Разработка комбинированных методов восстановления и упрочнения изношенных деталей сельскохозяйственной техники на основе

Для окончательной рекомендации по выбору наиболее износостойких покрытий нами проведены сравнительные исследования их износостойкости.

Большинство ответственных деталей машин изготавливается из стали 45 с последующей термообработкой, поэтому нами в качестве эталона при сравнительных испытаниях материалов на износостойкость была выбрана сталь 45. Материалы исследовались в парах трения с чугуном и бронзой. Результаты представлены на рис. 5.

Рис. 5. Результаты сравнительных исследований покрытий на

износостойкость

В результате проведенных экспериментов выявлено, что наименьший износ и лучшую прирабатываемость имели сплавы Fe-Mo, затем сталь 45, закаленная посредством нагрева ТВЧ с последующим низкотемпературным отпуском и электролитическое железо. При испытании в паре с чугуном износ всех покрытий был ниже, чем в паре с бронзой. Износостойкость электроосажденного легированного железа к стали 45 составила: для сплава Fe-Mo – 170 % при работе в паре с чугуном и 156 % – в паре с бронзой; для сплава Fe-W - 165 % при работе в паре с чугуном и 153 % – в паре с бронзой; для сплава Fe-P – 121 % при работе в паре с чугуном и 112 % – в паре с бронзой.

Полученные данные указывают на целесообразность легирования электролитического железа молибденом, поскольку оно при граничном трении имеет недостаточно высокие прочностные показатели. По нашему мнению, при граничном трении увеличивается интенсивность образования окисных пленок при высокой скорости их разрушения. Это подтверждается тем, что при наименьших значениях температуры и коэффициента трения электролитическое железо имеет наибольший износ.

Нами рассмотрены вопросы применения термической и химико-термической обработки для упрочнения электроосажденных двухкомпонентных покрытий на основе железа. Повышение износостойкости и улучшение других прочностных свойств Fe-Mo и Fe-W покрытий может быть достигнуто их цианированием. Установлено, что на толщину диффузионного слоя и на толщину карбонитридной зоны значительное влияние оказывают температура и длительность цианирования. Цианирование сплава Fe-Mo отличается от чистого железа тем, что температура, при которой достигается максимальная глубина карбонитридной зоны, зависит от длительности процесса. Так при длительности процесса 1,5 часа максимум карбонитридов соответствует температуре ~ 873 К, а при длительности цианирования 6 часов этот максимум соответствует уже температурному интервалу 873...973 К. В качестве оптимальной температуры цианирования железного покрытия целесообразно принять температурный интервал 913...933 К, так как при этом наблюдается максимальное значение толщины карбонитридной зоны, которая является наиболее твердой и износостойкой структурной составляющей цианированного слоя. Этот же температурный интервал можно рекомендовать и для железо-молибденового сплава, так как при используемых на практике длительности цианирования 3...5 ч он обеспечивает максимальный размер карбонитридной зоны. При испытании образцов на износостойкость в условиях трения без смазочных материалов установлено, что износостойкость цианированного железа в среднем несколько ниже износостойкости железо-молибденового сплава.

Были проведены сравнительные ударные испытания образцов. Исследовалась ударная вязкость образцов из стали 40Х с железо-молибденовыми покрытиями и упрочненные цианированием. Результаты ударных испытаний показали, что покрытие образцов легированными сплавами практически не приводит к повышению работы излома образцов, их цианирование эту работу снижает. Ударная вязкость образцов с легирующими покрытиями практически не изменилась по сравнению с образцами из стали 40Х после закалки.

Результаты сравнительных стендовых испытаний дизелей СМД-14 с экспериментальными деталями приведены в таблице 3.

Таблица 3. - Износ деталей соединения «валик-втулка» коромысел клапанов (после 800 часов работы)

Покрытие	Износ детали, мм
	Валик	Втулка
Серийные детали	0,0650	0,057
Железо-молибден	0,056	0,054
Железо-молибден+цианирование	0,048	0,056

Эксплуатационные испытания двигателя СМД-14 с экспериментальными деталями, восстановленными железо-молибденовым покрытиями были проведены в хозяйствах Курской области.

Результаты эксплуатационных испытаний показаны на рис. 6.

Рис. 6. Износ валика коромысел после эксплуатационных

испытаний (недоработка 1500 мото-ч):

1 – серийные; 2 – с железо-молибденовыми покрытиями.

Эксплуатационной проверке были подвергнуты также восстановленные железо-молибденовыми покрытиями толкатели и штоки клапанов, распределительный вал двигателей автомобилей ЗИЛ-130 (табл. 4).

Таблица 4. – Результаты экспериментальных испытаний деталей

Деталь	Износ, мкм
	серийные	экспериментальные
Толкатель клапана двигателя ЗИЛ-130	30,0	19,0
Шток клапана двигателя ЗИЛ-130	28,0	18,0
Распределительный вал двигателя ЗИЛ-130	14,0	9,0
Нижняя головка шатуна двигателя ЗИЛ-130	13,0	8,0

В пятой главе «Реализация результатов исследований и их экономическая эффективность» разработаны технологические рекомендации по восстановлению деталей железными легированными покрытиями. Нанесение легированных железных покрытий и их цианирование перспективно для восстановления по упрочняющим технологиям деталей типа «вал - втулка», работающих в условиях абразивного изнашивания. К таким деталям можно отнести штоки клапанов двигателей, толкатели клапанов, распределительные валы двигателей, валики коромысел, золотники гидрораспределителей и др.

Технологический процесс предусматривает следующую последовательность операций:

• очистка деталей от загрязнений;
• механическая обработка поверхностей, подлежащих восстановлению;
• химическое обезжиривание деталей венской известью;
• монтаж деталей в подвесное приспособление;
• изоляция поверхностей, не подлежащих покрытию;
• электрохимическое обезжиривание в электролите следующего состава, кг/м3: едкий натр - 50, тринатрий фосфат - 8, растворимое стекло - 4 при плотности тока 6 А/дм2. Время электрохимического обезжиривания 6 минут: 5 минут обезжириваемые детали являются катодом и 1 минуту анодом;
• промывка подвески с деталями в горячей воде при 343...363 К;
• промывка подвески с деталями в проточной холодной воде;
• анодное травление в 30 % растворе серной кислоты;
• промывка подвески с деталями в холодной проточной воде;
• электроосаждение сплавов;
• промывка подвески с деталями в горячей воде;
• нейтрализация в 10% растворе едкого натрия в течение 30...40 минут;
• демонтаж деталей с подвески;
• сушка деталей;
• механическая обработка;
• контроль качества покрытия.

Электролит должен быть приготовлен на дистиллированной воде. Доливать в процессе электролиза в электролит следует также дистиллированную воду, чтобы избежать накопления посторонних ионов.

Новым является то, что цианированию подвергается электроосажденный слой железо-молибденового покрытия. Температуру цианирования изменяли в пределах 873...923 К, длительность процесса составляла 1...4 часов. При данной температуре и длительности процесса образуется максимальная величина карбонитридного слоя, достигая 0,4 мм. Для цианирования использовали пасту следующего состава (мас.%): желтая кровяная соль 30...45 %; углекислый натрий 8...10%; углекислый кальций 5...10 %; сажа до 57 %.

Данный способ включает в себя следующие операции.

Для получения пасты хорошо перемешенные компоненты, находящиеся в порошкообразном состоянии, разводятся крахмальным клейстером до консистенции густой сметаны. Детали, восстановленные электролитическим железо-молибденовым покрытием, погружают в сосуд с пастой, в результате чего на поверхности детали остается слой пасты толщиной 1,5...2 мм. После сушки при 333...353 К детали с сухим слоем пасты упаковывают в контейнер для цианирования. Для засыпки деталей применяется нейтральный порошковый наполнитель. Контейнер вместе с деталями, упакованными для цианирования, помещают в электропечь, разогретую до температуры цианирования. После прогрева контейнера до 873…923 Ки выдержки при этой температуре контейнер извлекают из печи, снимают с него крышку и высыпают содержимое на решетку. Наполнитель просыпается вниз через отверстия, а детали остаются на решетке. Их вместе с решеткой по возможности быстро погружают в емкость с холодной водой с целью закалки цианированных слоев.

На основании проведенных исследований рациональными условиями являются следующие: электроосаждение железо-молибденового покрытия на переменном асимметричном токе, цианирование в пасте следующего состава (мас.%): желтая кровяная соль 40; углекислый натрий 8; углекислый кальций 8; сажа до 44. Цианирование протекает при температуре 873...923 К. Время процесса цианирования длится 4 часа. Глубина карбонитридного слоя достигает толщины электроосажденного покрытия (0,3...0,4 мм) при микротвердости до 12000 МПа.

Покрытия обладают высокой микротвердостью, по износостойкости превышают показатели сплава Fe-Mo в 2,5...3 раза, что позволяет их использовать для восстановления и упрочнения поверхностей деталей машин при их ресурсной модернизации на сервисных предприятиях.

Технология цианирования железо-молибденовых покрытий внедрена при восстановлении стержней клапанов автомобилей ЗИЛ-130 на Рыльском ремонтном заводе и Краснополянской сельхозтехнике Курской области. Расчеты среднегодового экономического эффекта за счет внедрения восстановления легированными железными покрытиями даны в таблице 5.

Таблица 5. – Среднегодовой экономический эффект от восстановления деталей легированными железными покрытиями

Наименование детали	Годовая программа, шт	Цена новой детали, руб.	Себестоимость восстановления, руб.	Среднегодовой экономический эффект на предприятии, тыс.руб.
Клапан двигателя ЗИЛ-130	1000	160	23,8	136,2
Толкатель клапана автомобиля ЗИЛ-130	1000	63	18,3	44,7
Распределительный вал двигателя Зил-130	1000	1440	320	1100,0