Восстановление изношенных деталей

  Рано или поздно, но любой из нас сталкивается с такой ситуацией - какой-нибудь до этого хорошо работавший механизм начинает "барахлить". Чаще всего причиной этого явления служит износ трущихся деталей. Что можно сделать в этом случае? Очевидно, что при наличии нового комплекта этих деталей наиболее простым решением проблемы является их замена. Но чаще всего такой возможности нет и весь этот механизм оказывается на свалке.
  Между тем, в большинстве случаев детали можно восстановить, в итоге - несомненная экономия средств. Итак, восстановление изношенных деталей.

  Сразу оговорюсь, что существует и применяется на практике большое число соответствующих технологий. Однако наибольшее применение нашли различные варианты наплавки, плазменного и вакуумного напыления, гальванических методов. У каждого из этих вариантов имеются как свои достоинства, так и недостатки.
  Так, например, любые из технологий, предполагающие существенный нагрев деталей, особенно локальный, мною, при поиске оптимального процесса, были отвергнуты сразу же. Причина - риск возникновения остаточных напряжений и изменения физико-химических свойств поверхностных слоев материала детали, появления микротрещин как в поверхностных слоях самой детали, так и в объеме покрытия. Это не всегда критично, но, тем не менее, нередко нивелирует ценность самого восстановления детали и приводит, вопреки ожиданиям, к необратимой потере детали.
  Вакуумное напыление предполагает наличие весьма дорогостоящего оборудования и имеет относительно невысокую скорость наращивания слоя металла на восстанавливаемой детали.
  Кроме того, и наплавка, и напыление, не позволяют изменять твердость наращиваемого слоя непосредственно в ходе процесса, что нередко приводит (с учетом некоторых других причин) к недостаточному сцеплению покрытия с основой и, как следствие,- к отслаиванию его при дальнейшей обработке (например, шлифовке). Наконец, существенным недостатком наплавки и напыления являются высокие требования к качеству подготовки поверхности детали к процессу и ее чистоте.
  Традиционная (на постоянном токе, температура 70..90С) гальваника (железнение, никелирование, хромирование) также страдает многими недостатками. Никелирование, например, нельзя применить на деталях со значительным износом и оно не дает высокой твердости покрытия. Хромирование имеет невысокую скорость осаждения. Железнение не обеспечивает надежного сцепления покрытия с основой, особенно с чугуном и высоколегированными сталями.
  Перечисленные выше и некоторые другие причины привели к моему отказу от всех вышеупомянутых технологий.

  На мой взгляд, технология восстановления изношенных деталей должна обладать следующим минимальным набором свойств:

  не требовать применения дорогостоящих оборудования и материалов;

  не оказывать существенного влияния на физико-химические свойства материала детали;

  обеспечивать надежное сцепление покрытия с основой;

  обеспечивать высокую твердость и износостойкость покрытия;

  работать при невысокой (в идеале - комнатной) температуре;

  допускать возможность хотя бы частичной автоматизации процесса.

  Всеми этими свойствами, и даже более, обладает изобретенная еще в 1960-х годах и почему-то до сих пор недостаточно широко распространенная технология холодного железнения на асимметричном переменном токе. В том, что эта технология действительно "работает", мне довелось убедиться своими глазами у ее изобретателей, а затем - и в результате собственных экспериментов.
  Основными свойствами данной технологии являются:

  нет необходимости в дорогостоящих оборудовании и материалах;

  практически не изменяются физико-химические свойства материала восстанавливаемой детали;

  работа проводится при температуре электролита 18..25С;

  возможно регулирование твердости покрытия в пределах 18..62 ед. HRC (без закалки!);

  обеспечивается высокая прочность сцепления покрытия с основой;

  возможно осаждение как железа, так и железо-никелевого сплава, а также, при необходимости, любых других материалов, поддающихся осаждению гальваническим способом;

  возможно восстановление как наружных, так и внутренних поверхностей, на всей площади детали или только части ее, как в ванне, так и, при наличии некоторых приспособлений, вне ее;

  возможно восстановление деталей с износом до 2..3 мм на диаметр;

  возможна автоматизация процесса на уровне управления его режимами.

  Эта технология позволяет не только восстанавливать детали, но и упрочнять их, не прибегая к процессу закалки. Более того, можно даже изготавливать некоторые детали из мягкой стали (типа Ст3, к примеру), затем железнить их, плавно увеличивая твердость покрытия от минимума до требуемой величины. В итоге получим деталь с износостойкой и твердой поверхностью и вязкой сердцевиной, что автоматически исключает возможность того, что эта деталь "лопнет". Износостойкость полученной таким образом детали превышает аналогичный показатель изготовленной традиционным способом в 2..2.5 раза! Можете Вы привести более простую, чем эта, технологию с такими же возможностями?

  Рассмотрим, вкратце, основы этой технологии. Упрощенная схема соответствующей установки выглядит следующим образом:

  Как видно из приведенной схемы, ток, снимаемый со вторичной обмотки трансформатора T1, в один полупериод проходит через диод VD1 и потенциометр P1, в другой - через VD2 и P2.
  Очевидно, что при равных сопротивлениях потенциометров ток на выходе схемы будет иметь симметричную форму. В этом случае количество металла, осажденного на детали, будет равно количеству металла, растворенного с поверхности детали.
  Как известно, осаждение металла на деталь происходит в том случае, если последняя будет иметь отрицательный потенциал, т.е. будет катодом, а растворяемый электрод - положительный, т.е. этот электрод будет являться анодом.
  Из рисунка видно, что величина положительного потенциала детали зависит от сопротивления P1, отрицательного - P2. Таким образом, регулируя соотношение сопротивлений этих потенциометров, можно регулировать соотношение количеств металла, осажденного на деталь и растворенного с нее.

  Наиболее важными параметрами для проведения процесса являются два:

   плотность тока отрицательного (катодного) полупериода, регулируемого с помощью P2,-
  D
к=Iк/S, A/дм2,
где I
к-сила катодного тока (А), S-площадь восстанавливаемой поверхности (дм2);

   катодно-анодное соотношение токов -
  B=I
к/Ia,
где I
к и Iа - силы катодного и анодного токов соответственно.
  Первый параметр влияет на скорость процесса осаждения металла, от второго зависят свойства осаждаемого покрытия. Так, исследованиями установлено, что если начать процесс при В=1.3, а затем постепенно довести этот параметр до В=8..10, то внутренние напряжения покрытия будут развиваться также постепенно, а отсутствие больших внутренних напряжений на пограничном слое (деталь - покрытие) дает возможность получать надежное сцепление покрытия с любой маркой стали и даже с чугуном.
  От катодно-анодного соотношения зависит также и твердость получаемого покрытия. Так, измерения, проведенные с помощью твердомера ПМТ-3, показали, что твердость покрытия можно изменять в пределах от 190 до 630 кгс/мм
2, что соответствует 18..62 HRC, при В=1.3..8. От величины В зависит также структура покрытия и его износостойкость, при этом максимальная величина износостойкости достигается при В=8..10.
  Таким образом, изменяя величины приведенных параметров, можно в широких пределах варьировать свойствами осажденного покрытия. Поскольку ничто не мешает изменению этих параметров непосредственно в ходе процесса, то мы получаем чрезвычайно гибкую и удобную возможность восстановления/упрочнения/изготовления деталей.

  Что необходимо, с практической точки зрения, для применения этой технологии?
  В принципе, список необходимого оборудования можно ограничить приведенным на рисунке выше, добавив только ванны для предварительного пассивирования деталей и финишной промывки. Авторы изобретения использовали сварочный трансформатор ТС-500, диоды В-200, вместо потенциометров - переключаемые рубильниками балластные сопротивления из нихромовой проволоки. По моему мнению, такое решение просто и дешево, но приводит к чрезмерному расходу электроэнергии, поэтому мною было разработано несколько вариантов схем управления процессом, один из первых вариантов Вы можете посмотреть здесь. В ответ на возможные критику и вопросы по схеме сразу скажу, что она разрабатывалась, исходя из трех основных требований - соответствие ее параметров предъявляемым условиям, применение имеющихся под рукой деталей, надежная и стабильная во времени работа. Дополнительно - возможность легкого перехода с больших ванн и групповой загрузки деталей в них на малые ванны с поштучной обработкой деталей без изменения собственно блока управления.

  Если подразумевать под преобразователем тока трансформатор, диоды и схему управления токами, то, в общем случае, список необходимого оборудования выглядит так:

  преобразователь тока;

  ванна для пассивирования деталей;

  ванна для осаждения покрытия;

  ванна для холодной (проточной) промывки деталей;

  необязательно, но желательно, ванна для горячей промывки деталей;

  вентиляция;

  водопровод;

 накопительная канализация.

  Мощность преобразователя тока и размеры ванн определяются, исходя из количества и размеров восстанавливаемых деталей. При этом надо исходить из требуемой плотности тока - при пассивировании до 100 А/дм
2, при восстановлении - до 40 А/дм2.

  Какие материалы и химикаты используются? Их также не так уж много:

  прутковая малоуглеродистая сталь марок Ст3, Ст5, 10, 20 для анодов;

  двуххлористое железо;

  серная кислота;

  иодистый калий;

  соляная кислота;

  хлористый никель, если необходимо;

  защитная мастика, если необходимо нанесение покрытия на часть поверхности детали.

  Кроме того, понадобятся химикаты и индикаторные бумаги для периодического контроля и корректировки состава электролита, желательно наличие pH-метра.
  Приведу, вкратце, последовательность операций при восстановлении изношенных деталей по описанной технологии:

  механическая обработка восстанавливаемых деталей;

  пассивирование деталей;

  холодная проточная промывка;

  осаждение покрытия;

  холодная проточная промывка;

  горячая промывка (если есть);

  шлифовка или расточка под требуемый размер.

  Замечу, что приведенные здесь списки оборудования и материалов, а также последовательность операций ориентированы на нанесение только железа или железа-никеля. Поскольку данная технология, как и любой другой гальванический процесс,- очень легко расширяема и может применяться для массы других покрытий, включая самые экзотические, то списки оборудования, материалов (в особенности), состав и последовательность операций дополняются в зависимости от конкретных требований.

  В завершение этой статьи еще несколько слов. К сожалению, в электронном виде подробное описание этой технологии в моей библиотеке отсутствует, результаты моих работ в этой области представляют из себя неупорядоченный пока набор различных записей, формул, схем и прочей информации, а бумажное описание, приобретенное в свое время у разработчиков, обладает качеством, делающим его непригодным для нормального сканирования. Но если у кого-либо из Вас, уважаемые Подписчики, появится серьезный интерес, то напишите мне, попробуем что-то придумать.

 

 

 

Автор: ...                                                                                                                                2008 г.