CC BY
78
УДК 621.9.047
МИКРОТВЕРДОСТЬ КОМПОЗИТНЫХ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ
ЖЕЛЕЗНОЙ МАТРИЦЫ
С.Ю. Жачкин, В.В. Михайлов, Д.В. Гедзенко, А.А. Живогин
В статье рассматривается возможность управления микротвердостью композитных гальванических покрытий на основе хромовой матрицы. Получены результаты, позволяющие получать заданную микротвердость в композитных гальванических покрытиях путем варьирования режимных параметров осаждения
Ключевые слова: хромирование, покрытие, механическая обработка
Микротвердость покрытий имеет важное значение, т.к. функционально определяет их износостойкость. Из литературных источников [1] известно, что внедрение чужеродных включений в гальваническую матрицу позволяет повысить микротвердость получаемых композитных покрытий. Для оценки искажений кристаллической решетки покрытия, получаемой при внедрении дисперсных частиц наполнителя, применялась методика, описанная в ряде работ [2, 3]. Рентгенограммы, снятые на кобальтовом излучении по методу обратной съемки в камере КРОС-1 с алюминиевым эталоном, фотометрировались на микрофотометре МФ-2 с использованием логарифмической шкалы. Величина искажений и, м определялась по интегральной ширине линии (310^е, которая получалась в результате деления площади кривой почернения на ее максимальную высоту. Абсолютная ошибка при этом колебалась в пределах 0,04—0,06 мм.
Как показала практика, введение в хлористый электролит мелкодисперсных частиц наполнителя оказывает большое влияние на процесс электрокристаллизации и, соответственно, на искажения кристаллической решетки. С увеличением их концентрации искажения решетки постепенно растут, проходят через максимум при концентрации наполнителя 100 мг/см3, а затем падают, как показано на рис. 1.
Наличие максимумов искажений решетки осаждаемого покрытия при одной и той же концентрации составляющих электролита дает основание считать, что эти искажения возникают в процессе электрокристаллизации, а на характер их изменения оказывает влияние концентрация дисперсного наполнителя композитного покрытия. Другими словами, искажения кристаллической решетки находятся в прямой зависимости от концентрации дисперсного наполнителя.
Жачкин Сергей Юрьевич - ВГТУ, д-р техн. наук, доцент, тел. 89081499632
Михайлов Владимир Владимирович - ВАИУ, д-р техн. наук, профессор, тел. 89081499632
Гедзенко Денис Викторович - ВАИУ, канд. техн. наук, тел. 89192336601
Живогин Александр Анатольевич - ВГТУ, аспирант, тел. 89164207112
0.6 '
3
0 '
0 20 40 60 80 100 120 140 160
Концентрация наполнителя, мг/см3
Рис. 1. Влияние концентрации наполнителя в гальванической матрице на искажения кристаллической решетки
Полученные результаты хорошо согласуются и с общепринятой теорией электрокристаллизации [4]. Разряд ионов, как известно, происходит на небольших активных участках кристаллов. При этом двумерные зародыши, являющиеся основой будущих граней, могут образовываться лишь при определенном перенапряжении, в противном случае, они являются неустойчивыми и распадаются. Для образования зародышей требуется некоторая энергия активации.
Чем больше катодная поляризация, что и имеет место в процессе гальвано-контактного осаждения (ГКО) железа благодаря наличию механической активации поверхности катода инструментом, тем больше в единицу времени образуется центров кристаллизации, тем более дисперсным получается электролитический осадок и с большими искажениями кристаллической решетки.
Для изучения влияния электролиза на микротвердость получаемых покрытий применялось математическое планирование эксперимента [5]. Был реализован полный факторный эксперимент 23. Характеристики плана эксперимента выбирались из условия получения композитных железных покрытий с максимальной твердостью (концентрация дисперсного наполнителя в покрытии составила 100 мг/см3) и рациональной производительностью. В результате области варьирования независимых переменных были выбраны следующие: плотность тока, i А/дм2 24 - 30
температура электролита, t °С 70 - 90
давление инструмента, Р МПа 1 - 2
скорость главного движения Угл м/мин 0,5 - 5,5 скорость вспомог. движения Увсп мин-1 80 - 160
В качестве зависимой переменной была взята микротвердость покрытий (Нц, МПа). Исследования проводились методом регрессионного анализа, для чего на основании экспериментальных данных была построена матрица планирования, содержащая зависимую и независимые переменные. Одним из условий этого метода является предположение о функциональной независимости варьируемых переменных. Для оценки этого положения проводился корреляционный анализ. На основании анализа матрицы коэффициентов парной корреляции, был сделан вывод о необходимости включения в модель таких факторов исследуемого процесса, как плотность тока, температура рабочей среды, давление инструмента на поверхность. Остальные факторы процесса оказались не значимы.
Следующим этапом работы является подбор математической модели, наиболее точно описывающей исследуемый процесс.
Анализируя вычисления, установлено, что наилучшим образом описывает исследуемый процесс полином первой степени со свободным членом, т.к. для него коэффициент детерминированности имеет наибольшее значение.
Проверка адекватности выбранной модели по критерию Фишера, показала, что уравнение регрессии адекватно описывает влияние основных факторов процесса железнения методом ГКО на микротвердость получаемых покрытий.
В результате расчета пошаговой множественной регрессии с применением пакета научных подпрограмм «$1айзйка» получено уравнение, описывающее зависимость микротвердости от исследуемых факторов
Нц = 6709,83 +100/ -15,983/ +155,16р (1)
Анализ позволил выявить, что зависимость микротвердости от исследуемых факторов сильная -множественный коэффициент корреляции достигает значения 0,999.
Анализируя корреляционную матрицу, видно, что наибольшее значение на микротвердость оказывает плотность тока (коэффициент корреляции
0,863). Менее значительно влияют на микротвердость температура электролита (коэффициент корреляции - 0,459) и давление инструмента (коэффициент корреляции 0,223).
После проверки значимости коэффициентов регрессии по критерию Стьюдента [5], выяснилось, что все коэффициенты регрессии оказались значимыми, т.к. вычисленные значения критерия Стью-дента оказались больше критического t крит. = 2,776 [5], а их абсолютные значения оказались больше соответствующих стандартных ошибок.
Таким образом, уравнение, описывающее зависимость микротвердости композитного покрытия на
основе железной матрицы, имеет вид представленный формулой (1).
Из анализа влияния исследуемых факторов на микротвердость покрытий следует, что с увеличением температуры электролита микротвердость покрытий уменьшается, что хорошо согласуется с характером влияния температуры электролита на микротвердость как при обычном железнении [6], так и при гальваноконтактном методе осаждения композитных железных покрытий [7] и объясняется, видимо, увеличением пластичности железа с повышением температуры электролита. Как показала практика, наиболее рациональной плотностью тока для получения качественных композитов на основе железной матрицы, является значение 28 А/дм2, так как позволяет осаждать покрытия с наилучшим качеством. Дальнейшее увеличение плотности тока, немного увеличивая скорость осаждения покрытий, дает значительное ухудшение их качества. В связи с этим, пространственный отклик регрессионной модели представленный на рис. 2, построен для плотности тока 28 А/м2.
30 График поверхности (Микротвердость)
Функция = 9509,83-15,983*Х+155,16*у
I I 8466 I I 8383 ■ 8300
Рис. 2. Отклик регрессионной модели при i = 28 А/дм2
На рис. 3 показана номограмма для определения режимных параметров обработки с целью получения композитных железных покрытий заданной микротвердости.
Увеличение плотности тока приводит к увеличению микротвердости получаемых композитных железных покрытий и объясняется, видимо, экстремальным характером зависимости микротвердости от плотности тока, когда максимальная микротвердость наблюдается при определенной плотности тока.
Величина давления инструмента в исследуемом диапазоне влияет на величину микротвердости получаемых покрытий прямо пропорционально.
Карта линий уровня (Микротвердость) Функция = 9509,83-15|983’Х+155,16*у
Температура электролита, С
Рис. 3. Микротвердость (МПа) композитных железных покрытий при i = 28 А/дм2
Микротвердость композитных железных покрытий, полученных методом ГКО, соответствует значениям 8300 - 8700 МПа, а микротвердости покрытий, полученных традиционным железнением 6500 - 6700 МПа. Таким образом, экспериментально доказано, что технология ГКО позволяет превзойти микротвердость железных покрытий, полученных по стандартной технологии без ухудшения их остальных физико-механических свойств, что позво-
ляет прогнозировать достаточно высокую их износостойкость.
Литература
1. Грилихес С.Л., Тихонов К.И. Электролитические и химические покрытия. Теория и практика. Л.: Химия. Ленинградское отделение. 1990. 288 с.
2. Ковенский И.М., Поветкин В.В., Рос. АН Методы исследования электролитических покрытий. М.: Наука 1994. 233 с.
3. Каданер Л.И. Справочник по гальваностегии. Киев: Техника, 1976. 254 с.
4. Иванов В.П. Восстановление деталей машин. Справочник. М.: Машиностроение, 2003. 672 с.
5. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. - 2-е изд., - М.: Наука, 1976. 280 с.
6. Шлугер М.А., Ажогин Ф.Ф., Ефимов Е.А. Коррозия и защита металлов. М.: Металлургия, 1981. 216 с.
7. Жачкин С.Ю. Восстановление деталей машин композитным хромовым покрытием. ГОУВПО ВГТУ, Воронеж: 2009. 177 с.
Воронежский государственный технический университет Военный авиационный инженерный университет (г. Воронеж)
MICROHARDNESS OF COMPOSIT GALVANIC COVERINGS ON THE BASIS
OF THE IRON MATRIX
S.Yu. Zhachkin, V.V. Mihailov, D.V. Gedzenko, A.A. Zhivogin
In article possibility of management by microhardness of composite galvanic coverings on the basis of a chromic matrix is considered. The results are received, allowing receiving the set microhardness in composite galvanic coverings by a variation of regime parameters of sedimentation
Key words: chromium plating, a covering, machining
