Выбор материала для деталей мелкого крепежа и технологии их изготовления

 

РЕФЕРАТ

 

Дипломный проект содержит страниц текста – 84, таблиц – 21,       иллюстраций – 17,    использованных источников – 26.

Цель работы: выбор материала и технологии нанесения коррозионно-стойкого покрытия, оборудования и проекта участка для метизов и проект участка в условиях ОАО «МЗТМ».

Объект исследования: детали мелкого крепежа (метизы), работающие в агрессивных средах.

Методы исследования и аппаратура: толщинометр МТ-41НЦ, камера соляного тумана.

Результаты  работы и их новизна: после выполненного анализа требований, предъявляемых к коррозионно-стойким метизам, и условий их эксплуатации выбрана технология термодиффузионного цинкования и газодинамического напыления, которые позволяют получить высокую стойкость к коррозии в агрессивных средах.

Основные характеристики и показатели: коррозионная стойкость, скорость коррозии, толщина покрытия, твёрдость покрытия.

Значимость  работы и выводы: технико-экономические расчеты показали целесообразность данной работы, так как годовой экономический эффект после внедрения составит около 27395,00 грн., а коррозионная стойкость метизов повысится в 3 раза по сравнению с ранее используемыми.

Область применения: машиностроение.

Выполнены расчеты  по соблюдению норм по охране труда  на участке.

Ключевые  слова: КОРРОЗИЯ, ЦИНКОВАНИЕ, КОРРОЗИОННАЯ СТОЙКОСТЬ, МЕТИЗЫ, БАРАБАННАЯ ПЕЧЬ, ЭКОНОМИКА, ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ.

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение………………………………………………………………………5

Технико-экономическое  обоснование………………………………………9

1 Анализ условий  эксплуатации деталей………………………………….10

2 Выбор материала для деталей мелкого крепежа и технологии

их изготовления……………………………………………………………..11

3 Выбор материала  покрытия и технологии его  нанесения……………...17

3.1 Горячее цинкование…………………………………………….....18

3.2 Электролитическое  цинкование………………………………….19

3.3 Зингование………………………………………………………....20

3.4 Термодиффузионное  цинкование………………………………...22

3.5 Газодинамическое  напыление……………………………………26

4 Выбор основного  оборудования…………………………………………30

4.1 Оборудование  для термодиффузионного цинкования………….30

4.2 Оборудование для газодинамического напыления……………...32

5 Выбор дополнительного  и вспомогательного оборудования………….33

6 Контроль качества  покрытий…………………………………………….35

7 Планировка  участка………………………………………………………37

8 Экономика  производства…………………………………………………39

9 Охрана труда………………………………………………………………58

10 Гражданская  оборона……………………………………………………67

Выводы и  рекомендации…………………………………………………...80

Перечень ссылок…………………………………………………………....82

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

    В  промышленности достаточно широкое  распространение получила отрасль, задачей которой является придание защитных свойств деталям, которые в дальнейшем будут использоваться в условиях, приводящих к коррозии металла. Это выгодно с экономической точки зрения, поскольку нет необходимости постоянно заменять детали, подвергнутые коррозии, что приведёт к уменьшению расходов на производство и т.д. В настоящее время  в общей системе мероприятий по защите металлических изделий от коррозии основную роль играют защитные покрытия. Различают покрытия на органической и неорганической основе. К первой группе относятся лакокрасочные, полимерные и пластмассовые покрытия, ко второй группе – металлические, окисные и солевые.

     Наиболее распространёнными являются металлические  защитные покрытия такие как цинковые, хромистые, алюминиевые, оловянные и др. Помимо защиты от коррозии такие покрытия могут придавать изделию декоративный вид – красивую, блестящую поверхность. Также покрытия из металлов могут сообщать поверхности изделий определённые оптические, магнитные, антифрикционные и другие свойства. Цинковые покрытия очень широко применяются; по различным данным около 40 % мирового производства цинка расходуется для защиты стали от коррозии. Существует множество способов для его нанесения на самые разнообразные детали, начиная от гаек и болтов и заканчивая листами и трубопрокатом [1].

     Для нанесения  цинкового покрытия существует  множество различных способов  и технологий, которые используются  в промышленности. Практическое применение находят следующие способы нанесения цинковых покрытий:

    1) погружение изделий в расплавленный цинк (горячий способ);

     2) метод термической диффузии;

     3) металлизация распылением металлом из пульверизатора;

     4) контактный метод осаждения цинка;

     5) электролитический метод.

     Горячий способ покрытия заключается в том, что изделия погружают в ванну с расплавленным металлом или же нагретую поверхность деталей натирают расплавленным металлом. К недостаткам этого способа следует отнести неравномерность толщины слоя и большой расход металла. Следует отметить, что этот способ непригоден для деталей со сложной формой и резьбой.

     Диффузионный способ нанесения основан на диффузии в поверхностные слои деталей какого-либо металла при высокой температуре. Диффузионные покрытия наносят при нагреве деталей в твёрдой (порошкообразной), жидкой или газообразной фазе металла.

     Способ металлизации распылением заключается в нанесении на поверхность деталей слоя металла распылением расплавленного металла.

     Способ контактного осаждения осуществляется без применения внешнего источника тока, за счёт вытеснения менее благородными металлами более благородных из растворов их солей. Толщина таких покрытий, как правило, невелика и защитные свойства их невысоки.

     Электролитический метод заключается в нанесении цинковых покрытий на поверхность изделий в растворах электролитов под действием электрического тока [2].

     Следует подчеркнуть, что в данном проекте основная задача сводится к выбору такой технологии нанесения покрытия, которая позволила бы получить качественное покрытие для деталей, работающих в агрессивных коррозионных средах, при этом не требовала бы больших денежных и трудовых затрат.

     В настоящее время высокое качество цинкового покрытия могут обеспечить следующие технологии:

     1) термодиффузионное цинкование – антикоррозионное покрытие формируется в результате насыщения цинком поверхности металлических изделий в порошковой среде при температуре 290-450 °С. Оно обладает прочным сцеплением (адгезией) с основным металлом за счет взаимной диффузии железа и цинка в поверхностных интерметаллидных фазах, поэтому не происходит отслаивание и скалывание покрытия при ударах, механических нагрузках и деформациях обработанных изделий [3];

     2) зингование – нанесение на  поверхность деталей специального  покрытия Zinga. Состав Zinga представляет собой однокомпонентную систему, состоящую из чистой цинковой пудры (электролитического цинка), летучих веществ, связующих агентов (ненасыщенных углеводородов). Наносится такое покрытие валиком, кистью, распылением и либо окунанием. При этом получается высококачественное покрытие, которое сочетает достоинства горячего цинкования и лакокрасочных покрытий, исключает ряд их недостатков и имеет уникальные преимущества [4];

     3) газодинамическое напыление. Технология нанесения покрытия включает в себя нагрев сжатого газа (воздуха), подачу его в сверхзвуковое сопло и формирование в этом сопле сверхзвукового воздушного потока, подачу в этот поток порошкового материала, ускорение этого материала в сопле сверхзвуковым потоком воздуха и направление его на поверхность обрабатываемого изделия. Создаваемые таким образом покрытия свободны от большинства недостатков, присущих другим методам нанесения металлических покрытий, и обладают рядом технологических, экономических и экологических преимуществ [5].

     Каждая из перечисленных технологий  имеет свои преимущества и  недостатки, исходя из которых, можно выбрать наиболее подходящую для покрытия деталей крепежа.

 

 

 

 

 

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ  ОБОСНОВАНИЕ

 

     Большинство  технологий для нанесения покрытий, применяемых на производстве, являются устаревшими и не в состоянии обеспечить высокие свойства и качество покрытий. Тоже касается и оборудования, которое обладает низкой производительностью и часто выходит из строя. В связи с этим целесообразно заменить используемую ранее технологию на новую, которая не только позволит получать высококачественные защитные покрытия, но и сэкономить на расходах из-за замены старого оборудования на современное с более высокой производительностью.

    Кроме того, имеется плюс с точки зрения экологичности поскольку технологии, используемые на данный момент, являются вредными для здоровья рабочего персонала из-за наличия в производстве кислот и различных химических растворов. Инновационные же технологии отличаются безопасностью, поскольку в них не применяются указанные вещества.

     Следует отметить, что применение новой технологии нанесения покрытий позволит уменьшить трудовые и временные затраты, что является на сегодняшний день немаловажным аспектом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 АНАЛИЗ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ДЕТАЛЕЙ

 

     Метизы (болты, гайки, шпильки и т.д.) работают в условиях агрессивных  коррозионных сред, т.к. они используются для крепежа конструкций, работающих в агрессивных условиях. В связи с этим возникает необходимость обеспечения высокой коррозионной стойкости эксплуатируемых деталей.

     Во  время эксплуатации детали испытывают  статические нагрузки, которые могут послужить причиной их выхода из строя. Важно учитывать влияние концентраторов напряжений (резьба, шлицы и т.д.), которые чаще всего определяют наиболее напряжённые зоны детали, поскольку влияние различных факторов на ровные детали и детали с надрезом неодинаковое. В этом и состоит одна из основных причин различия между конструкционной прочностью и свойствами материала.

     Основными величинами, характеризующими конструкционную прочность деталей под действием статических нагрузок, являются: σ_0,2, σ_в, δ и ψ. Поэтому при выборе материала для изготовления метизов необходимо учитывать способность материала обеспечить требуемый уровень значений этих величин [6].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 ВЫБОР МАТЕРИАЛА ДЛЯ ДЕТАЛЕЙ МЕЛКОГО КРЕПЕЖА И ТЕХНОЛОГИИ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

 

Для изготовления мелкого крепежа обычно применяются низкоуглеродистые качественные стали. Средне- и высоколегированные стали применяют только в случае, когда предполагается, что детали будут работать в условиях высоких температур при значительных нагрузках. Основываясь на литературных данных, можно сделать вывод, что нецелесообразно изготавливать метизы из дорогостоящих сталей с высоким содержанием легирующих элементов, поскольку в дальнейшем на них будет нанесено покрытие, которое в полной мере защитит детали от действия коррозии и сохранит необходимый уровень механических и эксплуатационных свойств.

Рассмотрим несколько  марок сталей, применяемых для изготовления крепежа на ОАО «Азовмаш»: сталь 10сп, 20сп, 35. Химический состав указанных сталей приведен в табл. 2.1

 

     Таблица  2.1 – Химический состав сталей 10сп, 20сп и 35, мас. % [7]

 

Марка стали	C	Si	Mn	Cr	N	Cu	As	Ni	S	P
				не более
10пс	0,07-0,14	0,05-0,17	0,35-0,65	0,15	-	0,25	0,08	0,25	0,04	0,035
20пс	0,17-0,24	0,05-0,17	0,35-0,65	0,25	-	0,25	0,08	0,25	0,04	0,035
35	0,32-0,40	0,17-0,37	0,50-0,80	0,25	-	0,25	0,08	0,25	0,04	0.035

 

 

 

Таблица 2.2 – Механические свойства сталей 10сп, 20сп и 35 [7]

 

Марка стали	σв, МПа	σ0,2, МПа	δ, %	ψ, %	KCU, МДж/м2
10сп	372	-	8	55	-
20сп	490	-	7	45	-
35	470	245	17	35	340

 

Все указанные  выше стали обеспечивают достаточный уровень механических свойств, но у стали 35 он выше, чем у двух других. Однако для изготовления метизов целесообразно применить сталь 20сп, поскольку из сталей с большим содержанием углерода затруднительно изготовить детали крепежа холодной штамповкой. На рис. 2.1 представлен эскиз деталей, крепежа.

    

 

Рис. 2.1 – Эскиз деталей крепежа

 

Следует отметить, что снижению расхода материалов, энерго- и материалоемкости производства, уменьшению себестоимости продукции, уменьшению объема вредных выбросов способствует разработка и внедрение энерго- и ресурсосберегающих технологий производства и обработки материалов и изделий из них. Такими технологиями в машиностроении являются, например, различные методы точного литья сплавов, безотходные и малоотходные технологии производства изделий методами обработки металлов давлением (холодная объемная штамповка и ее разновидность – холодная высадка, холодная чистовая вырубка, горячая прокатка заготовок деталей машин на деталепрокатных станах, гидропрессование и др.), технологии деформационно-термической обработки, технологии производства изделий методами порошковой металлургии и другие.

Так, например, изготовление таких достаточно простых  изделий, как метизы (болты, гайки, винты  и др.) методом механической обработки  проката на металлорежущих станках  приводит к большим трудозатратам и переводу в отходы в виде стружки более половины металла, а при их изготовлении методом холодной высадки на станках-автоматах потери металла не превышают 5…7 % при обеспечении более высоких прочностных характеристик изделий.

При изготовлении изделий методом холодной высадки, являющимся сейчас преобладающим малоотходным и эффективным способом производства большинства метизов, многих деталей автомобилей и другой техники, наиболее важным технологическим свойством является способность к осадке в холодном состоянии. В зависимости от результатов испытаний и предъявляемых требований стальной подкат для холодной высадки, например, поставляется по группам осадки 75 (удовлетворительная осадка образцов до 1/4 их первоначальной высоты – деформация без образования на их торцах трещин, размер которых превышает предельные показатели, заданные в соответствующей нормативной и технической документации), 66 (удовлетворительная осадка образцов до 1/3 их первоначальной высоты), 50 (удовлетворительная осадка образцов до 1/2 их первоначальной высоты). Для удовлетворения соответствующим требованиям прокат должен иметь не только соответствующую структуру, но и высокое качество поверхности.

При изготовлении болтов с применением холодной штамповки  выполняются операции образования  стержня, получения промежуточной и окончательной форм головки, накатки резьбы. Указанные операции производятся на одном автомате – комбайне или нескольких прессах-автоматах, образующих автоматическую линию из последовательно расположенных машин, соединенных транспортными механизмами для передачи заготовки. Автоматическая линия может включать холодновысадочные, обрезные и резьбонакатные автоматы.

Холодновысадочный автомат служит для высадки головки  болта (промежуточной или окончательной  формы) и оформления стержня (без резьбы). На обрезном прессе производится оформление многогранной головки обрезкой. Образование резьбы осуществляется на резьбонакатном автомате. При получении окончательной формы головки болта на холодновысадочном автомате обрезной автомат в состав линии не включается. Часто в состав линии включается оборудование для подрезки торца и обточки концевой фаски, а также для сверления контровочных отверстий.

Холодновысадочные прессы-автоматы отличаются количеством  позиций формообразующего инструмента, числом ударов, необходимых для образования заготовки, конструкцией высадочных матриц и расположением позиций штамповки.

По количеству позиций автоматы делятся на однопозиционные и многопозиционные. Однопозиционные автоматы в зависимости от числа ударов могут быть одноударными, двухударными и трехударными. Для изготовления одной детали на одноударном прессе требуется один оборот коленчатого вала (один ход высадочного ползуна), на двухударном – два, на трехударном – три. Для штамповки болтов применяются в основном двухударные автоматы. Многопозиционные автоматы могут быть одно- и двухударными, преимущественное применение для штамповки болтов имеют одноударные многопозиционные прессы.

 По конструкции высадочных матриц прессы-автоматы делятся на автоматы с цельными и разъемными матрицами. Многопозиционные автоматы изготовляют главным образом с цельными матрицами.

Однопозиционные двух ударные  холодновысадочные прессы-автоматы применяются чаще для штамповки  болтов с фасонной головкой. Болты с шестигранной головкой, требующие многооперационной технологии, штампуют на многопозиционных прессах-автоматах (рис.3.1).

 

 

Рис. 3.1 – Схема многопозиционной штамповки болтов:

                                    1 – калиброванный металл;

                                    2 – подающие ролики;

                                    3 – отрезная матрица;

                                    4 – упор;

                                    5 – нож;

                                    6 – заготовка;

                                    7 – пуансон;

                                    8 – высадочная матрица;

                                    9 – высаженная заготовка

 При изготовлении болтов для дальнейшего их антикоррозионного покрытия размеры резьбы увеличиваются, при этом абсолютное увеличение примерно равно четырехкратной толщине покрытия. Это увеличение размеров компенсируется предварительным уменьшением размеров резьбы при изготовлении болтов. При этом создается гарантированный зазор, величина которого больше четырехкратной толщины покрытия [8].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 ВЫБОР МАТЕРИАЛА ПОКРЫТИЯ И ТЕХНОЛОГИИ ЕГО НАНЕСЕНИЯ

 

Существует  множество защитных металлических  покрытий, способных защитить детали от действия коррозии: цинковое, хромовое, никелевое и т.д. Для деталей крепежа наилучшим вариантом является цинковое покрытие, поскольку оно не такое дорогое, как хромовое или никелевое, к тому же эти покрытия используются для деталей с повышенными требованиями к износостойкости соединения.

Выбор цинка  не случаен и объясняется высоким отрицательным значением окислительно-восстановительного потенциала пары Zn²⁺/Zn. Этот металл защищает основной металл анодно, т.е. в гальванической паре «Fe-Zn» растворяется цинк. Электрохимической альтернативой цинку является кадмий, однако он очень токсичен, что затрудняет его применение [2].

Цинковое покрытие обеспечивает надёжную защиту от коррозии, толщина покрытия выбирается в зависимости от условий эксплуатации детали. Также покрытие из цинка обладает высокой степенью сцепления с поверхностью защищаемого изделия. Цвет покрытия в основном серый или серебристо-серый (см. рис.3.1).

 

 

 

Рис. 3.1 – Детали крепежа с цинковым покрытием

 

  После цинкования деталь дополнительно подвергают пассивации для нанесения фосфатного покрытия, в результате повышается коррозионная стойкость и изделие приобретает декоративный вид.    

  На данный момент разработано множество различных способов и технологий для нанесения цинкового покрытия. Основной задачей является правильный выбор определённой технологии, которая обеспечивала бы надёжную защиту деталей. Для правильного выбора технологии нанесения цинкового покрытия необходимо рассмотреть несколько способов.

 

     3.1 Горячее цинкование    

    

     Суть  горячего цинкования состоит  в погружении деталей в ванну с расплавленным цинком, такое покрытие обладает хорошей коррозионной стойкостью. Недостатком его является неравномерность по толщине изделия и сложность нанесения на детали с резьбой. В основном горячему цинкованию подвергают трубы, которые проходят под землёй и покрытие необходимо с внутренней и внешней стороны. На рис. 3.2 изображена схема горячего цинкования.

 

 

Рис. 3.2 – Технологическая схема горячего цинкования

     3.2 Электролитическое цинкование

 

     Покрытие  наносится в растворах электролитов под действием электрического тока. Основными компонентами электролитов являются соли цинка. Перед нанесением покрытия на изделия необходимо тщательно подготовить поверхность деталей, поскольку правильная подготовка является основным условием получения качественного цинкового покрытия. Электролитическое цинкование включает в себя такие операции:

     1) обезжиривание в органическом растворителе – для удаления     загрязнений с поверхности деталей;

     2) сушка – естественная или путём  обдувки сжатым воздухом;

     3) травление – для удаления ржавчины  и окалины с поверхности деталей;

     4) промывка в холодной воде –  для удаления с поверхности  остатков растворов;

     5) химическое или электрохимическое  обезжиривание – для удаления  тонкой жировой плёнки и минеральных масел;

     6) промывка в горячей и холодной  воде;

     8) промывка в холодной воде.

     Детали цинкуют в специальных ваннах (см рис.3.3).

 

 

Рис. 3.3 – Общий вид ванны электролитического цинкования

     Гальваническое  покрытие уступает в коррозионной стойкости покрытию, полученному в результате горячего цинкования. К тому же, для получения качественного покрытия необходимо очень тщательно подготовить поверхность покрываемых деталей иначе придётся заново покрывать изделия. С точки зрения экологии этот метод является опасным, поскольку в технологии используются растворы кислот и электролиты [2].

 

     3.3 Зингование

    

     Покрытие Zinga – это тонкопленочное цинковое покрытие, исключительно эффективно защищающее черные металлы от ржавчины. Оно сочетает достоинства горячего цинкования и лакокрасочных покрытий, исключает ряд их недостатков и имеет уникальные преимущества. Покрытие Zinga обеспечивает одновременно и активную (катодную) аналогичную горячей оцинковке и пассивную (барьерную/ пленочную), как у красок, защиту от ржавления.

     Основным принципом защиты черных металлов покрытием Zinga является принцип катодной (активной) защиты посредством жертвенных электронов. Принцип заключается в том, что один металл (цинк) расходуется для защиты другого металла (железа). Основным доводом в пользу применения цинка в качестве защитного покрытия для стали является тот факт, что цинк подвергается коррозии гораздо медленнее, чем железо в большинстве окружающих сред. Покрытие Zinga является двойной системой и защита, обеспечиваемая Zinga, двойственна:

     1) катодная защита (жертвенная) как у горячего цинкования – активная защита;

     2) барьерная защита как у краски  – пассивная защита.

     Следует отметить, что Zinga – это промышленный высококачественный продукт, представляющий собой однокомпонентный жидкий состав (полностью готовый к применению), состоящий из электролитического цинка чистотой 99,995 %, летучих веществ и связующих агентов. Основным компонентом при производстве Zinga является цинковая пудра, причем для обеспечения проводящего слоя и катодной защиты по всему тонкопленочному покрытию необходимо не менее 94 % чистой цинковой пудры с размером частиц 12-15 мкм (частицы имеют шаровидную форму) или не менее 88 % атомизированной цинковой пудры с размером частиц 3-5 мкм. Zinga же содержит 96 % атомизированного цинка чистотой 99,995 %. Причем частицы цинка имеют овальную форму, что, во-первых, значительно увеличивает содержание цинка в покрытии и, соответственно, его электропроводность, и, во-вторых, улучшает сцепление с поверхностями даже с небольшой шероховатостью. Нейтральные смолы и растворитель (ненасыщенные углеводороды) являются второй и третьей составляющими Zinga, также придающими покрытию уникальные свойства. Благодаря малым размерам частиц цинка и их овальной форме Zinga образует электрохимическое соединение с металлом, на который оно нанесено, что обеспечивает даже при небольших шероховатостях отличную адгезию с поверхностью и никогда не приводит к отслаиванию покрытия, что является характерным свойством именно активных покрытий. Zinga корродирует намного медленнее, чем любое другое цинковое покрытие, так как частицы цинка в этом составе защищены содержащимися в нем смолами, а образующиеся в процессе окисления Zinga соли цинка, связанные смолами, заполняют естественные поры слоя. Таким образом, Zinga более устойчива к коррозии благодаря своим полимерным составляющим. Именно смолы усиливают противодействие внешним влияниям и продлевают срок службы покрытия.