Разработка технологии восстановления гильз цилиндров ДВС

 

СH – источник питания для зарядки  конденсатора; R – резистор; C – конденсатор; SW – выключатель; EW – металлическая  проволока; B – напыляемая гильза

 

где S – площадь сечения металлической  проволоки, мм2; l – длина металлической проволоки, мм; С – емкость конденсатора, Ф; U – напряжение зарядного тока, В; f – собственная частота колебаний электроразрядной цепи, Гц; K1, K2 – постоянные, определяемые материалом проволоки; K1=(1…3) 10-3; K2=4.

 

Расстояние l от поверхности изделия до расплавляемого конца металлической проволоки определяется через ее диаметр d и выражается в следующем виде: l=30d.

 

При разряде в оптимальном режиме около 40% массы проволоки превращается в газ, а остальные 60% – в капли  расплавленного металла, сталкивающиеся с поверхностью основного материала. Образующиеся при взрывном разряде капли напыляемого металла можно разделить на две группы, к одной из которых относятся частицы размером несколько микрометров, а к другой – размером несколько сотых долей микрометра. Покрытие образуется за счет осаждения на поверхности частиц первой группы, тогда как частицы второй группы улетучиваются, превращаясь в аэрозоли. При недостаточном уровне энергии разряда металлическая проволока расплавляется без взрыва, а при чрезмерном уровне энергии – полностью переходит в газообразное состояние. И в том и в другом случае напыление невозможно.

 

Своеобразие электроимпульсного нанесения  покрытий связано с особо малым  размером частиц в мелкораспыленном состоянии напыляемого материала. При температуре распылений, которая, как считают, близка к точке кипения металла проволоки, все частицы в мелкораспыленном состоянии нагреваются равномерно. При столкновении с поверхностью основного материала скорость движения частиц достигает нескольких сотен метров в секунду. Движение частиц к основному материалу происходит за счет резкого расширения газа при взрыве и вытеснения воздуха из зоны взрыва, что почти полностью исключает окисление частиц, а следовательно, обеспечивает получение плотного покрытия с высокой прочностью сцепления с основным материалом. Недостаток электроимпульсного напыления состоит в том, что этот способ непригоден для восстановления гильз с большой величиной износа, так как данным способом невозможно получение покрытий большой толщины.

 

3.4.4 Восстановление электролитическими  покрытиями

 

Сущность способа состоит в  том, что при прохождении постоянного  электрического тока через раствор-электролит в нем образуются положительно и  отрицательно заряженные ионы. Положительно заряженные ионы перемещаются к отрицательному электроду-катоду, которым является металлическая деталь, и осаждаются на ее поверхности, прочно с ней сцепляясь. Отрицательно заряженные ионы перемещаются к положительному электроду-аноду и выделяются на нем. В качестве электролитов, как правило, применяются водные растворы солей, кислот и щелочей. [8]

 

Количество веществ, выделившихся при электролизе, пропорционально  количеству электричества, прошедшего через раствор. Количество вещества в граммах, выделяемого из электролита при прохождении через, него тока в 1 ампер в течение часа, называется электрохимическим эквивалентом данного вещества (с, г/A-ч). Плотность тока (DK, A/дм2) называют отношение силы тока к покрываемой или обрабатываемой поверхности детали.

 

Осажденные при электролизе металлы отличаются по своим свойствам от литых металлов тем, что кристаллическая решетка их искажена вследствие различных условий кристаллизации. Изменяя режим электролиза (плотность тока, температуру и состав ванны), можно в значительной степени изменить и механические свойства осажденных металлов.

 

Образование покрытий высокого качества во многом зависит от рассеивающей и кроющей способности гальванической ванны. Под рассеивающей способностью понимают степень равномерности  металлического осадка на различных частях покрываемой детали, имеющей неправильную форму. Под кроющей способностью понимают возможность ванны покрывать имеющиеся на катоде углубления. Улучшить рассеивающую и кроющую способность ванны можно конструкцией подвески для деталей и формой анодов, а также применением экранов.

 

Наибольшее распространение при  восстановлении деталей нашли электролитические (гальванические) процессы хромирования и осталивания.

 

Хромирование. Применяется в тех  случаях, когда покрытие должно иметь  очень высокую твердость и износостойкость. Электролитический хром обладает твердостью от НВ 400 до НВ 1200, а также высокой износостойкостью, низким коэффициентом трения (0,13 при трении по баббиту и 0,16 при трении по стали), высокой теплопроводностью, низким коэффициентом линейного расширения. Электрохимический эквивалент хрома равен 0,324 г./A – ч.

 

Хромовые электролиты представляют собой растворы хромовой кислоты  Н2СrO4, образующейся при растворении  хромового ангидрида СгО3 в воде. Для осаждения хрома на катоде-детали, в раствор нужно добавить серную кислоту Н2SО4. При этом наилучшие по качеству осадки и наибольший выход хрома по току получаются при соотношении СгО3: Н2SО4= 100. Выход хрома по току очень мал – всего 13–15%. Установлено, что нормальный процесс хромирования обеспечивается, если трехвалентный хром содержится в пределах от 5 до 20 г./л. Это может быть обеспечено, если площадь анодов будет в 1,8–2 раза больше площади катодов-деталей.

 

В качестве анода при хромировании применяют рольный свинец с  добавлением 6–12% сурьмы. В процессе работы ванны аноды окисляются, и их следует периодически очищать. [5]

 

Технологический процесс износостойкого хромирования деталей состоит из следующих  операций [8]:

 

1. Очистка  деталей от масла и грязи.

 

2. Предварительное шлифование для придания деталям правильной геометрической формы и получения необходимой шероховатости.

 

3. Промывка. Детали промывают в горячем  щелочном растворе, протирают венской  известью, промывают в проточной  воде.

 

4. Изоляция  подвески и поверхностей деталей, не подлежащих хромированию. Изолируют обычно цапон-лаком (раствором целлулоида в ацетоне), перхлорвиниловым лаком 9–32 или клеями АК-20 и БФ, которые наносят в 2–3 слоя.

 

5. Навешивание  (установка) деталей на подвеску.

 

6. Обезжиривание.  При химическом обезжиривании детали промывают в бензине или в водном растворе, нагретом до 60–70° С в течение 3–5 мин.

 

При электрохимическом  обезжиривании детали навешивают на подвеску и погружают в ванну  с горячим водным раствором. Раствор  подогревают до 70–75° С и выдерживают в нем детали в течение 5–8 мин при плотности тока 3–10 A/дм2 и напряжении 8–10 B.

 

7. Анодное  декапирование. Производится в  целью удаления с поверхности  обезжиренных деталей, окисных  пленок и выявления структуры  детали. Для этого подвеску с деталями загружают в специальную ванну со слабым раствором серной кислоты в воде (3–5 г./л) и выдерживают в течение 1–2 мин. После этого детали промывают в дистиллированной воде.

 

8. Хромирование. Для получения твердых износостойких  покрытий чаще всего применяют следующий состав ванны и режим хромирования: 150–200 г./л хромового ангидрида и 1,5–2,0 г/л серной кислоты; плотность тока 35–45 А/дм2 и температура электролита 56–58° С.

 

9. Промывка. По окончании процесса  хромирования подвески с покрытыми  деталями промывают в дистиллированной  воде для сбора электролита,  а затем последовательно в  проточной воде, в 3–5%-ном растворе  щелочи для нейтрализации, снова  в проточной воде и наконец  в подогретой до 70–80° С воде.

 

10. Демонтаж (снятие) деталей с подвески  и удаление изоляции.

 

11. Термообработка деталей для  устранения их водородной хрупкости.  Детали обычно нагревают в  сушильных шкафах или в масляной  ванне до температуры 150–220°  С и выдерживают в течение 1,5–2,0 ч.

 

Реверсивное хромирование позволяет  в 2 раза увеличить скорость отложения  хрома, повысить на 1 – 2 класса чистоту  покрытия по сравнению с обычным  хромированием. При реверсивном  хромировании периодически меняют полярность тока: продолжительность катодного периода 10–15 мин, а анодного – 10 – 15 сек. Состав электролита обычный (СгО3 – 200 – 250 г./л и Н2SO4 – 2,0 – 2,5 г/л) при повышении плотности тока до 60 – 150 A/дм2.

 

Струйное хромирование цилиндрических поверхностей валов и осей дает возможность в 4–8 раз повысить производительность процесса, не снижая качества покрытия. При струйном хромировании деталей на специальных установках электролит интенсивно перемешивается и постоянно обновляется в зоне, непосредственно прилегающей к покрываемой поверхности катода.

 

Осталивание. Выход металла по току при осталивании в 5– 7 раз выше, чем при хромировании, и равен 75–95%, а скорость отложения осадка в 10 раз больше (0,4 мм за час). При осталивании  можно получить покрытия толщиной до 2 мм.

 

Для твердого и износостойкого осталивания  обычно применяют хлористые электролиты  следующего состава: хлористое железо FеС12 – 200–500 г./л, хлористый натрий NaС1 – 100 г./л, соляная кислота НС1 – 0,5–0,9 г/л, хлористый марганец MnCl2 –10 г./л. Аноды изготавливают из малоуглеродистой стали. Общая площадь анодов должна быть в 2 раза больше покрываемой поверхности деталей [8].

 

Твердость, вязкость и износостойкость  покрытий при осталивании можно  изменять в широких пределах, изменяя  состав электролита, его температуру и плотность тока. При малой плотности тока и высоких температурах электролита получают мелкозернистые вязкие покрытия. С повышением плотности тока увеличивается твердость покрытий.

 

Технологический процесс осталивания  анологичен хромированию.

 

Недостатком восстановления гильз  электролитическими покрытиями является небольшая толщина наносимого покрытия, большая продолжительность нанесения  покрытия и неравномерность наносимого слоя.

 

 

 

3.4.5 Гальваномеханический способ  восстановления

 

Проведенные исследования показали, что применение гальваномеханического способа при восстановлении деталей машин наиболее полно удовлетворяет требованиям ремонтного производства. Отличительной его особенностью является то, что в процессе электролиза покрываемая поверхность подвергается механическому активированию (царапанию) абразивными или алмазными инструментами в виде лент или брусков, которые перемещаются в межэлектродном пространстве. [6]

 

Механическое активирование способствует снижению перенапряжения разряда  оседаемого металла за счет уменьшения концентрационных ограничений, интенсивного удаления с поверхности катода адсорбировавшихся гидридов, гидроокисей и газообразного водорода. Все это позволяет в десятки раз увеличивать рабочие плотности тока при нанесении хрома, никеля, кобальта, меди и существенно повышать скорость их осаждения.

 

Данный способ представляет собой  разновидность электрохимического хонингования, где в качестве СОЖ  используется электролит для нанесения  соответствующего металла, и сводится к предварительному хонингованию, электроосаждению металла с одновременным хонингованием при незначительном давлении брусков и к окончательному хонингованию для получения необходимой геометрии обрабатываемой поверхности. Таким образом, весь технологический процесс осуществляется с одной установки на одном и том же оборудовании.

 

Постоянное хонингование обрабатываемой поверхности во время электроосаждения, высокая скорость циркуляции электролита  при малом межэлектродном зазоре обеспечивают высокую скорость осаждения металла, которая в 20 – 50 раз выше, чем при стационарных условиях нанесения покрытий.

 

Технологический процесс сводится к обезжириванию, промывке в воде, гальваномеханическому процессу нанесения  покрытий (декапирование 15…85 с, нанесение  покрытия с выходом на режим в течение 8…10 мин, с плавным увеличением Dк и Ра до оптимального), последующей промывке детали в проточной воде, их нейтрализации и ополаскиванию.

 

Разработана и изготовлена технологическая  оснастка для восстановления зеркала  гильзы цилиндра ЯМЗ-238, 236, Д-50 (Д-240). Прошли апробацию в условиях опытного производства технологический процесс и установка для восстановления зеркала гильз цилиндров Д-50 (Д-240), а также произведены стендовые испытания трех серий гильз, восстановленных по разработанной технологии, которые показали высокую работоспособность деталей [7].

 

Недостатком данного способа является сложность приобретения

 

необходимого оборудования, сравнительно высокая стоимость материалов, используемых при восстановлении.

 

3.4.6 Восстановление термопластическим деформированием

 

Способ заключается в нагреве  наружней поверхности гильзы в индукторе  в течение нескольких секунд до температуры 700…7500С и последующем быстром  охлаждении в масле. При этом рабочая  часть гильзы сокращается на величину до 0,1 мм, что позволяет дальнейшей механической обработкой восстановить требуемый размер.

 

Градиент температур создают в  стенке детали непрерывно-последовательно  вдоль оси детали.

 

При создании градиента температур деталь нагревают, например, током высокой частоты, а охлаждают струями воды.

 

Нагрев и охлаждение детали ведут  в процессе перемещения детали, относительно источников со скоростью не более 3–4 мм/с, при этом температуру нагрева  устанавливают не более 870–920 °С.

 

На рис. 3.8 показана установка для осуществления способа.

 

 

 

Рис. 3.8. Схема обработки детали ТВЧ:

 

а – при расположении источников нагрева и охлаждения внутри детали; б – при расположении источника  нагрева снаружи детали, а источника  охлаждения внутри ее; в-при расположении источников нагрева и охлаждения снаружи детали; 1 – восстанавливаемая деталь; 2 – источник нагрева; 3 – источник охлаждения.

 

Способ восстановления изношенной внутренней цилиндрической поверхности  преимущественно стальных и чугунных деталей типа гильз цилиндров двигателей внутреннего сгорания осуществляется путем создания градиента температур посредством воздействия на деталь 1 источника 2 нагрева и источника 3 охлаждения (рис. 3.8), при этом градиент температур создают в стенке детали непрерывно – последовательно вдоль оси детали, нагрев осуществляют, например, током высокой частоты (ТВЧ), а охлаждают, например, струями воды.