Звягинцева А.В.

Воронежский государственный технический университет, Воронеж, Россия

Некоторые технологические аспекты восстановления системы вал- подшипник

Наиболее широкое распространение для восстановления изношенных поверхностей получили технологии хромирования. Однако этим процессам свойственен ряд крупных недостатков, а именно:

1) Процессы хромирования характеризуются низким выходом по току металла и в соответствии с этим относятся к энергетически затратным технологиям;

2) Независимо от режимов нанесения хромовых покрытий, им свойственно электрохимическое наводороживание, следствием которого является водородная хрупкость;

3) Хромовокислые электролиты, применяемые для восстановления, имеют плохую рассеивающую способность, вследствие которой формируемое покрытие должно подвергаться дополнительной механической обработке из-за разной толщины наносимого покрытия;

4) В процессе используются экологически опасные химические соединения и поэтому участки хромирования являются основными источниками загрязнения окружающей среды.

В предлагаемом нами процессе используются соединения Ni²⁺ с борсодержащей добавкой, рассеивающая способность которых выше, чем хромовокислых. Взамен хромовых покрытий предлагается использовать покрытия никель-бор, полученные в импульсных режимах электролиза.

Цель работы – создание нового технологического процесса, позволяющего осуществить восстановление крупногабаритных деталей без использования дорогостоящего громоздкого оборудования. Кроме того, качество восстанавливаемых деталей и параметры получаемых покрытий должны иметь лучшие характеристики по сравнению с применяемыми в настоящее время технологиями.

Особенностью разрабатываемого процесса является использование стандартного оборудования выпускаемого промышленностью за исключением уникальных установок для нестационарного электролиза, изготовление которых может быть осуществлено в рамках любого машиностроительного предприятия.

Методика эксперимента

1) Разработаны установки импульсного тока, позволяющие осуществлять режим электроосаждения в диапазоне частот следования импульсов от 0,1 Гц до 10 КГц при скважности импульсов от (Q) 1,2 до 25 i_k в импульсе до 50 А/дм².

2) Спроектирована и изготовлена установка – электролизер мобильного типа для восстановления деталей в условиях изменяющейся гидродинамики с равномерным распределением плотности силовых линий в межэлектродном зазоре.

3) Разработана схема автоматического управления режимом электроосаждения сплава Ni-B, обеспечивающая контроль и регулирование скорости получения восстанавливаемого покрытия.

Экологические характеристики. Электроосаждение покрытий Ni-B проводят в сульфаматном электролите никелирования, компоненты которого не относятся к промышленным ядам, в отличие от основного компонента электролита хромирования СrО₃, не относятся к промышленным ядам. В качестве источника бора берется нетоксичная, устойчивая безуглеродная борсодержащая добавка класса «полиэдрические бораты», позволяющая наносить гальванические покрытия Ni-B с регулируемым содержанием бора и с различными функциональными свойствами. При одинаковой толщине расход электроэнергии на единицу поверхности Ni-B – покрытия примерно в 100 раз меньше, чем при осаждении Cr, что свидетельствует об экономической целесообразности широкого применения покрытий сплавами Ni-B.

Технологические параметры. Сравнительный анализ режимов электроосаждения Ni-B из сульфаматного электролита и Cr позволяет сделать вывод о том, что электроосаждение Ni-B протекает в более мягких режимах электролиза, чем Сr.

Процесс электроосаждения покрытий Ni-B отличается от процесса нанесения хрома большей стабильностью в работе при pH = 3,5 – 5,0, большей технологичностью процесса и более низкой агрессивностью к гальваническому оборудованию.

Объектом восстановления выбран коленчатый вал дизельного двигателя тепловоза: l (длина)=6000 мм; диаметр поворота – 800 мм; вес~7 тонн; диаметр шейки – 250 мм (всего 24 шейки); длина образующей цилиндра шейки – 120 мм. Коленчатый вал в паре с блоком цилиндров являются основными базовыми деталями, определяющими срок службы дизеля. Поэтому вопросам их содержания, ухода и качественного ремонта придается большое значение. Для исследования процессов восстановления была использована система вал – подшипник, приведенная на рис. 1.

1 – шейка вала; 2 – вкладыш подшипника; 3 - шатун

Рис. 1. Элементы системы сопряжения вал - подшипник

Восстанавливаемая шейка вала 1 предварительно подвергалась проточке до получения цилиндрической поверхности, подлежащей дальнейшему восстановлению. Вкладыш подшипника 2 из свинцовистой бронзы растачивался на станке до удаления эксцентриситета, подготовленные таким образом детали, поступали на агрегаты восстановления. В зависимости от выработки вкладыша изношенный слой из антифрикционного сплава наносился двумя способами. При малом износе восстановление осуществлялось гальваническим путем с применением сканирующего электрода. Подробная методика описана в работе [1]. В случае полной замены поверхности скольжения (материала вкладыша) формирование трибологического слоя осуществлялось высокочастотной индукционной плавкой в специальные формы с последующим охлаждением в режиме магнитной стабилизации. Это обеспечивает высокую степень дисперсности сплава и полное отсутствие ликвации в отливке. Важной характеристикой технологии является получение надежной адгезии антифрикционного слоя к основанию (постели вкладыша). Соединение вкладыша с постелью осуществляется путем импульсного плавления гальванически нанесенных слоев на элементы конструкции вкладыша сплава Ni-Sn.

Восстановление вала производится с помощью автономной переносной установки, монтируемой непосредственно на элементе восстановления (шейке вала). В предлагаемой технологии имеется ряд характерных особенностей:

1) для улучшения равномерности распределения тока по поверхности вала и создания оптимальных гидродинамических условий используется вращающийся анод;

2) электролизер с объемом электролита от 20 до 50 л, в зависимости от габаритов восстанавливаемого участка, является съёмным и закрепляется непосредственно на участке восстановления.

Конструкция такой переносной электрохимической ячейки представлена на рис. 2.

Вращающийся анод со сменными пластинами-электродами. Прокачка электролита с принудительным отводом выделяющегося водорода. Автоматическое поддержание температуры, скорости осаждения и состава электролита.

ПБ – приёмный бункер; ПК – приводное колесо; ВК – ведущее колесо; Л – лопасть анода; Ш – шейка вала; МЭЗ – межэлектродный зазор; К – корпус; Д - дозатор

Рис. 2. Конструкция переносной электрохимической ячейки

Следует отметить, что главным достоинством выбранного метода является возможность проведения ремонта практически на любом машиностроительном предприятии:

1) При отсутствии крупных гальванических участков.

2) Разработанная система вследствие своей универсальности позволяет использовать стандартное технологическое оборудование для осуществления процесса.

3) Разработанные системы можно отнести к экологически безопасным, так как технология их использования позволяет осуществить замкнутый цикл без выхода реагентов в сточные воды.

Литература:

1. Богданович Е.Н., Звягинцева А.В., Шалимов Ю.Н. Технология восстановления системы сопряжения вал-подшипник //Технология машиностроения. – 2010 - №4. С.32 – 38.