Восстановление изношенных деталей

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 физикохимических 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..90°С) 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..25°С;
 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,Dк=Iк/S, A/дм2,
где Iк-сила катодного тока (А), S-площадь восстанавливаемой поверхности (дм2);
 катодно-анодное соотношение токов B=Iк/Ia,
где Iк 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/мм2, 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 ТС500, 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/дм2, 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 железаникеля. 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.