CC BY
27
------------------□ □---------------------
У роботі подана технологія формування зносостійких композиційних електролітичних покриттів (КЕП) на нікелевій основі. КЕП містили наповнювач, що складався з порошків карбіду кремнію різних фракцій і аморфного бору з розміром частинок біля 1 мкм для можливості подальшої термообробки. Проведено випробування отриманих покриттів на їх кавітаційно-ерозійну зносостійкість в середовищах-електролітах
Ключові слова: композиційні
електролітичні покриття (КЕП), кавітація, термообробка, корозійно-активні середовища
□----------------------------------□
В работе представлена технология формирования износостойких композиционных электролитических покрытий (КЭП) на никелевой основе. КЭП содержали наполнитель, состоящий из порошков карбида кремния разных фракций и аморфного бора с размером частиц около 1 мкм для возможности последующей термообработки. Проведены испытания полученных покрытий на их кавитационно-эрозионное изна-щивании в средах-электролитах
Ключевые слова: композиционные электролитические покрытия (КЭП), кавитация, термообработка, коррозионно-активные среды
------------------□ □---------------------
1. Вступ
У загальній проблемі підвищення надійності
і довговічності роботи машин та обладнання легкої, хімічної і харчової промисловості важливе значення має підвищення надійності і довговічності роботи деталей, що підлягають кавітаційно-ерозійному зношуванню в корозійно-активних середовищах. Так, для роботи в умовах високих питомих тисків, навантажень, температур, вібрацій і колових і лінійних швидкостей т. ін. потрібні деталі, робочі поверхні яких повинні володіти цілим комплексом фізико-механічних властивостей. Для цього розробляються технології, методи
і способи поверхневого зміцнення робочих поверхонь деталей, які дозволяють використовувати порівняно дешеві вуглецеві низьколеговані сталі з властивостями, що порівняні з властивостями високолегованих сталей і сплавів спеціального призначення. Одним
з таких способів поверхневого зміцнення є розробка технологій нанесення гетерогенних композиційних електролітичних покриттів (КЕП).
Використання цих покриттів для підвищення кавітаційно-ерозійної зносостійкості в агресивних середовищах обмежене через недостатньо вивчені
УДК 620.193.16.664
КАВІТАЦІЙНО-ЕРОЗІЙНА ЗНОСОСТІЙКІСТЬ КОМПОЗИЦІЙНИХ ЕЛЕКТРОЛІТИЧНИХ ПОКРИТТІВ В НЕЙТРАЛЬНИХ СЕРЕДОВИЩАХ
Ю . М . Б і л и к
Асистент
Кафедра машин та апаратів** E-mail: [email protected] М. С. Стечишин Доктор технічних наук, професор* E-mail: [email protected] А. В. Марти н юк Кандидат технічних наук* E-mail: [email protected] *Кафедра машинознавства** **Хмельницький національний університет вул. Інститутська, 11, м. Хмельницький, Україна, 29016
механізми їх формування, фізико-механічні та експлуатаційні характеристики, а особливо через те, що немає чітко сформульованих вимог до кавітаційно-зносостійких КЕП та способів реалізації цих вимог.
2. Аналіз літературних даних і постановка проблеми
Аналіз робіт [1 - 6] показує, що комбіновані електрохімічні покриття (КЕПи) на основі нікелю з включеннями дисперсних частинок мають високу зносостійкість, корозійну стійкість, підвищують фізико-механічні та втомні характеристики металів та сплавів. У загальному випадку, КЕПи забезпечують підвищення зносостійкості, у порівнянні з чистими гальванічними покриттями в 2,5...5 рази [4]. Порівняльні випробування на зносостійкість вказують на перевагу КЕП на нікелевій основі з включеннями карбідів, боридів, оксидів у порівнянні із загартованими сталями 45, 40Х, 30ХГТ. Включення карбідів в нікелеву матрицю більш суттєво підвищує зносостійкість аніж включення оксидів [2].
Зокрема аналіз КЕП на нікелевій основі [2, 7 - 12] показує широкі технологічні можливості зміни
...............................................Е
їх складу і властивостей, але вони мають нижчу зносостійкість порівняно з хромовими покриттями, невисоку міцність зчеплення з підкладкою, пористість. Ці недоліки стараються усунути шляхом термообробки покриттів з метою поліпшення їх фізико-механічних характеристик, зносостійкості, корозійної стійкості і т. ін. Так, автори роботи [13] стверджують, що максимальна міцність зчеплення покриттів №^іС з сплавами алюмінію АК-18, АД-25, АЛ-7 досягається після відпалу при температурі 200 оС протягом
2 год, але дослідження [8, 10, 14] показують пониження твердості при відпалі в інтервалі температур 200.700 оС. Мікротвердість покриттів з включенням оксидів і карбідів зменшилась з 4,8.3,2 ГПа до 3,2...2,0 ГПа. Вплив відпалу на кавітаційну зносостійкість покриттів №^іС також знайти не вдат лося.
Аналіз літературних джерел [2, 8, 10] показує, що термообробка КЕП може бути ефективною лише при введенні в склад покриття при його формуванні речовин або сполук, які при наступній термообробці змінюють структуру, фазовий склад покриття. Так, при введенні в покриття аморфного бору в системі Ш-В при температурі 1060.1080 оС утворюється евтектика. Дослідження також показали, що відпал КЕП системи Ш-Сг7С3-В при температурі 200 оС тривалістю 1.2 год достатній для початку утворення боридів та отримання боридних композиційних покриттів [15]. Відпал композицій виду № - Сг і Fe - Сг приводить до формування покриття типу нержавіючої сталі [8]. Крім того, термічну обробку КЕП проводять за допомогою лазера, струмами високої частоти, які забезпечують високі швидкості нагрівання і охолодження, локальність і дискретність обробки [10, 16], але ці способи достатньо дорогі і недостатньо досліджені.
Використання цих покриттів для підвищення кавітаційно-ерозійної зносостійкості в агресивних середовищах дуже обмежене через те, що недостатньо вивчені механізми їх формування, фізико-механічні та експлуатаційні характеристики, а особливо через те, що немає чітко сформульованих вимог до кавітаційно-зносостійких КЕП, способів реалізації цих вимог. Відсутні дані про співвідношення частки твердих включень і металевої основи, складу, форми і геометричних розмірів частинок зміцнювальних фаз, їх об’ємного вмісту в матриці, що суттєво обмежує можливості цілеспрямованого керування процесом формування комплексу протизносних властивостей КЕП. Тому актуальною задачею є дослідження та систематизація кавітаційно-ерозійних, корозійних і електрохімічних характеристик КЕП, особливостей формування їх структури, впливу термообробки на зносостійкість покриттів і можливостей цілеспрямованої зміни характеристик покриття залежно від умов зовнішнього мікроударного навантаження, корозійної активності середовища, умов експлуатації робочих поверхонь деталей. Тому актуальною задачею є дослідження та систематизація кавітаційно-ерозійних, корозійних і електрохімічних характеристик КЕП, особливостей формування їх структури, впливу термообробки на зносостійкість покриттів і можливостей цілеспрямованої зміни характеристик покриття залежно від умов зовнішнього мікроударного навантаження, корозійної активності середовища, умов експлуатації робочих поверхонь деталей.
3. Цілі та задачі досліджень
Метою даної роботи є дослідження та систематизація кавітаційно-ерозійних характеристик КЕП в середовищах-електролітах, особливостей формування їх структури, впливу термообробки на зносостійкість покриттів і можливостей цілеспрямованої зміни характеристик покриття залежно від умов зовнішнього мікроударного навантаження, корозійної активності середовища.
4. Методика проведення досліджень
Для реалізації поставленої мети була створена установка для формування КЕП в широкому діапазоні технологічних параметрів електролізу як на горизонтальному, так і на вертикальному катоді [17].
У якості матриці для КЕП вибрано нікель. Нікель має спорідненість до більшості частинок, які використовуються як друга фаза, високі механічні характеристики, корозійну стійкість. Для формування КЕП використовували хлористі електроліти, які забезпечують швидкість осаджування нікелю 90.100 мкм/год, прості та стабільні в процесі електролізу [2, 3, 11, 18]. В роботі використано хлористий електроліт нікелювання наступного складу: 300 г/л ШС12 ■ 6Н20 і 40 г/л Н3ВО3 з pH 3.4, а також додатково вводили ПАР - лаурисульфат натрію в кількості 0,01.0,02 г/л, який полегшує включення частинок SiC в нікелеву матрицю та стабілізує хімічний склад електроліту в процесі електролізу [11].
В якості наповнювача використовували дисперсні порошки аморфного бору з розміром частинок біля 1 мкм та карбіду кремнію фракцій: близько 50 нм - наноча-стинки; М5; 28/20; 50/40 мкм. Вибір бору пояснюється можливістю його взаємодії з нікелевою матрицею при наступній термічній обробці з можливістю утворення твердих розчинів, евтектики, дисперсійно-твердого сплаву. Відповідно, в роботі прийнято позначення: №^Юнано -нікелева матриця з наповнювачем аморфним бором і на-ночастинками SiC розміром 50 нм і т.д. У результаті були сформовані покриття, що складалися лише з нікелевої матриці № (необхідні для отримання порівняльних дан них); Ш^іСнано; М^іСб; №^іС28; №^іС50. Осадження КЕП на зразки із сталі 45 проводили при густині струму
0.4.1 кА/м2, температурі 60±2 °С протягом 5.6 год та горизонтальному розміщенні зразка (катод). Товщина покриття знаходилася в межах 0,5...0,6 мм.
Термічну обробку покриттів здійснювали шляхом відпалу зразків у вакуумі при температурі 1097 оС для утворення твердих боридів Ш3В та евтектики Ш-Ш3В.
Зносостійкість при мікроударному навантаженні в корозійно-активних середовищах (КАС) визначали на установці з магнітострикційним вібратором (МСВ). Дослідження проводили в жорсткій воді ( MgSO4 ■ 7Н20 - 0,0343 г і СаС12 - 0,51 г на 1л дистиляту), та 3 %-му розчині хлориду натрію.
5. Результати досліджень кавітаційно-ерозійної зносостійкості сформованих КЕП
Аналіз втрат маси зразків з нанесеними КЕП при проведенні кавітаційно-ерозійних випробувань
З
вказує на те, що втрати маси залежать від складу покриття та виду середовища (рис. 1, 2). Випробування в жорсткій воді показали що, покриття на основі нікелю та КЕП складу №і^іС нано і №- SiC5 (криві 2, 3 і 4 на рис. 1) підвищують кавітаційно-ерозійну зносостійкість сталі 45 нормалізованої у жорсткій воді в середньому в 6 разів. Дещо меншу зносостійкість показали КЕП складу №і^іС28 і №і^іС50. (криві 5, 6 на рис. 1) Разом з тим, криві втрат маси зразків з КЕП мають затухаючий характер, а зношування сталі 45 інтенсифікується в процесі проведення випробування (крива 1 на рис. 1).
Рис. 1. Кінетика втрат маси ДG зразків за час проведення випробувань х при кавітації в жорсткій воді: 1 — сталь нормалізована; 2 — №; 3-№^іСнано; 4-М^іС5; 5-М^іС28; 6-М^іС50
З метою дослідження впливу корозійного фактора руйнування на інтенсивність кавітаційного зношування КЕП випробування проводили також в 3%-му розчині №аС1. Отримані результати (рис. 2) показують, що інтенсивність руйнування поверхонь зразків значно зростає. Так, втрати маси зразків з покриттям № зросли, порівняно із втратами маси в жорсткій воді з 8,7 10-4 мг/см2 до 64,1 10-4 мг/см2.
Рис. 2. Кінетика втрат маси ДG зразків за час проведення випробувань х при кавітації в 3%-вому розчині NaCl: 1-сталь нормалізована; 2- №; 3-М^іСнано; 4-М^іС5; 5-№^їС28; 6-М^іС50
Отже, за втратами маси в жорсткій воді сформовані КЕП можна розташувати в наступній послідовності (за зростанням втрат маси): №і^іС5; №і; №^іСнано; №і^іС28; №і^іС50, а аналогічний ряд в 3 %-му розчині №аС1 має вид: Ni-SiCнано; Ni-SiC5; Ni-SiC28•, Ni-SiC50; сталь 45 нормалізована; №і.
Проведені нами дослідження, підтвердили ефективність включень SiCнано і SiC5 для підвищення кавітаційно-ерозійної зносостійкості КЕП.
Для підвищення комплексу фізико-механічних та електрохімічних властивостей поверхонь з одночасним підвищенням їх кавітаційно-ерозійної зносостійкості було проведено термічну обробку КЕП.
Аналіз діаграм стану №і^іС показує, що карбід кремнію плавиться при температурі 2150 оС і не взаємодіє з нікелем. Отже, при термічній обробці КЕП складу №і^іС відбувається лише рекристалізація матриці та часткове зменшення залишкових напружень. В той же час, в системі №і-В утворюється евтектика при масовому вмісті В в кількості 4,2 % [19]. Температура утворення евтектики 1060.1080 оС.
Вакуумний дифузійний відпал КЕП №і-В при температурах, які не перевищують температуру утворення евтектики, приводить до отримання рівномірно розподілених по об’єму матриці боридів нікеля №і3В. Так, витримка протягом 1.2 год при температурі 200 оС вже достатня для початку утворення боридів і отримання боридних композиційних покриттів [2]. Нагрів покриттів до температури утворення евтектики дозволяє отримати доевтектичну структуру. Евтектика №і-№і3В утворює своєрідний твердий каркас, в проміжках якого розміщена м’яка складова [2, 11].
При введенні частинок аморфного бору в нікелеву матрицю дещо підвищується її мікротвердість до Нц = 3,2...3,6 ГПа. КЕП в яких крім частинок бору присутні також частинки карбіду кремнію, мають вищу мікротвердість Нц = 3,8...4,6 ГПа, що пояснюється більшими спотвореннями гратки, збільшенням густини дислокацій з одночасним дисперсним зміцненням нікелю частинками бору, які блокують рух дислокацій в покритті.
Термічний відпал в муфельній печі при температурі 400 оС протягом 1.2 год приводить до підвищення кавітаційно-ерозійної зносостійкості композиції №і-SiCнано приблизно на 20 % у жорсткій воді і біля 30 % в 3 %-му розчині №аС1 [20], що пояснюється зменшенням і вирівнюванням внутрішніх напружень в покритті, зменшенням гетерогенності структури (рис. 3).
Температура відпалу вибрана з тих міркувань, що необоротні перетворення і евтектичні утворення проходять в області температур 120.220; 300.350 і 370.450 оС [19].
Вакуумний відпал з оплавленням поверхні покриття проводили на установці ОКБ 8086 при температурах 1085.1090 оС. Після витримки в печі зразки охолоджували разом з піччю.
В зв’язку з тим, що аналіз кінетики втрат маси зразків які містили частинки SiC28 показав незначну їх різницю в зносостійкості при випробуваннях в 3 %-му розчині №аС1 (рис. 2) і дещо більшу різницю зносостійкості при випробуваннях в жорсткій воді (рис. 1) по відношенню до зразків SiC5 і SiCнано були проведені додаткові дослідження зносостійкості КЕП з частинками SiC28 в жорсткій воді. Вміст частинок на-
повнювача SiC28 становив 6,3; 15,7; 25,0; 30,0 об %. Результати проведення випробувань показані на рис. 3.
Максимальна зносостійкість КЕП в жорсткій воді з частинками SiC28 досягається при їх вмісті в матриці біля 25 % (рис. 4).
Рис. 3. Кінетика втрат маси ДG за час т , проведення випробувань при мікроударному навантаженні: 1, 2-сталь 45 нормалізована, відповідно, в 3 %-му розчині NaCl і жорсткій воді; 3, 4- КЕП М^іСнано в 3 %-му розчині NaCl і жорсткій воді; 5, 6- КЕП М^іСнано після відпалу у вакуумі в 3 %-му розчині NaCl і жорсткій воді
20
з
з
12
1
і
10
15
20
25 ЗО С а, %
б
Рис. 5. Мікроструктура покриття №^ІС28-В: а — вихідний стан; б — після вакуумного відпалу
Проведений рентгеноструктурний аналіз показав наявність в КЕП нікелю в кількості 67,63 і бориду Ш3В в кількості 32,37 мас. % відповідно.
Кавітаційно-ерозійні випробування КЕП №-SiC28-B після вакуумного відпалу в жорсткій воді показали (рис. 6), що зносостійкість за 2 год випробувань збільшується (крива 3), порівняно з КЕП без вакуумного відпалу (крива 1) в 2 рази.
Отже, вакуумний відпал при температурі утворення евтектики дозволяє отримувати щільні, гладкі покриття з високою кавітаційно-ерозійною зносостійкістю.
20
16
З 12
б
<
4 < <
х2
1 і ч3
ЗО
60
50
120 т, хе
Рис. 6. Втрати маси ДG за час т проведення випробувань при кавітації КЕП складу №^іС28-В в жорсткій воді:
1 - без термообробки; 2 - після відпалу і 3 - після оплавлення у вакуумі
Рис. 4. Кінетика втрат маси AG КЕП складу М^іС28 залежно від об’ємного вмісту Са, % частинок в жорсткій воді
Результати виробничих випробувань робочих коліс і кришок насосів зміцнених електроосаджуван-ням композиційних електролітичних покриттів на
Тому більші втрати маси в жорсткій воді порівняно
з втратами маси в 3%-му розчині №С1 (рис. 1, 2) можна пояснити далеко неоптимальним вмістом частинок SiC28 ( Са ~ 15,6%) в КЕП при необхідному їх вмісті Са« 25%.
На рис. 5, а показана мікроструктура покриття №^іС28-В без термообробки, на якому крупними частинками є включення SiC28, а дрібними - частинки бору. Після термічної обробки мікроструктура утворює каркас, що складається з евтектики №-№3В та боридів №3В (рис. 5, б) твердістю Н = 6,6...7,4 ГПа.
на деталях із сталі 45, проведених на ТДВ Чернівецьке спеціалізоване управ-ління «Мясомолмонтаж» показали, що при перекачці соляних розчинів термін їх служби збільшується приблизно в 11, а при перекачці водопровідної води в 6 разів.
6. Висновки
Отже, за кавітаційно-ерозійною зносостійкістю в жорсткій воді та в 3 %-му розчині №С1 за критеріями втрат маси ДG /А сформовані
а
основі нікелю з включенням частинок SiCнано і SiC5
Э
КЕП можна розділити на 2 групи: група I -КЕП складу №^ЇСнано і Ш^іСб і група II - КЕП складу Ш^іС28 Ш^іСбо.
2. Таким чином, для підвищення кавітаційно-ерозійної зносостійкості деталей, які експлуатуються в розчинах хлориду натрію і, зокрема в морській воді (3 %-ий розчин №С1), найбільш ефективними є КЕП складу Ш^іСнано і Ш^іСб (І група).
3. Термічний відпал при температурі 400 °С протягом 1.2 год підвищує кавітаційну зносостійкість КЕП Ш^іСнано на 20 % в жорсткій воді
і на 30 % в розчині №С1, що пояснюється підвищенням мікротвердості та вирівнюванням внутрішніх напружень покриття і підвищенням корозійної стійкості внаслідок зменшення електрохімічної гетерогенності
4. Вакуумний відпал КЕП з частинками карбіду кремнію і бору при 1080-1090 °С дозволяє отримувати щільні і гладкі покриття кавітаційна зносостійкість яких підвищується в середньому більше як в 2 рази внаслідок утворення твердого каркасу з евтектики Ш-Ш3В та боридів Ш3В.
Література
1. Jelinek, T. W. Fortschrite in der Galvanotechnik. Eine Auswertung der interna-tionalen Fachliteratur 2003 2004. [Текст] / T. W. Jelinek // Galvanotechnik. -2005.-Bd. 96, № 1. - S. 42 - 71.
2. Лучка, М. В. Износостойкие диффузионно-легированные композици- онные покрытия. [Текст] / М. В. Лучка, М. В. Киндра-чук, П. И. Мельник ; - К. : Техніка, 1993. -143 с.
3. Антропов, Л. И. Композиционные электрохимические покрытия и материалы [Текст] / Л. И. Антропов, Ю. H. Лебединский ; -К.: Техника. 1983. - 200 с.
4. Бородин, И. H. Порошковая гальванотехника [Текст]/ ИЛ. Бородин - М.: Машиностроение, 1990. - 240 с.
5. Tseluikin, V. N. Composite coatings with fullerene C60: Hydrogen materials science and chemistry of carbon nanomaterials [Текст]/ V. N. Tseluikin, I. V. Tolstova, O. G. Nevernaya // IX International Conference ICHMS. - Kiev: ADEF. 2005. - S. 520 - 523.
6. Wagner, E. An electrochemical investigation of corrosive wear of as-plated and heat-treated Ni and Ni-SiC coatings [Текст] /
Е. Wagner, Е. Broszeit // Wear. - 1979. - Vol. 55, № 2. - Р. 235-244.
7. White, C. A study of Particlecatnode adhesion durinq the formation of Eectrodeposited compo-site coatings [Текст] / С. White, Y. Foster // Transactions of the Institute of Metall Finishinq. 1978. - P. 56.92-95.
8. Сайфуллин, Р. С. Композиционные покрытия и материалы [Текст] / Р. С. Сайфуллин // - М. : Химия, 1977. - 272 с.
9. Metzqer, W. Ber.VIII Konqresses der Intern. Union fur Qalvanotexnik und Oberflachen-behandlunq [Текст] / W. Metzqer, T. Brik // Zurich. 1973. - 67p.
10. Гуслиенко, Ю. H. Исследования процессов получения износостойких композиционных покрытий на основе никеля и железа и изучение их свойств: автореф. дис. ... канд. техн. наук : 05.02.04 [Текст] / Ю. H. Гуслиенко // -К., 1975. - 18 с.
11. Корніенко, А. О. Формування триботехнічних властивостей композиційних електролітичних покриттів на основі нікелю створенням градієнтних структур: автореф. дис. канд. техн. наук : 05.02.04 [Текст] / А. О. Корніенко - К., 2007. - 21с.
12. Kampschulte, G. Adscheiclung von nickel-schieten mit modulierten Staomen. [Текст] / G. Kampschulte, J. Mann // Metall. 37. 10. 1006-1012.
13. Фролова Ф. П., Причины сцепления никель-карбид кремния покрытий с алюминиевым сплавом [Текст] / Ф. П. Фролова, И. И. Житкевич, Е. С. Михайленец // Тр. АH Лит. СССР, 1975. - №5 (114). - С. 21-28.
14. Wagner, Е. An electrochemical investigation of corrosive wear of as-plated and heat-treated and Ni-SiC coatings. [Текст] / Е. Wagner, Е. Broszeit // Wear.1.55. 2. 235-244p.
15. Гуслиенко, Ю. А. Структура и свойства комозиционных электрохимических покрытий никель-диборид хрома [Текст] / Ю. А. Гуслиенко, М.В. Лучка, ВЛ. Яненский и др. // Порошковая металлургия. -1989. - №3. - С. 54-59.
16. Гуслиенко, Ю. А. Получение композиционных боридных покрытий поверхностным нагревом концентрированными источ-
никами энергии [Текст] / Ю.А. Гуслиенко, ТЛ. Тихонович, В.П. Стеценко и др. // Защитные покрытия на металлах. -1993. -Вып.27. - С. 35-39.
17. Стечишин, М. С. Установка для нанесення композиційних електролітичних покриттів [Текст] / М. С. Стечишин, Ю. М.
Білик, А. В. Мартинюк // Вісник ХHУ. Технічні науки. - Хмельницький. - 2008. - №2. - С. 196-199.
18. Яворський, В. Т. Електрохімічне нанесення металевих, конверсійних та композиційних покриттів [Текст] / В. Т. Яворський, О. І. Кунтій, М. С. Хома // -Львів : Державний університет «Львівська політехніка», 2000. - 216 с.
19. Стечишин, М. С. Формування композиційних електролітичних покриттів на нікелевій основі для підвищення корозійно-механічної зносостійкості конструкційних сталей [Текст] / М.С. Стечишин, Ю.М. Білик, М.В. Кіндрачук // Пошкодження матеріалів під час експлуатації, методи їх діагностування і прогнозування: Праці міжн. наук.-техн. конф, 21-24 вересня, Тернопіль: ТДТУ ім. І. Пулюя, 2009. - С. 240-245.
20. Стечишин, М. С. Кавітаційна стійкість комплексних електролітичних покриттів в корозійно-активних середовищах [Текст] / М. С. Стечишин, Ю. М. Білик, В. М. Педан // Матеріали міжнар. ^ук.-техн. конф. «Фундаментальні та прикладні проблеми сучасних технологій». - Тернопіль: ТHТУ, 2010. - С. 100-101.
Е
