до 85 ... 95° С раствор и выдерживают в нём без применения электрического тока. осаждение никеля происходит за счёт его восстановления из водного раствора солей никеля с помощью восстановителя - гипофосфата натрия. Такое покрытие является гладким и твёрдым, так как оно есть сплав никеля с фосфором. После термообработки (нагрев до 400° С) твёрдость корки возрастает в 2 раза, то есть примерно до 10000 МПа.

Для химического никелирования чаще применяют кислые растворы, где, например, содержатся следующие компоненты: 1) 30 г/л никелевой соли NiCl₂ × 6H₂O или NiSO₄ × 7H₂O; 2) 10 г/л гипофосфат натрия; 3) 10 г/л уксуснокислого натрия. Кислотность раствора должна быть pH = 4,5 ... 5,0. Температура никелирования 90 ... 92° С. Плотность загрузки ванны 1 ... 1,5 дм²/л. Скорость осаждения составляет 10 ... 15 мкм/ч.

Главные достоинства данного способа: 1) простота; 2) равномерность толщины корки. Недостатки: 1) низкая производительность; 2) изменение концентрации (обычно раствор не корректируют, а заменяют).

ТЕМА № 15. Цинкование

Данный процесс применяется для защиты стальных и чугунных деталей от коррозии. Следует иметь в виду, что в морской воде и других средах, содержащих сернистые соединения, цинковые покрытия нестойки.

Так как в обычных условиях цинковая корка является анодом относительно железа, то коррозионному разрушению подвергается именно цинк. Скорость его коррозии составляет примерно 1 ... 1,5 мкм/год. То есть для того, чтобы изделие было работоспособно 8 ... 10 лет толщина цинковой корки должна быть от 10 ... 15 мкм.

Обычно цинкованию подвергают трубопроводы, пружины, крепёжные детали, элементы электрооборудования. Если же детали работают в условиях трения, то цинковое покрытие непригодно.

Для цинкования используют кислые, цианистые, цинкатные и аммиакатные электролиты.

Компонент электролита и режима	1	2	3	4	5	6
1. Цинк сернокислый ZnSO4, г/л 2. Натрий сернокислый Na2SO4 3. Алюминий сернокислый Al2(SO)3 4. Декстрин 5. Дисульфонафталиновая кислота 6. Цинк хлористый ZnCl2 7. Натрий хлористый NaCl 8. Аммоний хлористый 9. Окись цинка ZnO 10. Натрий цианистый 11. Натрий едкий NaOH 12. Станнат натрия NaSnO3 13. Борная кислота 14. Клей мездровый Температура t° C Плотность тока Dк А/дм^2: без перемешивания с перемешиванием Кислотность pH Выход по току a %	200 ... 300 50 ... 100 30 8 ... 10 – – – – – – – – – – 15 ... 25 1 ... 2 3 ... 6 3,5 .. 4,5 95 ... 98	215 ... 430 50 ... 100 30 ... 35 – 2 ... 3 – – – – – – – – – 15 ... 25 – 3 ... 8 3,5 .. 4,5 98 .. 100	– – – – – 135 ... 150 200 ... 250 20 ... 25 – – – – – – 40 ... 60 – 50 3 ... 4 98	– – – – – – – – 40 ... 45 80 ... 85 40 ... 60 – – – 15 ... 30 1 ... 4 5 ... 8 – 70 ... 80	– – – – – – – – 8 ... 10 – 70 .. 100 0,25 ... 0,5 – – 50 ... 60 0,5 .. 1,2 2 ... 2,5 – 95 ... 96	– – – – – – – 200 ... 300 10 ... 20 – – – 25 ... 30 1 ... 2 15 ... 30 0,5 .. 1,5 – 5,9 .. 6,5 97 ... 98

Электролиты № 1 и 2 - сернокислые (сульфатные); № 3 - хлористый; № 4 - цианистый; № 5 - цинкатный и № 6 - аммиакатный. Электролиты с № 1 по № 3 являются кислыми, а с № 4 по № 5 - щелочными. Первые обладают плохой рассеивающей способностью. Корки из этих электролитов имеют грубую структуру и сравнительно невысокую коррозионную стойкость, но допускают более высокую плотность тока D_к по сравнению с щелочными.

Покрытия из кислых электролитов имеют светлый цвет, они пластичны, то есть допускают различную механическую обработку, а также имеют прочное сцепление с основным металлом. Поэтому их широко применяют для покрытия малорельефных деталей.

Щелочные электролиты обладают хорошей рассеивающей способностью, а покрытия из них - высокой коррозионной стойкостью. Однако сами эти электролиты менее устойчивы и производительны. Их применяют для цинкования деталей сложной формы. Так, например, корки из цианистого электролита № 4 обладают наивысшей коррозионной стойкостью, но сам электролит чрезвычайно ядовит. Поэтому его часто заменяют цинкатным № 5 или аммиакатным № 6.

Для цинкования применяют растворимые цинковые аноды Ц0, Ц1 и Ц2, которые периодически очищают травлением, то есть изменением полярности, или щётками.

Толщина цинковой корки обычно составляет от 10 до 30 мкм. Противокоррозионные свойства цинковых покрытий повышают с помощью специальной химической обработки, а именно, хроматирования (пассивирования) или фосфатирования. В первом случае на поверхности создаётся плёнка хроматных солей цинка, а во втором - фосфатных солей цинка.

В конце обработки оцинкованные детали подвергают обезводороживанию в сушильных шкафах при температуре 150 ... 180° С в течение 2 ... 3 часов.

ТЕМА № 16. Меднение

Данный технологический процесс, во-первых, позволяет предохранить стальные детали от спекания при действии высоких температур. Поэтому меднению подвергают болты и гайки, крепящие выпускные коллекторы ДВС, штуцеры тормозных цилиндров самоходных машин и т.п. Во-вторых, меднение применяется для защиты поверхностей от науглероживания при цементации. В-третьих, - в качестве приработочного слоя в ответственных парах трения, например, в паре “поршневое кольцо - цилиндр двигателя”. В-четвёртых, слой меди наносится на поверхности деталей перед их пайкой. Также покрытие меди применяется в качестве подслоя перед никелированием или хромированием, что улучшает сцепление последних.

Для меднения применяют кислые и щелочные электролиты. Например, наиболее простой сернокислый электролит включает в себя следующие компоненты: 1) медный купорос CuSO₄ в концентрации 200 ... 250 г/л; 2) серная кислота H₂SO₄ - 50 ... 70 г/л; 3) вода H₂O. Температура электролита при меднении поддерживается в диапазоне 15 ... 25° С. Плотность катодного тока D_к = 1 ... 4 А/дм². Выход по току составляет a = 95 ... 98 %. Используют растворимые аноды из электротехнической меди марок М0 и М1.

Кроме указанного электролита также применяют пирофосфатные и этилендиамидные электролиты.

Обычно толщина медного слоя на деталях после меднения составляет 3 ... 50 мкм.

ТЕМА № 17. Термохимические покрытия

Кроме рассмотренных гальванических процессов, для антикоррозионной защиты деталей машин также применяют термохимические процессы, например, оксидирование и фосфатирование.

В первом случае поверхность детали покрывается плёнкой окиси железа Fe₃O₄ , имеющий чёрный или тёмно-коричневый цвета в зависимости от химсостава стали. Для нанесения таких плёнок используют щелочные растворы NaNO₂ и NaNO₃ при нагреве до высоких температур. Например, раствор может иметь следующую рецептуру: 1) едкий натр NaOH в концентрации 650 ... 700 г/л; 2) азотнокислый натрий NaNO₃ - 200 ... 250 г/л; 3) азотистокислый натрий NaNO₂ - 50 ... 70 г/л. Температура для среднеуглеродистых сталей 135 ... 138° С, а для высокоуглеродистых и легированных сталей 140 ... 142° С. Длительность процесса составляет от 30 до 90 минут, где большие значения для легированных сталей. Толщина оксидных плёнок получается 0,6 ... 1,5 мкм. После оксидирования детали промывают в мыльных растворах, затем в чистой воде и в заключении прогревают в машинном масле при температуре 110 ... 120° С, что позволяет удалить из пор плёнки влагу и заполнить их маслом.

Фосфатирование - это процесс формирования на поверхностях детали плёнок, состоящих из нерастворимых соединений фосфорной кислоты. Цвет покрытия бурый или светло-серый толщиной от 7 до 42 мкм. При этом несколько увеличивается (на 1 ... 2 класса) шероховатость поверхностей. Фосфатные плёнки - пористые и хорошо удерживают масло. Поэтому фосфатирование эффективно не только как противокоррозионное мероприятие, но применяется и для улучшения приработки сильно нагруженных деталей, работающих при высоких температурах, например, стальные распределительные валы ДВС.

Фосфатирование осуществляют при температуре 95 ... 98° С в растворах специальных комплексных солей под названием “МАЖЕФ” nFe(H₂PO₄)₂×mMn(H₂PO₄)₂, а также в растворах монофосфата цинка.

На существующих производствах также применяют оксидофосфатирование (бесщелочное оксидирование), то есть в кислых растворах. При этом получаются оксидофосфатные плёнки, которые по своим противокоррозионным и механическим свойствам значительно превосходят обычные оксидные и фосфатные. Цвет этих покрытий от чёрного до серо-коричневого в зависимости от марки стали. Толщина плёнки 1 ... 3 мкм. Состав раствора примерно следующий: 1) азотнокислый цинк Zn(NO₃)₂×6H₂O в концентрации 20 ... 30 г/л; 2) азотнокислый барий Ba(NO₃)₂ - 10 ... 40 г/л; 3) монофосфат цинка Zn(H₂PO₄)₂ - 15 ... 25 г/л. Температура раствора 90 ... 95° С. Время процесса 15 ... 20 минут. В заключении, также как после оксидирования или фосфатирования, следует промывка и прогрев в масле.

ТЕМА № 18. Восстановление деталей и узлов с помощью

полимерных материалов

В современном машиностроительном производстве и при ремонте машин получили широкое применение анаэробные материалы (герметики). В упакованном состоянии (в тубах) они могут храниться в жидком, а точнее в пастообразном состоянии без изменения свойств длительное время, но под воздействием воздуха полимеризуются и превращаются в резиноподобное тело.

Герметики применяют для уплотнения стыков между сопрягаемыми деталями, для укрепления резьбовых соединений, для заделки трещин, склеивания и других целей. Многие анаэробные материалы не чувствительны к воздействию воды, ТОСОЛа, минеральных масел, моторного топлива, растворителей. Большая часть герметиков не токсична для человека и обеспечивают надёжную антикоррозионную защиту деталей. После затвердевания они сохраняют свои свойства очень долго (десятилетиями). Способны работать при температурах от -60 до +250° С и давлениях до 35 МПа. Например, иногда лучше устанавливать подшипник на вал с помощью герметика, а не по прессовой посадке. При этом отсутствуют внутренние напряжения в сопрягаемых деталях и не происходит смятия микронеровностей на поверхностях.

На качество уплотнения стыка герметиком влияет чистота поверхностей, вид материалов, форма и размеры деталей, а также температура. Большинство герметиков при комнатной температуре быстро полимеризуются - примерно за 15 ... 20 минут. Но есть и такие, которые достаточно быстро застывают и при -10° С. В лубом случае перед нанесением герметика сопрягаемые поверхности тщательно очищаются и обезжириваются бензином, ацетоном и т.п. растворителем.

Следующая таблица характеризует свойства некоторых анаэробных материалов.

Материал	Кинематическая вязкость при 20° С n, мм^2/с	Предел прочности на сдвиг sв, МПа	Наибольший уплотняемый зазор d, мм	Диапазон температур эксплуатации, ° С
ДН-1 ДН-2 Анатерм-4 Анатерм-5МД Анатерм-6 Анатерм-6В Анатерм-8 Анатерм-17 Анатерм-18 Анатерм-125Ц	100 ... 150 1000 ... 3000 120 ... 180 400 ... 700 15000 ... 30000 4000 ... 8000 15000 ... 30000 4000 ... 6000 то же 100 ... 200	10 ... 16 8 ... 14 3 ... 6 то же 8 ... 15 8 ... 16 2 ... 8 0,5 ... 3 2 ... 4 1,5 ... 7	0,15 0,3 0,15 0,25 0,45 0,4 0,45 0,35 0,4 0,15	-60 ... +150 то же -90 ... +120 -60 ... +150 то же -“- -“- -“- -“- -90 ... +120
Герметики ускоренного затвердевания
Анатерм-17М Анатерм-50У Унигерм-2М Унигерм-6 Унигерм-7 Унигерм-8 Унигерм-9 Унигерм-10 Унигерм-11	2000 ... 6000 40 ... 60 100 ... 300 то же 100 ... 200 то же -“- -“- 400 ... 700	0,5 ... 3 5 ... 9 3,3 ... 5,6 10 ... 14 15 ... 22 10 ... 14 10 ... 16 12 ... 16 7 ... 18	0,4 0,1 0,15 0,3 0,15 0,45 0,3 то же 0,2	-50 ... +150 то же -60 ... +150 то же -“-

Для ускорения затвердевания герметиков иногда используют активаторы, например, К-101М или КВ.

Клеевые технологии нашли широкое применение в ремонтном производстве. С помощью клеев герметизируют трещины длиной до 150 мм, заделывают пробоины площадью до 3 см², устраняют течи, сколы и другие дефекты. Клеями ремонтируют не только корпусные детали, но и рамные конструкции, а также кузовные панели, восстанавливают изношенные поверхности как плоские, так и цилиндрические.

Ремонт с помощью клеев имеет следующие преимущества перед сваркой, пайкой и т.п. методами: 1) возможность соединения разнородных материалов, например, пластик с металлом; 2) отсутствие внутренних термических напряжений; 3) отсутствие короблений; 4) не изменяются свойства соединяемых материалов; 5) высокая герметичность соединений; 6) простота технологического процесса, что обуславливает низкую себестоимость.

Наиболее широко применяются эпоксидные клеи. Это связано с их высокой прочностью, химической нейтральностью, малой усадкой при затвердевании. Армирование эпоксидных смол стекловолокном и иными материалами ещё в большей степени расширяет их диапазон применения. Например, можно заделывать пробоины до 50 см². Эти материалы пригодны для использования в диапазоне температур -70 ... +120° С. Основной недостаток эпоксидных клеев - токсичность до затвердевания.

При ремонте также широко применяют акриловые, цианакриловые и силиконовые клеи. Причём, два последних являются быстро затвердевающими.

Марка клея	время схватывания, мин	прочность sв, МПа	температурный диапазон, ° С
АН-103 АН-111 АН-105АБ АН-106АБ АН-110АБ КВ-401	20 10 3 3 1,5 0,5	30 то же -“- 35 30 5	-60 ... +120 -60 ... +150 то же -60 ... +175 -60 ... +150 -40 ... +80
Цианакриловые клеи
ТК-200 ТК-201 ТК-300 КМ-200 МИГ	1 то же -“- -“- 3	10 то же -“-	-60 ... +125 то же -40 ... +100 то же -60 ... +200

Лучший импортный клей-герметик Silicon AP 2404559 фирмы MOLIKOTE AP. Он обеспечивает прочное соединение и герметичность стыка в диапазоне температур -50 ... +220° С.

Одним из перспективных способов восстановления деталей машин является холодная молекулярная сварка (ХМС), где сварочный шов формируется без нагрева материалов, а с помощью специальных композитных веществ, например, РЕКОМ, ПЛАСТМЕТАЛЛ и др. эти материалы представляют собой смеси из порошков никеля, хрома, цинка, других металлов и полимеров называемых олигомерами. Причём смесь металлов составляет 70 ... 80 %. Полимеры при затвердевании образуют объёмные полимерные решётки высокой прочности, обладающие свойствами металлов, которые можно обрабатывать в отличие, например, от эпоксидных клеев.

С помощью ХМС можно получать высокопрочные соединения деталей из разных материалов, восстанавливать размеры и форму изношенных деталей, наносить на рабочие поверхности деталей износостойкие самосмазывающиеся покрытия, устранять трещины и сколы. При этом не требуется термическая и механическая обработка, не выделяются токсичные вещества. Работы могут производиться в полевых условиях.

Композит для ХМС готовят непосредственно перед применением также как и эпоксидные клеи. При этом смешивают два или более компонентов.

Например, весьма прост и эффективен метод ХМС для восстановления сорванной резьбы в корпусной детали. Так поверхность резьбы нового болта покрывают специальной разделительной жидкостью для недопущения сцепления его с композитом. Затем сверху наносят слой ХМС и болт вворачивают в повреждённое резьбовое отверстие.

Аналогично восстанавливают шпоночные и другие соединения. Данная технология эффективна для восстановления штоков гидроцилиндров СДМ, кузовных панелей автомобилей, устранения течей радиаторов и ёмкостей нефтепродуктов. При этом , в отличие от традиционных методов (сварки, пайки и т.п.), не требуется разборка и слив жидкости.

При ремонте ХМС не возникают внутренние напряжения в деталях и не повреждаются существующие сварные швы. Но высокое качество восстановления деталей с помощью ХМС возможно только при правильном подборе материалов.

Параметр полимера	“Универсал”	“Керамик-Т”	“УНИРЕМ”	“РЕКОМ-Б”
Плотность, кг/м^3 Время схватыв., мин. : при 20° С при 150° С Прочность, МПа: при сжатии при изгибе при сдвиге при растяжении Твёрдость, МПа Рабочие температуры, ° С Коэффициент трения	2200 50 10 52 нет данных 14 нет данных 1,4 -70 ... +200 нет данных	1600 нет данных 40 56 нет данных 20 нет данных 1,8 -50 ... +180 нет данных	1000 200 20 110 нет данных то же -“- 150 -20 ... +150 нет данных	2140 30 5 100 70 20 45 12 -70 ... +150 0,06

Материал “РЕКОМ-Б” превосходит по своим свойствам все импортные аналоги. На его базе разработаны другие:

“РЕКОМ-В” - для адгезии (прилипания) к влажной поверхности;

“РЕКОМ-М” - для адгезии к масляной поверхности;

“РЕКОМ-Ж” - обладает повышенной термостойкостью;

“РЕКОМ-И” - обладает повышенной износостойкостью;

“РЕКОМ-О” - полимеризуется при отрицательных температурах;

“РЕКОМ-Супер” - имеет все перечисленные свойства.

Материал “УНИРЕМ” успешно применяется для ремонта радиаторов, блоков цилиндров ДВС, трубопроводов и глушителей.

В качестве разделительного материала для ХМС используют двухпроцентный раствор полиизобутилена (сырая резина) в бензине.

Повышение температуры при затвердевании ХМС существенно увеличивает её прочность. Поэтому рекомендуется следующий тепловой режим отвердевания: 1) 3 часа при температуре 20° С; 2) 3 часа при температуре 80° С.

ТЕМА № 19. Электрофизические методы обработки деталей

В настоящее время в машиностроительном производстве и ремонте всё шире применяются электрофизические методы обработки деталей машин.

Один из таких методов - механико-термический, который заключаются в механическом воздействии инструмента на заготовку и одновременном местном нагреве металла с помощью электрического тока с параметрами: сила тока I = 350 ... 1000 А; напряжение U = 2 ... 6 В.

В связи с малой площадью воздействия металл быстро разогревается до температуры 800 ... 900° С, то есть становится пластичным и легко деформируется инструментом. Сочетание теплового и механического факторов воздействия на деталь приводит к изменению структуры и свойств её поверхностного слоя, а именно повышается твёрдость и износостойкость.

Часто электромеханическую обработку применяют для тел вращения вместо шлифования, например, так обрабатывают шейки валов. В качестве инструмента используют свободно вращающийся ролик или пластину в виде резца, к которым подводится электрический ток. Данная обработка осуществляется на токарном станке со сварочной приставкой. Усилие прижатия инструмента к детали составляет F_сж = 700 ... 1200 Н, окружная скорость v = 2 ... 8 м/мин, подача s = 1 ... 5 мм/об, число проходов i = 1 ... 2.

После такой электромеханической обработки поверхность упрочняется на глубину до 0,15 мм. При этом твёрдость поверхности увеличивается в 1,5 ... 2 раза. Почти в 2 раза увеличивается предел выносливости s_r. Улучшается на 1 ... 2 класса шероховатость.

Также применяется электроискровая обработка, где используется способность электрических искровых разрядов разрушать поверхностный слой металла.

Чаще всего применяется конденсаторная схема для реализации данного метода.

Деталь является анодом, а подвижный пуансон - катодом. Они получают электрический ток от генератора постоянного тока мощностью N » 5 кВт и напряжением U = 110 ... 220 В. Винтовая передача к пуансону, переменные резистор R и конденсатор C служат для регулировки режима обработки.

Обрабатываемая данным методом деталь может быть изготовлена из любого металла и сплава, а инструмент (пуансон) - из меди, латуни, чугуна или алюминиевого сплава.

Разрушение заготовки под инструментам происходит в результате действия многочисленных искровых разрядов между катодом и анодом. Причём в искровом разряде металл анода (детали) переходит в жидкое и газообразное состояния. В результате очень быстрого, буквально за микросекунду, расширения паров металла происходит микро взрыв и жидкая фракция этого металла сбрасывается с поверхности детали. Чтобы не было переноса металла на катод, процесс обработки осуществляется в диэлектрической жидкости, в качестве которой используют керосин или минеральное масло. Поэтому частицы металла оседают на дне ванны, в которую помещена обрабатываемая деталь.

Электроискровую обработку применяют для прошивки отверстий в особо твёрдых металлах, удаления из отверстий сломанных свёрл, метчиков, болтов, а также вырезки фасонных отверстий.

Электроискровой метод также применяется для наращивания (металлизации) и упрочнения поверхностей деталей из твёрдых сплавов. В этом случае установка дополнительно содержит электромагнитный вибратор, а схема выглядит следующим образом.

Электроискровое наращивание применяют для восстановления шеек валов, поверхностей штампов, режущего инструмента и др.

Для обдирочно-шлифовальных работ и резки особо твёрдых металлов используют бесконденсаторные установки

В данной установке с помощью щёток электрический ток подаётся к заготовке и к отрезному диску. Напряжение электропитания составляет U = 3 ... 6 В, сила тока I » 200 А.

Анодно-механическая обработка основана на анодном растворении металла в электролите и удалении продуктов электрохимической реакции. Схема установки для реализации данного метода следующая.

В качестве электролита, подаваемого в зону резания, применяют жидкое стекло, а в качестве инструмента могут использовать не только металлический диск, но и металлическую ленту и даже проволоку.

В данном процессе кроме электрохимического растворения детали в кремнийорганической кислоте, имеет место эрозионное разрушение поверхности детали в результате электрических разрядов в зоне контакта инструмента и заготовки.

С помощью анодно-механической обработки отрезают заготовки, прорезают пазы, обрабатывают очень твёрдые сплавы, затачивают твёрдосплавный инструмент.

ТЕМА № 20. Проектирование технологических процессов