Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса 9
1.1. Электролитические покрытия на основе железа как перспективный способ восстановления и повышения износостойкости деталей, работающих в условиях абразивного изнашивания
1.2. Влияние структуры на физико-механические свойства электролитических покрытий 20
1.3. Особенности технологического процесса нанесения износостойких композиционных электрохимических покрытий 23
2. Постановка задачи и общая методика исследований. 32
2.1. Постановка задачи
2.2.Общая методика исследований. 36
3. Выбор износосотойкой основы для формирования композиционных электрохимических покрытий (КЭП) 47
3.1.Вопросы исследований
3.2. Порядок проведения исследований 48
3.3. Результаты исследований и их обсуждение 50
3.3.1.Влияние состава электролита железнения на механические свойства сплава при восстановлении деталей из легированных сталей
3.3.2. Влияние параметров электролиза на структуру и механические свойства покрытий 65
Выводы 80
4. Исследования условий получения износостойких кэп на основе сплавов железа 82
4.1. Вопросы исследований
4.2. Порядок проведения исследований 84
4.3. Результаты исследований и их обсуждение 86
4.3.1. Влияние гидродинамики электролитов-суспензий на формирование КЭП
4.3.2.Влияние дисперсной фазы на структуру и свойства покрытий 89
4.3.3.Влияние структуры на абразивную износостойкость КЭП 94
4.2.4. Влияние условий трения на абразивную износо стойкость КЭП 97
Выводы 102
5. Разработка технологического процесса восстановления быстроизнашиваемых деталей машин кэп и его производственная проверка 103
5.1. Вопросы исследований
5.2. Порядок проведения исследований 105
5.3. Результаты исследований и их обсуждение 111
5.3.1. Оптимизация параметров технологического процесса и оборудования для получения КЭП
5.3.2. Технологическая процесс и оснастка для нанесения КЭП 117
5.3.3. Апробация и производственное внедрение технологического процесса 121
5.3.4. Технико-экономическая оценка технологии 126
Выводы 127
Общие выводы
Литература приложения
- Влияние структуры на физико-механические свойства электролитических покрытий
- Влияние параметров электролиза на структуру и механические свойства покрытий
- Влияние условий трения на абразивную износо стойкость КЭП
- Апробация и производственное внедрение технологического процесса
Влияние структуры на физико-механические свойства электролитических покрытий
В процессе электролиза осажденные слои железа приобретают специфические свойства, которые определяются их особой структурой/48-50/. Однако в исследованиях свойства электролитического железа и сплавов на его основе обычно связывают с условиями получения осадков, но не с особенностями его структуры, что затрудняет выбор оптимальных условий электролиза для получения качественных осадков/51-54/. В литературе накоплено большое количество зависимостей микротвердости, внутренних напряжений, прочности сцепления, хрупкости, износостойкости и других свойств осадков, и деталей с покрытиями от плотности тока, рН, температуры, состава электролита/53-57/. Параллельно в ряде работ выполнено определение параметров субмикроструктуры и микроструктуры от тех же параметров, однако они не связаны между собой/58,59/. Попытки найти связь физико-механических свойств со структурой осадка в литературе единичны/56/. В частности, проводился поиск зависимости усталостной прочности образцов с железными покрытиями от параметров субмикроструктуры. Однако он оказался неудачным поскольку не учитывалось, что зависимость механических свойств материалов от параметров их субмикроструктуры аналогична установленным для пирометаллургических материалов закономерностям Холла-Петча, Петча-Стро/60/. Мягкое и пластичное электролитическое железо (полученное рафинированием) не пригодно для восстановления и упрочнения деталей машин. Вместе с тем, при обычных условиях электролиза, применяемых для восстановления деталей, в гальванической ванне получают покрытия железа, которые по своим качествам близки к закаленной стали 45 и имеют весьма мелкокристаллическую структуру. Таким образом, высокие механические свойства электро-литическое железо приобретает благодаря его насыщению дефектами структуры. Однако количественные обобщения структуро-образоавния электролитических покрытий и общие закономерности формирования их тонкой кристаллической структуры еще не установлены, хотя эта проблема постоянно находится в центре внимания исследователей /61, 62/.
Электронномикроскопиские и ренгеноструктурные исследования электролитического железа показали, что линейные дефекты сосредоточены внутри границ, разделяющих отдельные фрагменты (субзерна), объем которых представляет собой участки металла с весьма совершенной структурой. Угол разориентировки между субзернами по данным микродифракции электронов был 1...8%/59/. Все рассмотренные выше закономерности характерны не только для железа, но и для всех чистых металлов, полученных методом электроосаждения. По-видимому происхождение дефектов структуры у всех электролитических осадков чистых металлов имеет единую природу, суть которой можно понять, приняв в общем, что проблема зарождения и роста новой фазы во многом аналогична проблеме движения дислокаций/63/.
Для выбора основных параметров тонкой структуры, характеризующих свойства покрытий, необходим критерий оценки вклада дефектов данного типа в общую дефектность металла. Такими критериями могут служить дилатация и плотность чистого электролитического металла/64/. При подготовке гальванических ванн и электролизеров предпринимаются специальные меры по очистке солей и электролитов от посторонних примесей, ухудшающих качество металла.
Все нарушения укладки атомов в решетке (дефекты структуры) точечные, одномерные, а также трехмерные дефекты (например, микропоры), которые по определению относятся к микроструктуре и не требуют анализа на атомном уровне, неизбежно приводят к дилатации и изменению металла.
В связи с тем, что детали, восстанавливаемые КЭП, будут работать при абразивном изнашивании, необходимо обеспелить высокую износостойкость металлической матрицы КЭП. Анализ показывает, что износостойкость материала, способность его сопротивляться воздействию абразивных частиц почвы и других сред, в основном определяется такими механическими свойствами, как предел прочности и микротвердость.
В работах, посвященных повышению износостойкости железных покрытий, она связывалась непосредственно с увеличением микротвердости осадков. Однако в ряде исследований было обнаружено, что повышение микротвердости за счет изменений условий электролиза, влияет положительно на износостойкость только до определенного предела, превышение которого приводит к увеличению износа/65/. Исследования микротвердости, также как и других свойств проводилось в зависимости от условий электролиза и не связывались с тонкой структурой осадков, поэтому причины. обуславливающие экспериментально полученную "оптимальную" микротвердость, остаются не ясными /66/.
Влияние параметров электролиза на структуру и механические свойства покрытий
В литературе одним из условий получения высокого сцепления покрытий является сплавообразование на границе раздела с основой. Однако, указанная точка зрения не нашла подтверждения в экспериментальных данных. По данным работы при осаждении покрытий из железо-никелевого раствора в осадок на начальных режимах электролиза включается 1,5...2% никеля, из железо-кобальтового раствора - до 30% кобальта/108, 10/. Однако большое количество легирующего элемента не приводит к значительному повышению прочности сцепления покрытия Ре-Со с основой. Увеличение прочности сцепления при наличии легирующих добавок в электролите можно объяснить особыми условиями осаждения сплавов. В ряду напряжений выделения водорода никель и кобальт стоят левее железа, вместе с тем рН их гидратообразования выше, чем у железа /110/. Присутствие легирующих добавок уменьшает защелачивание прикатодного пространства, что препятствует образованию и выпадению на катод гидроокислов железа, отрицательно влияющих на сцепление и качество осадков /89/.
Твердость является одной из важнейших характеристик, по которой можно судить об эксплуатационных свойствах покрытий. Результаты исследований показали, что микротвердость железо-никелевых и железо-кобальтовых покрытий с изменением концентрации легирующих добавок в электролите изменялась в пределах 4,45...7,20 ГПа, что выше наибольшей величине твердости предельно упрочненного чистого электролитического железа (5,0...5,5 ГПа). В литературе отмечается, что с повышением твердости осадков чистого железа выше 5,50 ГПа, отвечающей предельному упрочнению железных покрытий, энергия деформации расходуется на растрескивание покрытий с образованием субмикротрещин/8,41,90/. Такие покрытия не обладают высокими эксплуатационными свойствами и прочностью, поскольку при их деформировании в процессе эксплуатации происходит развитие готовых очагов разрушения. Как показали исследования, введение ионов никеля и кобальта изменяло верхний предел области микротвердости, соответствующий электроосаждению прочных бестрещиноватых осадков.
При расчете матрицы планирования по влиянию концентрации легирующих добавок на микротвердость (Приложения 3 и 4), соответственно, Ре-М1 и Ре-Со покрытий, были определены коэффициенты регрессии, получены уравнения, которые после проверки адекватности и исключения незначимых коэффициентов приняли следующие вид:
Выделяя роль составляющих Ре-№ электролита при анализе уравнения (10), можно отметить, что наиболее сильное влияние на микротвердость оказывали ионы никеля. С увеличением содержания N1 в электролите микротвердость несколько снижалась. Особенно это проявлялось при превышении основного уровня эксперимента, что, вероятно, связано с отмеченным ранее уменьшением защелачивания прикатодного пространства и включения в осадки гидрооксидов железа (Рис.3.9а). Действие 804 " на микротвердость при изменении его концентрации в электролите до основного уровня плана эксперимента было незначительным. Превышение концентрации выше центральной точки приводило к резкому снижению твердости осадков (Рис.3.9в). Натрий виннокислый несколько увеличивал микротвердость покрытий и значительно снижал прочность сцепления при концентрации, превышающей 3 кг/м (Рис.3.9д).
Микротвердость покрытий из Ре-Со электролита с ростом содержания ионов кобальта увеличивалась и проходила через максимум при содержании Со порядка 20.97 г-экв/л (Рис. 3.96). Анализ факторов уравнения (11) показал, что добавка ионов алюминия значительно снижала микротвердость, вероятно вследствие уменьшения защелачивания прикатодного пространства и, можно предположить, упрочнения его коллоидными частицами гидрооксидов (Рис.3.9г). С увеличением содержания сульфат-ионов в растворе и, соответственно, усиления их пассивирующего действия, микротвердость росла в связи с ростом количества чужеродных частиц в покрытии.
Свойства электролитических сплавов определяются их химическим составом и фазовым строением, которые зависят от природы и концентрации разряжающихся ионов, от перенапряжения разряда каждого из компонентов. Добавка соли никеля в электролит железнения приводила к стабилизации концентрации железа Ре и, следовательно, к полз ению осадков высокого качества/39/. Аналогичное влияние на кинетику электродных процессов и, как результат, на структуру осадков оказывают и введение в электролит ионов Со.
Таким образом, для полз ения качественных железо-никелевых осадков с прочностью сцепления порядка 400...45О МПа и микротвердостью - 4,7...5,0 ГПа можно рекомендовать электролит следующего состава, кг/м : железо хлористое - 500; никель сернокислый - 90... 100; натрий виннокислый - 1... 1,5. В этих условиях из раствора осаждаются прочносцепленные покрытия с высокими механическими свойствами, которые должны обеспечить высокую надежность и работоспособность. Следует отметить, что результаты исследований подтверждаются данными и других работ/109/. Область оптимальной концентрации компонентов железо-кобальтоваго электролита, обеспечивающих прочность сцепления порядка 400... 450 МПа и микротвердость - 6,0...6,5 ГПа, находится вблизи нулевого уровня плана эксперимента. Для получения таких покрытий можно рекомендовать электролит следующего состава, кг/м : железо хлористое - 500; кобальт сернокислый - 100...ПО; алюминий сернокислый - 80...100. Необходимо отметить, что найденный на основе наших исследований оптимальный состав электролита близок по составу к раствору, рекомендованному для восстановления азотируемых сталей 38ХМЮА, покрытия из которого по данным автора обладают хорошими антифрикционными свойствами и износостойкостью при граничном трении/90/. Однако абразивную износостойкость сплава Fe-Co автор /90/ не изучал.
Начальные режимы электролиза необходимо поддерживать следующие: выдержка без тока - (30±2) с; начальная плотность тока - 1 А/дм в течении 4... 5 мин; плавный выход на рабочую плотность тока со скоростью 3...4 А/(дм -мин).
Влияние условий трения на абразивную износо стойкость КЭП
Для формирования износостойких композиционных электрохимических покрытий необходимо в твердую износостойкзоо основу ввести твердые дисперсные частицы.
Как показано ранее, в качестве дисперсной фазы (ДФ) целесообразно применять электрокорунд белый. Важным параметром, определяющим износостойкость покрытий, является размер частиц ДФ. Частицы малых размеров не могут играть роль выступов пгероховатой поверхности, по которой происходит контакт трущихся тел, а большие частицы обладают дефектной структурой и разрушаются при невысоких нагрузках/39/. Износостойкость КЭП будет наибольшей в том случае, когда частиц будет достаточно для восприятия нагрузки, а матрица будет еще в состоянии удерживать частицы от выкрашивания. По этому необходимо определить оптимальный состав КЭП, при котором покрытия будут иметь непрерывный каркас, надежно удерживающий твердые частицы и хорошо распределять передаваемые усилия от внешней нагрузки. В литературе показано, что для формирования износостойких КЭП содержание частиц дисперсной фазы в покрытии должно быть порядка 26...28 %(об.)/80/. Дальнейшее увеличение содержания наполнителя в покрытии приведет к непосредственному контактированию частиц, что уменьшает прочность композиции. При этом в силу преобладания механической связи компонентов возникает опасность ускоренного разрушения КЭП под нагрузкой /18/.
Отличие процесса нанесения КЭП от обычного железнения заключается в необходимости постоянного перемешивания электролита-суспензии (ЭС) при нанесении покрытия для поддержания частиц во взвешенном состоянии и подачи их к поверхности катода. Исследования по влиянию параметров потока электролита на состав КЭП немногочисленны и противоречивы. Существующие зависимости включения ДФ в КЭП в основном можно использовать для узких специфических условий полз гения композитов. Поэтому для оптимизации массопередачи в ЭС необходимо провести теоретические и экспериментальные исследование влияния скорости потока ЭС на включение ДФ в покрытия. Исследование влияния гидродинамики потока и других факторов переноса частиц ДФ и ЭС на формирование КЭП и его состав необходимо выполнить при контролируемом гидродинамическом режиме потока ЭС. Предварительные данные показали, что для этих целей лучше всего подходит электрохимическая ячейка с постоянными характерными размерами, через которую проходит поток ЭС. Поэтому необходимо определить оптимальные гидродинамические параметры, при которых формируются КЭП с заданным количеством включений, выбрать оптимальные размеры и содержания ДФ в матрице, при которых она хорошо сопротивляется абразивному изнашиванию. Восстановленные детали могут работать при различных скоростях и нагрузках. Следовательно, для выбора условий формирования износостойких КЭП на основе сплавов железа необходимо решить следующие вопросы: 1. Провести теоретические и экспериментальные исследования влияния скорости потока ЭС на распределение ДФ в электролите и покрытии. 2. Выбрать размер и содержание частиц ДФ электрокорунда в покрытиях, отвечающие наибольшей абразивной износостойкости. 3. Исследовать влияние условий трения на износостойкость КЭП при абразивном изнашивании. В соответствии с задачами данного раздела был выбран следующий порядок исследований. Покрытия получали при условиях электролиза, отвечающих наивысшей износостойкости и прочности сцепления матрицы КЭП(см. раздел 3). Порядок подготовки образцов перед нанесением покрытий изложен в разделе 2. При изучении механических свойств КЭП получали в ванне объемом 5 дм при контролируемом перемешивании ЭС (Рис.2.1), Покрытия осаждали на пластины длиной 30 мм, шириной 30 мм, толщиной 1мм, толщина наносимого слоя 0,4...0,6 мм(см. рис.2.1б). Микропорошки электрокорунда белого перед введением в электролит предварительно не обрабатывали, навеску необходимой массы порошка смешивали с небольшим количеством раствора в отдельной емкости до полного смачивания частиц и доводили рН до рабочего значения, после чего небольшими порциями вводили в электролит при постоянном перемешивании. Рабочий раствор перемешивали в течении 0,5 часа, затем вновь контролировали по составу и корректировали по рН. Режим перемешивания во всех опытах поддерживали постоянным. Положение катодов относительно анодов и стенок электролизера строго фиксировали специальными приспособлениями.
Влияние ДФ на состав и структуру КЭП проводили на примере железо-никелевого сплава. Порядок подготовки ЭС соблюдали указанный выше. Содержание электрокорунда белого марки М14 поддерживали постоянным (100±2) кг/м . При изучении влияния скорости перемешивания на включение ДФ в осадки покрытия получали в ячейке на специально разработанной установке (Рис.4.1). Электрохимическую ячейку изготавливали из органического стекла. Перед проведением исследований обрабатывали 30% раствором серной кислоты в течении 2 ч для исключения выделения составляющих материала в электролит. Электроды и образец устанавливали "заподлицо" с внутренней поверхностью ячейки. Покрытия наносили на прямоугольные пластины (1) из стали СтЗ (см. рис.2.1 б), толщина наносимого слоя 0,2...0,3 мм. В качестве анодов (2) служили прямоугольные пластины из стали СтЗ аналогичных размеров. Анодное травление производили в 30% растворе серной кислоты при режимах принятых в разделе 2. Контроль расхода ЭС процессе нанесения покрытий осуществляли с помощью расходомера Вентури (3). Содержание ДФ в КЭП определяли в пяти точках по оси образца вдоль направления потока ЭС по методике, изложенной в разделе 2 (Рис. 4.2.). Объемное содержание вычисляли как среднее из пяти измерений. Определение микротвердости и параметров субмикроструктуры проводили на образцах (см.рис.2.2б) до и после испытаний в области пятна износа согласно методике, изложенной ранее (см.раздел 2).
Так как при пахоте нагрузка на лемех со стороны почвы и скорость его скольжения изменяется в зависимости от типа почвы, мощности трактора и других факторов, при испытаниях нагрузку и скорость относительного скольжения пары трения изменяли в пределах, близких к условиям работы реальных деталей (Р, Н - 44; 62; 88; п, об/мин - 60; 125; 215; 312),
Апробация и производственное внедрение технологического процесса
Повышение Нц до 8,0... 12,0 Ша должно способствовать значительному увеличению износостойкости КЭП в условиях абразивного изнашивания. Однако большое содержание ДФ в покрытии приводит к нарушению целостности каркаса матрицы и выкрашиванию частиц под нагрузкой.
Таким образом, введение в покрытие диспересных частиц сдерживает растрескивание осадка в процессе нанесения при сохранении высокой микротвердости, что должно способствовать повышению износостойкости как основы, так и композиции в целом. Достижение покрытием высокой прочности при введении твердых частиц и повышение трещиностойкости матрицы позволяет осаждать КЭП при более жестких условиях электролиза. Плотность тока можно повысить до 35...40 А/дм , при температуре 35...40 С и поддержании кислотности раствора рН=0,7...1,0. При этих режимах можно получить осадки с микротвердостью матрицы из железо-ниекелевых растворов 5,0...5,5 ГПа (Нц =8,5...10,2 ГПа), железо-кобальтовых 5,5...6,5 ГПа (Н =9,5...11,6 ГПа).
Для получения износостойких КЭП необходимо определить влияние размера и концентрации дисперсной фазы в растворе и покрытии. С этой целью необходимо провести лабораторные и полевые испытания по определению абразивной износостойкости КЭП. при исследовании абразивной износостойкости КЭП было установлено, что износ покрытий в контакте с нежесткозакрепелнным абразивом в значительной мере зависят от размеров и содержания дисперсных частиц в покрытии, как на стадии приработки, так и при установившемся изнашивании. Износ КЭП на основе железо-никелевых и железо-кобальтовых сплавов с ростом содержания
ДФ в растворе уменьшался в 4...5 раз и проходил через минимум при содержании микропорошков порядка 75.. Л 00 кг/м (Рис.4.6). С ростом содержания ДФ в электролите свыше 100 кг/м и, соответственно, в покрытии более 30...35 %(об) износостойкость покрытий уменьшалась. Снижение износостойкости КЭП при больших концентрациях ДФ связано с уменьшением прочности связки и ее способности удерживать твердые износостойкие частицы, являюш;иеся площадками контакта покрытия и контртела. При этом согласно нашим наблюдениям на поперечных шлифах и литературным данным нарушается непрерывность матричного каркаса КЭП с образованием между частицами непосредственных контактов/37/. КЭП с включением микропорошка 2...3 мкм при увеличении концентрации более 50 кг/м имели износостойкость более низкую, чем "чистые" покрытия. Вероятно, данные частицы коагулируют в электролите и включались в осадок в виде крупных рыхлых агрегатов, которые не сцементированы связующим и не могут создавать эффект упрочнения.
Анализ результатов показал, что с увеличение размера твердых частиц наполнителя износостойкость КЭП повышалась и проходила через максимум при размере зерен 14... 18 мкм (Рис. 4.6). Износостойкость КЭП с включением микропорошка М2 находилась на уровне покрытий без наполнителя. Введение в КЭП дисперсной фазы размером более 20 мкм приводило к увеличению износа. Частицы малых размеров при абразивном изнашивании не оказывали влияния на износостойкость КЭП, вероятно, они не могут выступать в качестве площадок контакта и распределять напряжения в матрице. С увеличением размера частиц износ увеличивался в связи с снижением прочности частиц и разрушения их под нагрузкой, что согласуется с данными других работ/35/.
Построение зависимости износостойкости покрытии от размера, концентрации дисперсных частиц в электролите и покрытии позволил установить содержание и размер ДФ, обеспечивающее наибольшую абразивную износостойкость КЭП (Рис.4.7). Железо-никелевые и железо-кобальтовые покрытия, обладающие наибольшей износостойкостью, содержали
ДФ в ЭС порядка 80...90 кг/м , что соотвествовало 28...30% объемной концентрации частиц в покрытии. Полученные данные согласуются с ранее определенными оптимальными концентрациями ДФ в КЭП для электролитического железа/37/. Анализ результатов показал, что наименьший износ имели КЭП на основе сплавов, содержащие частицы электрокорунда белого с размером частиц 14... 18 мкм, которые имели износостойкость в 4...5 раз выше, чем Ре-№ и Ре-Со покрытия без наполнителя и в 8... 10 раз, чем эталон из стали 65Г закаленной (см.рис.4.6).
Таким образом в результате проведенных исследований получены КЭП на основе сплавов никеля и кобальта, с износостойкостью при абразивном изнашивании в 4...5 раз большей по сравнению с обычными железными покрытиями и в 8... 10 раз по сравнению со сталью 65Г закаленной, используемой для изготовления серийных лемехов. Наивысшей износостойкостью обладают КЭП, полученные из растворов с содержанием микропорошка оксида алюминия марки М14 в растворе 80... 100 кг/мА и в покрытии 28...30% (об.).
Однако, поскольку в реальных условиях эксплуатации поверхность деталей машин испытывают различные нагрузки и резание фунтов происходит с различными скоростями, необходимо проверить работоспособность КЭП при различных условиях трения в сравнении с эталонами из серийных лемехов и электролитическим железом без добавок.
