10.2.2. Повышение срока службы деталей путем их восстановления
Существуют различные способы восстановления изношенных деталей СТС. Их разработка и совершенствование в значительной степени зависят от свойств материалов, из которых изготовлены эти детали. Анализ физико-механических свойств и химического состава основных деталей МОД показал, что они удовлетворяют эксплуатационным требованиям только в части общей конструктивной прочности. Характеристики рабочих поверхностей, как правило, не отвечают предъявляемым требованиям. Поэтому основным принципом выбора материалов для восстановления рабочих поверхностей является не сходство химического состава и физико-механических свойств с основным материалом, а соответствие требованиям эксплуатации судовых механизмов. При этом сходства химического состава следует добиваться лишь при заварке трещин, восстановлении геометрических параметров изношенной детали и др. Качество восстановления деталей во многом определяется тем, насколько требования условий эксплуатации удовлетворяются свойствами наращенных (наплавленных) слоев.
Основными способами восстановленияявляются наплавка, электрохимические и газотермические покрытия и др. (рис 10.3.)
Наплавка является самым распространенным способом восстановления деталей на судоремонтных предприятиях. Ее широкое применение объясняется высокими технико-экономическими показателями и возможностью восстанавливать детали самых разнообразных форм и размеров. Наплавкой можно нарастить слой практически любой толщины, различного химического состава и физико-механических свойств. Из разновидностей способов наплавки наибоее широкое применение на СРЗ и судне нашли электродуговая под слоем флюса и в среде защитных газов, а также газовая.
Наплавка под слоем флюса рекомендуется для восстановления деталей с износом более 2мм. Она обеспечивает стабильное качество наплавленного металла и высокую производительность.
Наплавка в среде защитных газов, в основном углекислого газа (СО2), применяется для восстановления различных деталей и обладает рядом преимуществ. Основными из них являются: простота, возможность наплавлять слой металла небольшой толщины, хорошая видимость зоны горения дуги и др. В качестве материала широко используются электродная проволока и лента. Для получения износостойких поверхностей применяют также порошковую проволоку. Основным недостатком наплавки в СО2является значительное (до 15%)разбрызгивание металла.
Рис 10.3. Классификационная схема способов восстановления изношенных деталей судовых механизмов
Газовую наплавку проводят путем расплавления пруткового или порошкового наплавочного материала в газокислородном пламени горелки. В настоящее время при восстановлении и упрочнении деталей широкое применение находит газовая наплавка твердыми порошкообразными самофлюсующимися материалами. Преимуществом этого способа восстановления является возможность получения гладких равномерных по толщине слоев наплавленного металла с минимальным припуском на обработку.
Возможности наплавки еще больше расширяются с применением различных методов упрочнения. Так, в ОНМА разработан новый способ восстановления изношенных стальных деталей, сущность которого заключается в следующем. Изношенная поверхность стальной детали наплавляется материалом близким по химическому составу с основным, затем производится механическая обработка с припуском под упрочнение трением, упрочнение трением и низкий отпуск. На основе этого способа разработан и внедрен на Одесском СРЗ технологический процесс восстановления торцов канавок под поршневые кольца головок поршней судовых МОД. Твердость торцов канавок после упрочнения определяется по предложенной нами формуле:
Hj = H (Li/l)0,3,
где Н- твердость эталонной поверхности;Li,l– непрерывные линейные размеры, перпендикулярные измеряемой и эталонной поверхностям;i = 1, 2, ..., n - номер поверхности, твердость которой измеряют. Эталонная поверхность упрочняется при тех же режимах, что и торцы канавок.
Восстановление деталей газотермическим напылениемсостоит в плавлении исходного материала и переносе его на поверхность детали струей воздуха, плазмы или пламенем некоторых горючих газов и их смесей. Основными разновидностями газотермического напыления, применяемыми для восстановления деталей, являются электродуговая металлизация и газопламенное напыление.
Электродуговая металлизациязаключается в расплавлении исходного материала в электрической дуге и напылении его струей воздуха на поверхность детали. Она отличается высокой производительностью и простотой. Недостатками являются перегрев и окисление напыляемого материала, недостаточная прочность сцепления. Электродуговая металлизация может успешно применяться для восстановления различных деталей, обеспечивая достаточную прочность сцепления с основой.
Газопламенное напылениеотличается простотой, портативностью и мобильностью оборудования, низкими затратами на эксплуатацию, возможностью получать покрытия при низких температурах восстанавливаемых деталей, исключающих термическое влияние на основной материал (напыление без последующего оплавления). Недостатками этого способа являются: невозможность получения покрытий из тугоплавких металлов, значительная пористость и недостаточная адгезия наносимого слоя с поверхностью детали.
Восстановление деталей электрохимическими покрытиямисостоит в осаждении металлов на рабочие поверхности детали из водных растворов соответствующих солей под действием постоянного электрического тока. Достоинствами этого способа являются отсутствие термического воздействия на деталь, возможность получения покрытий различной толщины и с требуемыми физико-химическими свойствами и др. Наряду с этим электрохимические покрытия имеют ряд существенных недостатков: большое потребление питьевой воды, вредное влияние сточных вод на окружающую среду и необходимость в связи с этим строительства очистных сооружений, сложность и недостаточная надежность технологического процесса и др. Из электрохимических или гальванических покрытий наиболее широкое применение для восстановления деталей нашли железнение (осталивание) и хромирование.
Железнение (осталивание)включает следующие операции: механическую обработку перед покрытием, обезжиривание в бензине или щелочном растворе, промывка в горячей и холодной воде, анодная обработка (травление), промывка в холодной воде, железнение, промывка в горячей воде, нейтрализация, измерение детали, механическая обработка.
Преимущество осталивания по сравнению с наплавкой и хромированием заключается в возможности получения значительной толщины покрытия (более 3 мм) без деформаций. Кроме того, при осталивании можно получать разнообразные по твердости покрытия, начиная от 140-225 HV при мягком осталивании, до 500-600 HV (до 520 НВ) - при твердом.
Мягкое осталивание может применяться при восстановлении нетрущихся поверхностей (осталивание наружных поверхностей стальных втулок, "затылков" вкладышей подшипников и др.).
Твердое осталивание может применяться для восстановления валов, пальцев, штоков, клапанов и т.п. Прочность сцепления покрытия с основным металлом достигает 120 МПа (Па=Н/м2).
При необходимости осталенные детали могут быть подвергнуты дальнейшему упрочнению (цементации с последующим упрочнением трением или закалкой, хромированием и др.).
Сущность процесса осталивания (как электрохимического процесса, рассматриваемого при изучении химии) заключается в том, что в ванну, наполненную электролитом, помещают два электрода - катод, которым служит восстанавливаемая деталь, и анод в виде пластины, изготовленной из железа или малоуглеродистой стали. Как и при хромировании, электроды соединяют с источником тока и пропускают через электролит постоянный ток. В процессе электролиза ионы двухвалентного железа разряжаются на катоде, т.е. детали, покрывая ее слоем электролитического железа. Одновременно с осаждение железа на катоде (детали), металл анода растворяется и ионы его поступают в раствор взамен ионов, разрядившихся на катоде.
Основными компонентами электролита как правило являются хлористое железо (до 680 г/л) и соляная кислота (до 3 г/л). В качестве источника тока, как и при хромировании, применяются мотор-генераторы постоянного тока. Перед осталиванием детали и после проводят указанные ранее соответствующие операции.
Продолжительность осталивания (tост) при принятой плотности тока определяют по следующей приближенной формуле, ч:
tост = 100h/Dk,
где h- толщина слоя покрытия, мм;Dk- плотность тока на катоде, А/дм2.
Осаждение ведется при отношении площади анода к площади катода 4:1, температуре раствора 65...850С и плотности тока 10...40 А/дм2. Скорость осаждения составляет 0,15...0,3 мм/ч. Чем больше плотность тока, тем выше скорость осаждения железа. Выход по току для железа - 80% (для хрома - 15%).
Хромированиевключает следующие операции: механическую обработку поверхности, промывку органическими растворителями, изоляцию участков, не подлежащих покрытию, монтаж на подвесные приспособления, обезжиривание, промывку в горячей и холодной воде, декапирование, электроосаждение покрытия. Сущность процесса аналогична осталиванию. При хромировании используют нерастворимые аноды из чистого свинца или сплава его с 7...8% сурьмы. Толщина анодов 8...15 мм. Аноды располагают вокруг восстанавливаемых деталей на расстоянии 40...50 мм. Площади анодов и катодов от 1:1 до 3:1. Свойства хромовых покрытий зависят от катодной плотности тока и температуры электролита.
Основными компонентами электролита универсального электролита являются хромовый ангидрид (250 г/л) и серная кислота (2,5 г/л). Температура раствора - 50...600С, плотность тока - 40...100 А/дм2.
Продолжительность хромирования (tхр) при принятой плотности тока определяют по следующей приближенной формуле, ч:
tхр = 1800h/Dk.
Хромированные детали обезводороживают путем нагрева в масле или в сушильном шкафу при температуре 150-2000С в течение 2-3 ч.
Хромирование применяется для восстановления и упрочнения рабочих поверхностей ответственных деталей, работающих в тяжелых условиях и имеющих износ не более 0,3мм. Его широкое применение обусловлено высокими химической стойкостью и сопротивлением покрытия механическому изнашиванию. В практике судоремонтных предприятий хромированием восстанавливают различные детали ДВС; втулки и цилиндры, поршневые пальцы, шейки коленчатых и распределительных валов, толкатели, плунжеры топливных насосов, штоки клапанов и др.
Железнение (осталивание) по сравнению с хромированием имеет более высокую производительность процесса, возможность нанесения более толстых (до 3мм) покрытий, низкую стоимость и доступность исходных материалов. Однако технологический процесс обеспечивает меньшую износостойкость восстановленных деталей. Поэтому для повышения стойкости стальных гальванических покрытий рекомендуется применять дополнительноцементацию или хромирование поверхностей.
Из других способов восстановления заслуживает внимание восстановление пластическим деформированием и комбинированными способами.
Способ пластического деформированияпредставляет собой процесс перераспределения металла изношенной детали путем ее деформации (обработки давлением) для получения требуемых размеров. Он отличается высокой производительностью и рекомендуется для условий крупносерийного и массового производства. Недостатками способа являются необходимость, как правило, нагрева восстанавливаемой детали до высоких температур для облегчения процесса деформации и применение термической обработки для получения исходной прочности детали после восстановления. При восстановлении изношенных деталей этим способом применяются следующие виды обработки давлением: осадка, вдавливание, обжатие, накатка, раздача и др.
Электроискровое восстановление получает в последнее время все большее распространение. Основными параметрами, характеризующими работоспособность восстановленных слоев электроискровым легированием, являются: адгезия с основным металлом, шероховатость, толщина, сплошность, усталостная прочность, износостойкость, твердость (микротвердость). Вследствие значительной шероховатости и несплошности покрытия получаемой поверхности электроискровое легирование наиболее целесообразно использовать для восстановления неподвижных посадок деталей с износом 0,05—0,4 мм. Исследования работоспособности восстановленных этим способом сопряжений «корпус электродвигателя — шарикоподшипник» доказали большую долговечность по сравнению с восстановленным методом наплавки.
Восстановление комбинированными способамиосуществляют путем сочетания и применения нескольких способов наращивания и упрочнения или совмещения их в одной операции с целью совершенствования технологии восстановления деталей, повышения долговечности восстановленных деталей, снижения затрат на восстановление и др. Совмещение в одной операции, например, наплавки и термомеханической обработки ведет к значительному повышению предела выносливости восстановленных деталей, а образование сглаженного наплавленного слоя позволяет уменьшить припуск на механическую обработку и снизить трудоемкость. Совмещение предварительной механической обработки с наплавкой деталей позволяет существенно улучшить обрабатываемость наплавленного слоя вследствие высокой пластичности в нагретом состоянии.
Сочетание операций наращивания с операциями упрочнения различными технологическими методами позволяет повысить работоспособность восстановленных деталей до уровня новых. Так, упрочнение трением, поверхностное пластическое деформирование и другие методы упрочнения наплавленных образцов повышает предел выносливости.
Широко используется в практике восстановления деталей сочетание наплавки и железнения с хромированием, способствуя в конечном итоге как повышению долговечности восстановленных деталей, так и снижению трудоемкости восстановления. На основании исследований, выполненных в ОНМА разработан и внедрен способ восстановления головок поршней электродуговой наплавкой стандартными сварочными материалами, близкими по физико-механическим свойствам к основному материалу детали, с последующим упрочнением трением торцов канавок поршневых колец и др.
Анализ рассмотренных способов восстановления и упрочнения показывает, что каждому из них присущи определенные преимущества и недостатки, которые могут быть охарактеризованы как количественно, так и качественно, например, пористостью и хрупкостью покрытия, энергоемкостью и производительностью процесса, необходимостью дополнительных производственных площадей и доступностью используемых материалов, уровнем механизации и автоматизации процесса и многими другими. Поэтому для выбора оптимально способа восстановления конкретной детали, условий производства и эксплуатации в ОНМА разработана специальная методика, учитывающая многообразие указанных характе ристик.