Применение порошков, полученных электроэрозионным диспергированием отходов твердых сплавов, при восстановлении и упрочнении деталей автотракторной техники композиционными гальваническими покрытиями

ПРИМЕНЕНИЕ ПОРОШКОВ, ПОЛУЧЕННЫХ ЭЛЕКТРОЭРОЗНОЙНЫМ ДИСПЕРГИРОВАНИЕМ ОТХОДОВ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ, ПРИ ВОССТАНОВЛЕНИИ И УПРОЧНЕНИИ ДЕТАЛЕЙ АВТОТРАКТОРНОЙ ТЕХНИКИ КОМПОЗИЦИОННЫМИ

ГАЛЬВАНИЧЕСКИМИ ПОКРЫТИЯМИ

Е.В. Агеев, В.Н. Гадалов, Б.А. Семенихин, Е.В. Агеева, Р.А. Латыпов, В.И. Серебровский

Аннотация. В статье представлены результаты оценки эффективности применения порошков, полученных электроэрозионным диспергированием отходов твердых сплавов, при восстановлении и упрочнении деталей автотракторной техники композиционными гальваническими покрытиями.

Ключевые слова: отходы твердых сплавов, элек-троэрозионное диспергирование, порошок, композиционные гальванические покрытия.

Восстановление деталей автотракторной техники является важной народнохозяйственной задачей, поскольку обеспечивает экономию высококачественного металла, топлива, энергетических и трудовых ресурсов, а также рациональное использование природных ресурсов и охрану окружающей среды. Широкое применение при ремонте прогрессивных способов восстановления позволяет сэкономить в масштабе страны сотни тысяч тонн металлопроката. Восстановление деталей современной автотракторной техники с высоким уровнем надежности и требуемым ресурсом - сложная и актуальная задача. Эта задача может быть решена за счет применения эффективных методов поверхностного упрочнения при восстановлении деталей машин путем применения специальных износостойких материалов, обеспечивающих получение покрытий с заданными физическими свойствами.

Одним из наиболее универсальных и гибких технологических приемов воздействия на свойства обрабатываемых поверхностей как метод восстановления и упрочнения деталей, работающих в условиях интенсивного изнашивания, является нанесение композиционных гальванических покрытий (КГП). КГП - это покрытия многоцелевого назначения. Суть метода осаждения КГП заключается в том, что вместе с металлом из гальванической ванны на детали осаждают различные порошки: оксиды, карбиды, бориды или сульфиды, а также порошки полимеров, металлов и др. Включение дисперсных материалов в металлическую матрицу значительно изменяет свойства покрытий, а главное - значительно повышает их износостойкость, антифрикционные характеристики, термическую и коррозионную стойкость, что создает предпосылки для широкого применения покрытий в самых разнообразных устройствах. Практические примеры реализации технологии осаждения КГП показали, что гальванические покрытия с дисперсной фазой обладают уникальными свойствами и могут быть использованы для решения разнообразных задач. Метод отличается такими преимуществами, как сравнительная простота нанесения покрытий непосредственно на детали, низкая себестоимость, возможность автоматизации технологического процесса, незначительное влияние покрытий на свойства материала деталей [1 ].

КГП получают различными способами, но наиболее часто - из гальванической ванны. В простейшем варианте в ванну заливают электролит, засыпают порошок, перемешивают, устанавливают аноды, закрепляют на катоде деталь; дисперсную фазу поддерживают во взвешенном состоянии или транспортируют к катоду. При пропускании через суспензию электрического тока на детали образуется покрытие.

Установлено, что КГП можно получить из многих известных электролитов, но наиболее легко КГП образуются из электролитов меднения, серебрения, никелирования и железнения.

Применительно к условиям ремонтного производства нанесение гальванических покрытий (в том числе и КГП) может решать три основные задачи:

- нанесение металлопокрытий на изношенные поверхности при восстановлении деталей и их упрочнении (хромирование, железнение, никелирование);

- нанесение металлических и других покрытий для защиты поверхностей деталей от коррозии (цинкование, кадмирование);

- нанесение защитно-декоративных покрытий (хромирование, никелирование).

С точки зрения обеспечения надежности и долговечности отремонтированных деталей машин автотракторной техники, первая задача является наиболее важной. При ее решении следует исходить из того, что способ восстановления должен обеспечивать восстановление геометрической формы и размеров изношенных поверхностей и служебных свойств деталей при минимальных затратах труда и материальных средств.

В условиях ремонтного производства гальваническим путем наращиваются металлы главным образом на поверхности, утратившие свои первоначальные форму, размеры и некоторые служебные свойства в результате естественного износа.

Наибольшее распространение при восстановлении автомобильных деталей имеют: хромирование и железнение. Учитывая, что при хромировании могут быть наращены покрытия толщиной до 0,2-0,5 мм, а при железнении - 1,0-1,5 мм и даже более, то процесс железнения обеспечивает возможность восстановления деталей практически при любой величине их износа. Именно поэтому железнение нашло более широкое применение в ремонтном производстве для восстановления изношенных деталей автотракторной техники, чем хромирование.

Процесс железнения обладает хорошими техни-ко-экономическими показателями: низкая стоимость исходных материалов; высокий (85-95%) выход металла по току; высокая (0,2-0,5 мм/ч) скорость осаждения железа; толщина твердого покрытия может достигать 1,0-1,5 мм; возможность в широких пределах получать свойства покрытий (микротвердость 1600-7800 МПа) в зависимости от их назначения обусловливает универсальность процесса; высокая износостойкость покрытий, приближающаяся к износостойкости закаленной стали; достаточно низкая себестоимость восстановления деталей. Учитывая вышесказанное, наиболее перспективным электролитом для нанесения КГП при восстановлении деталей машин является электролит железнения.

Для железнения применяют сернокислые и хлористые электролиты, причем обе группы делятся на холодные и горячие. В ремонтном производстве наиболее пригодны горячие хлористые электролиты из-за качества и скорости осаждения осадков. Горячие хлористые электролиты содержат хлористое железо (РеС12-4Н20) от 200 до 680 г/л и соляную кислоту (НС1) в количестве 0,6-5,0 г/л. Работают эти элек-

тролиты в зависимости от концентрации хлористого железа при температурах от 40 до 90°С, причем, чем больше железа и свободной соляной кислоты в электролите, тем при более низкой температуре он способен работать. В литературе можно найти указания

о применении хлористых электролитов с добавками натрия, кальция или магния, вернее - их хлористых солей, но практика показывает, что такие добавки ухудшают работоспособность электролита, поэтому теперь они не применяются. Таким образом, различают простые хлористые электролиты и электролиты с добавками.

В общем случае электролиты железнения делятся на малоконцентрированные с содержанием хлористого железа 200-220 г/л, среднеконцентрированные

- 350-450 г/л и высококонцентрированные - 600-680 г/л. Электролиты средних концентраций по своим показателям являются наиболее удобными в эксплуатации. Они дают возможность получать гладкие высокопрочные мелкозернистые осадки с большой производительностью - до 0,4-0,5 мм в час на сторону, толщиной до 0,8 мм, а при дополнительных мерах толщина может быть доведена до миллиметра. Эти электролиты могут работать при температуре 60°С и не имеют отрицательных качеств, присущих тяжелым электролитам. Концентрация их устойчива, так как катодный и анодный выходы по току у этих электролитов близки, поэтому корректировок практически не требуется. На практике это обстоятельство представляет несомненные удобства, значительно упрощая эксплуатацию ванны.

Таким образом, для получения композиционных гальванических покрытий при восстановлении и упрочнении деталей машин целесообразно использовать простой горячий хлористый электролит железнения средней концентрации.

Однако, во многих случаях прочность и износостойкость железных покрытий оказываются недостаточными для эффективного восстановления тяжело-нагруженных деталей современной автотракторной техники.

Одним из вариантов решения данной проблемы является использование электролита-суспензии на основе железа, включающего порошок карбида вольфрама [1.-С.45]. Карбид вольфрама является основой спеченных твердых сплавов, переработка отходов и дальнейшее использование которых является актуальной проблемой. Твердосплавные пластины нашли широкое распространение в машиностроении. Использование порошков, полученных из отходов твердых сплавов, а не промышленно выпускаемых (достаточно дорогих), в качестве высокотвердой дисперсной составляющей КГП, позволит повысить качество, надежность и долговечность деталей машин с минимумом затрат на порошковые материалы. Промышленные способы получения порошков из отходов твердых сплавов имеют ряд недостатков: крупнотоннажность, энергоёмкость, большие производственные площади, а также экологическими проблемами (сточные воды, вредные выбросы). Более перспективным методом получения порошковых материалов из отходов твердых сплавов является метод электроэрозионного диспергирования (ЭЭД) [2.-С.12-15]. Он отличается относительно невысокими энергетическими затратами и экологической чистотой процесса. Процесс ЭЭД представляет собой разрушение любого токопроводящего материала в результате локального воздействия кратковременных электрических разрядов между электродами.

На разработанной авторами экспериментальной установке электроэрозионного диспергирования (ри-

сунок 1) [3.-С.234-237] методом ЭЭД были получены порошки из отходов твердого сплава марки ВК8. Далее были исследованы их физико-технологические свойства, которые, как показали результаты исследований, мало отличаются от свойств промышленно выпускаемых порошков, а по некоторым параметрам превосходят их и, что немаловажно, они значительно дешевле промышленных.

Рисунок 1 - Общий вид установки ЭЭД

Для получения износостойких покрытий на деталях машин обычно используется электролит-суспензия на основе железа, включающий порошок карбида вольфрама с размерами частиц 1-10 мкм. Недостатком применения данного электролита-суспензии является необходимость в постоянном направленном перемещении частиц дисперсной фазы к катоду, а также относительно невысокая износостойкость и физико-механические свойства полученных покрытий [2.-С. 45, 193].

Данная проблема решается тем, что в качестве дисперсной фазы КГП применяются порошки на основе карбида вольфрама с размером частиц 0,1 мкм и менее (нанопорошки). Данный порошок получали при следующих параметрах установки ЭЭД (процесса диспергирования): напряжение на электродах -120 В, емкость разрядных конденсаторов - 5 мкФ, частота следования импульсов - 700 Гц, расстояние между электродами - 100 мм.

Для получения КГП на основе железа приготавливался простой хлористый среднеконцентрированный электролит железнения следующего состава: хлористое железо (РеС12-4Н20) - 300 г/л, соляная кислота (НС1) - 0,8-1,5 г/л. Затем в приготовленный электролит вводили небольшими порциями и тщательно перемешивали нанопорошок с размерами частиц 0,1 мкм и менее, полученный из твердого сплава марки ВК8, до концентрации 100 г/л. Нанесение покрытий осуществляли при следующих режимах: температура ванны: 60, 75, 90°С; сила тока: 40, 50, 60 А/дм2.

Для получения КГП использовалась разработанная авторами экспериментальная установка (рисунок 2).

Ввиду того, что размер частиц порошка менее

1 мкм, а сам процесс нанесения покрытий, как правило, не занимает более одного часа (из-за высокой скорости осаждения железа), то достаточно предварительного перемешивания электролита-суспензии перед осаждением покрытия и отсутствует необхо-

димость в постоянном направленном перемещении частиц порошка к катоду, чем повышается устойчивость процесса, а, следовательно, увеличивается его технологичность и снижается себестоимость.

Рисунок 2 - Установка для нанесения КГП

Электролит-суспензия с частицами порошка размером менее 1,0 мкм кинетически устойчив и из технологических соображений наиболее пригоден для получения КГП. Под действием частиц порошка размером до 0,1 мкм происходит искажение кристаллической решетки металла подложки. Наибольшую твердость имеют покрытия с явно выраженными дефектами кристаллической решетки. Применение электролита-суспензии, включающего порошок твердого сплава на основе карбида вольфрама с частицами размером до 0,1 мкм, способствует увеличению микротвердости и износостойкости покрытий деталей машин.

Общий вид деталей после восстановления КГП представлен на рисунке 3.

Рисунок 3 - Общий вид деталей после восстановления КГП

В результате проведенных исследований установлено, что применение в качестве дисперсной фазы КГП высокотвердых и износостойких нанопорошков сферической формы на основе карбида вольфрама с размером частиц 10-100 нм позволяет повысить износостойкость покрытий деталей машин в среднем на 20 % (в зависимости от режима нанесения покрытий и, следовательно, концентрации частиц порошка в полученных покрытиях), повысить их ресурс, а также снизить себестоимость нанесения покрытий.

Работа выполнена в рамках реализации Федеральной целевой программы «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы по проблеме «Получение порошковых материалов из отходов спеченных твердых сплавов, их аттестация и применение в технологиях восстановления и упрочнения деталей машин» (гос. регистр. № П601).

Список использованных источников

1 Бородин, И.Н. Порошковая гальванотехника / И.Н. Бородин - М: Машиностроение, 1990. - 240 с.

2 Агеев, Е.В. Выбор метода получения порошковых материалов из отходов спеченных твердых сплавов / Е.В. Агеев, Б.А. Семенихин // Известия Самарского научного центра РАН. - Самара: Изд-во Самарского науч. ц-ра РАН. - 2009. - Спец. вып.: Актуальные проблемы машиностроения,- С. 12-15.

3 Агеев, Е.В. Разработка установки для получения порошков из токопроводящих материалов / Е.В. Агеев, Б.А. Семенихин и др. // Известия Самарского научного центра РАН. - Самара: Изд-во Самарского науч. ц-ра PAH.-2009.-T.il (31), №5(2).-С. 234-237.

Информация об авторах

Агеев Евгений Викторович, кандидат технических наук, доцент кафедры машиностроительных технологий и оборудования Юго-Западного государственного университета. E-mail: ageev_ev@mail.ru. Тел. 8-904-526-55-07.

Гадалов Владимир Николаевич, доктор технических наук, профессор кафедры материаловедения и сварочного производства Юго-Западного государственного университета. E-mail: aadalov vn@mail.ru. Тел. 8-908-128-49-70.

Семенихин Борис Анатольевич, ст. преподаватель кафедры машиностроительных технологий и оборудования Юго-Западного государственного университета. E-mail: borisss@bk.ru. Тел. 8-903-633-75-62.

Агеева Екатерина Владимировна, преподаватель кафедры физической химии и химической технологии Юго-Западного государственного университета. E-mail: ageeva-ev@yandex. ru. Тел. 8-904-525-50-70.

Латыпов Рашит Абдуахакович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой металлургии сварочных процессов Московского государственного вечернего металлургического института. E-mail: latipov46@mail.ru. Тел. (499) 267-58-10.

Серебровский Владимир Исаевич, доктор технических наук, профессор, проректор по учебной работе ФГОУ ВПО «Курская ГСХА», E-mail: serebrovskiy_vi @m ail.ru