CC BY
0
О СТРУКТУРЕ ЦИАНИРОВАННЫХ ЭЛЕКТРООСАЖДЕННЫХ
ЖЕЛЕЗНЫХ ПОКРЫТИЙ Серебровский Владимир Исаевич, д.т.н., профессор1 (e-mail:svi.doc@yandex.ru) Курский государственный аграрный университет Серебровский Вадим Владимирович, д.т.н., профессор Сафронов Руслан Игоревич, к.т.н., доцент1 (e-mail: russafronov@yandex.ru) Юго-Западный государственный университет, г.Курск, Рсссия
В данной статье рассмотрены структура электроосажденных железных покрытий, получаемых на различных условиях электролиза и упрочненных цианированием. Показано влияние химико-термической обработки на структуру покрытия, используемого для восстановления изношенных деталей машин.
Ключевые слова: восстановление, цианирование, электроосаждение, химико-термическая обработка, размер блоков мозаики, плотность дислокаций, микроискажения.
При восстановлении тяжелонагруженных деталей электроосажденным железом необходимо наносимые слои подвергать химико-термической обработке. Физико-механические свойства упрочненных покрытий определяются количеством насыщающих элементов и структурными составляющими, приобретенными в результате насыщения и закалки.
Цианирование покрытий осуществлялось из пасты (обмазки), состоящей из желтой кровяной соли - 50%, древесного угля - 34%, углекислого бария и маршалита - по 8%. Для связки активных компонентов пасты использовали гидролизованный этилсиликатный клей [1,2].
Насыщение проводили при температуре 623.. .873 К. Образцы закаливали в воде [3].
При исследовании влияния скорости охлаждения на структуру покрытий образцов после цианирования их охлаждали на воздухе или помещали в предварительно нагретую муфельную печь и охлаждали вместе с ней. Температуру на поверхности образцов контролировали термопарой.
Для упрочнения применяли наиболее характерные типы железных покрытий, условия осаждения которых представлены в таблице 1. Осаждали покрытия на периодическом токе с обратным импульсом.
Параметры субмикроструктуры перед цианированием, а также определение фазового состава обработанных, закаленных и низкоотпущенных покрытий оценивали рентгенографически на дифрактометре в Fe-Ka излучении.
Таблица 1 - Влияние условий электролиза на параметры _субмикроструктуры и размер зерна покрытий_
« и Исходные пара-
Параметры электролиза н метры субмикроструктуры покры- а « е р
са о е л тий аг я е л
№ а (М м - -т е ,и к микроискажения « и
ре- жима Состав электролит Температура, К Плотность тока, А/; Коэффициент асимм иии Микротвердость пос МПа и а з о м в И ¡с он л б р е м аз с^ ац к о л с и д ь т с о н т о л П с о п а н р со р е м о X
1 Хлорид железа 600.650 кг/м3 363 40 4 1850 80 0,6 0,41 5.6
2 348 40 4 3640 25 1,2 4,60 8.9
3 313 40 4 6840 19 2,7 8,20 10..11
Металлографические исследования проводили на микроскопе МИМ-8м, микротвердость измеряли прибором ПМТ-3. Для выявления структуры цианированных покрытий применяли 4%-ный раствор НЫ03 в этиловом спирте или щелочной раствор пикрата натрия.
Металлографические исследования и рентгеноструктурный анализ показали, что структура железного покрытия с исходным размером блоков мозаики 80 нм после насыщения, закалки в воде и низкого отпуска подобно структуре нитроцементованной стали и состоит из карбонитридов железа, мартенсита и остаточного аустенита. Содержание последнего в поверхностных слоях достигает 16%. Микротвердость на поверхности образца равна 8500...8800 МПа.
При упрочнении покрытия с размером блоков мозаики 25 нм наряду с отмеченными составляющими в структуре обнаружены небольшие участки троостита. Микротвердость участков с мартенситной структурой составляет 7300.7800 МПа. Структура закаленного и низкоотпущенного цианиро-ванного слоя покрытия с исходным размером блоков мозаики 19 нм состоит из тех же составляющих, отмеченных в опыте 2.
Изменение структуры цианированных покрытий, осажденных по режимам 2 и 3, обьясняется наличием в них в исходном состоянии более мелких зерен, повышенного содержания дефектов кристаллического слоя и инородных включений. Кроме того, эти покрытия обладают более низкими упруго-пластическими характеристиками. При быстром нагреве до температуры насыщения значительная часть дефектов исходной структуры сохраняются. Одновременно происходит дробление зерен и субзерен, увеличение дефектов кристаллического строения. Известно, что границы зерен и субзерен, инородные включения, дислокации являются центрами распада аустенита. В мелкоблочном и мелкозернистом металле с повышенным количеством дефектов кристаллического строения путь диффузии элементов
внедрения из кристаллической решетки к образовавшимся зародышам цементита короче, поэтому в этих покрытиях прокаливаемость ниже, а мартенсит разупрочняется больше. Причем диффузия этих элементов происходит при закалке образцов. Закалка их в более сильных охладителях уменьшает или устраняет участки со структурой троостита, что свидетельствует о подавлении диффузии углерода и азота в процессе закалки.
При охлаждении на воздухе насыщенных покрытий, полученных из простого электролита железнения, наряду с аномальностью первого вида в структуре между цементитом и перлитом обнаружена ферритная прослойка. Причем, чем мельче исходные зерна и блоки мозаики покрытий, тем больше эта аномальность. Уменьшение скорости охлаждения с температуры химико-термической обработки еще больше увеличивает аномальность структуры.
Образование аномальной структуры 2-го вида нежелательно, так как при повторном нагреве под закалку грубая сетка или крупные включения цементита не успевают раствориться в аустените, вследствие чего после закалки образуются участки с различной твердостью, снижающие физико-механические свойства покрытий.
Причиной образования аномальной структуры 2-го вида следует считать влияние тех же факторов, способствующих снижению прокаливаемости при охлаждении в воде. Однако при медленном охлаждении предпочтительным местом образования зародыша цементита являются границы зерен. В связи с мелкозернистым и мелкоблочным строением покрытий высокой исходной твердости путь диффузии углерода и азота к границам облегчен.
При цианировании покрытий, осажденных из простого электролита же-лезнения, с исходным размером блоков мозаики менее 30 нм, в структуре встречается так называемая «темная составляющая», глубина которой может достигать 0,10...0,15 нм. Она представляет собой поры, заполненные молекулярным азотом, существенно снижающие физико-механические свойства упрочненных слоев.
Образование пор только в покрытиях, осажденных по режиму 3, объясняется, по-видимому, наличием в этих осадках значительных дефектов строения и трещин, а также более низкими их упруго-пластическими характеристиками по сравнению с другими видами покрытий.
Особый интерес представляло изучение приграничной зоны «основной металл - покрытие». Анализ структуры границы «основа-покрытие» после нормализации показал, что в результате нагрева и выдержки происходит перекристаллизация зерен покрытия, рассасывание части дефектов кристаллического строения из границы. В этом случае границу можно различить только по форме и размерам зерен основного металла и электролитического покрытия.
Согласно нашим исследованиям, при цианировании покрытий с исходным размером блоков мозаики более 50 нм концентрационный перепад в
пограничной зоне не появляется. Однако если в этой зоне содержание углерода выше эвтектидного, то избыточный цементит частично выделяется на границе. Это свидетельствует о недостаточном рассасывании дефектов субмикроструктуры из границы во время нагрева, что увеличивает вероятность образования на границе центров распада аустенита. В закаленном состоянии в этой зоне троостит отсутствует.
При насыщении покрытий, осажденных из малоуглеродистой стали, установлено, что с уменьшением блоков мозаики на границе возникает концентрационный перепад насыщающих элементов. Причем чем меньше исходные зерна и блоки мозаики, тем больше указанный перепад. Причина его образования объясняется, по-видимому, различием диффузионной активности элементов внедрения в покрытии и основе. Как было доказано ранее [4,5,6], с уменьшением размеров зерен и повышением плотности дислокаций покрытий диффузия углерода и азота по границам зерен возрастает, а в теле зерна замедляется. Так как в покрытиях, осажденных при более «жестких» режимах, размеры зерен намного меньше, а плотность дислокаций значительно превышает аналогичные показатели основного металла, то углерод и азот диффундируют преимущественно по границам зерен до основы. В силу пониженного значения дефектов кристаллического строения основы диффузия элементов по телу зерна значительнее, чем в покрытии, поэтому пограничные зерна основы больше насыщаются, чем зерна покрытий, прилегающих к границе [7]. При закалке из-за неоднородности насыщающих элементов в этой зоне могут возникать растягивающие напряжения, способствующие появлению на границе микротрещин.
Следует отметить, что если основной металл содержит повышенное количество углерода и других легирующих элементов, то при быстром нагреве в приграничной зоне покрытия происходит диффузия этих элементов, и величина концентрационного перепада уменьшается.
Исходная структура железных покрытий, полученных из простого электролита железнения, существенно влияет на строение и фазовый состав цианированных слоев. Для формирования насыщенных слоев с оптимальными физико-механическими свойствами необходимо осаждать из этого электролита покрытия с размером блоков мозаики более 38 нм.
Установлено, что замедление скорости охлаждения с температуры обработки способствует формированию аномальной структуры 2-го вида. Для исключения образования этой структуры необходимо цианированные железные покрытия охлаждать со скоростью более 274,5 К/с.
В случае существенного различия размеров зерен, блоков мозаики и дефектов кристаллического строения покрытия и основного металла в пограничной зоне «основа-покрытие» возникает концентрационный перепад насыщающих элементов, приводящий к снижению физико-механических свойств восстановленной детали. Если основной металл содержит углерода более 0,4%, то этот перепад менее заметен.
Список литературы
1. Серебровский В.И., Калуцкий Е.С., Серникова О.С. Применение нитроцемента-ции для упрочнения электроосажденных железных покрытий // В сборнике: Современные автомобильные материалы и технологии (САМИТ - 2022). сборник научных статей 14-й Международной научно-технической конференции. Курск, 2022. С. 243248.
2. Серебровский В.И., Калуцкий Е.С., Серникова О.С. Исследование влияния химико - термической обработки на свойства электроосажденных покрытий // В сборнике: Современные проблемы и направления развития агроинженерии в россии. сборник научных статей 2-й Международной научно-технической конференции. Курск, 2022. С. 195-199.
3. Серебровский В.И., Сафронов Р.И., Калуцкий Е.С. Химико-термическое упрочнение электроосажденных сплавов на основе железа // В сборнике: Современные проблемы и направления развития агроинженерии в России. сборник научных статей 2-й Международной научно-технической конференции. Курск, 2022. С. 200-203.
4. Серебровский В.И., Калуцкий Е.С., Серникова О.С. Химико-термическое упрочнение стали нитроцементацией // В сборнике: Современные проблемы и направления развития агроинженерии в России. сборник научных статей 2-й Международной научно-технической конференции. Курск, 2022. С. 204-207.
5. Блинков Б.С., Серебровский В.И., Калуцкий Е.С., Белан Э.А. Упрочнение цианированием электроосажденных сплавов на основе железа // Сельский механизатор. 2016. № 4. С. 32-33.
6. Серебровский В.И., Серебровская Л.Н., Калуцкий Е.С. Упрочнение гальванических покрытий химико-термической обработкой // В сборнике: Инновационная деятельность науки и образования в агропромышленном производстве. материалы Международной научно-практической конференции. Ответственный редактор И.Я. Пиго-рев. 2019. С. 3-7.
7. Калуцкий Е.С., Серебровский В.И., Блинков Б.С. Цианирование электроосажде-ненных железохромистых покрытий // Сельский механизатор. 2016. № 3. С. 35.
8. Упрочняющее легирование электроосажденного железа/ Серебровский В.И., Серебровский В.В., Сафронов Р.И., Гнездилова Ю.П.// вестник курской государственной сельскохозяйственной академии. 2015. № 4. с. 68-71.
9. Синтез нечетких решающих правил для прогнозирования и ранней диагностики по прогностическим таблицам с использованием методов рефлексодиагностики/ Се-ребровский В.И., Коптева Н.А., Крупчатников Р.А., Стародубцева Л.В.// Системный анализ и управление в биомедицинских системах. 2008. Т. 7. № 3. С. 643-648.
10. Упрочнение электроосажденных покрытий цианированием/ Серебровский В.В., Серебровский В.И., Сафронов Р.И., Гнездилова Ю.П., Калуцкий Е.С.// Электрика. 2015. № 11. С. 31-33.
11. Легирование молибденом электролитического железа/ Серебровский В.И., Саф-ронов Р.И., Калуцкий Е.С., Крюков А.Г.// Региональный вестник. 2016. № 1 (2). С. 45.
12. Использование электроосажденных сплавов на основе железа для упрочнения и восстановления деталей машин/ Серебровский В.И., Серебровский В.В., Блинков Б.С., Калуцкий Е.С.// Региональный вестник. 2016. № 1 (2). С. 41-43.
Serebrovsky Vladimir Isaevich, Doctor of Technical Sciences, Professor1 Serebrovsky Vadim Vladimirovich, Doctor of Technical Sciences, Professor2 Safronov Ruslan Igorevich, Ph.D., Associate Professor1 1Kursk State Agrarian University 2Southwestern State University
ON THE STRUCTURE OF CYANIDATED ELECTRODEPOSITED IRON COATINGS
This article examines the structure of electrodeposited iron coatings obtained under various electrolysis conditions and strengthened by cyanidation. The influence of chemical-thermal treatment on the structure of the coating used to restore worn machine parts is shown. Key words: reduction, cyanidation, electrodeposition, chemical-thermal treatment, mosaic block size, dislocation density, microdistortion.
К ВОПРОСУ О ТВЕРДОСТИ ЭЛЕКТРООСАЖДЕННЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ ПОКРЫТИЙ Серебровский Вадим Владимирович, д.т.н., профессор Юго-Западный государственный университет, г.Курск, Россия Калуцкий Евгений Сергеевич, к.т.н.
(e-mail: kalutsky1990@mail.ru) Серникова Ольга Сергеевна, аспирант (e-mail: olga.sernikova@mail.ru) Курский государственный аграрный университет
В статье рассмотрены вопросы связанные с достаточно выскокй микротвердостью электроосажденных железных покрытий, а также рассмотрены причины возникновения такой микротвердости
Ключевые слова: микротвердость, электроосаждение, кристаллическая решетка, размеры блоков мозаики.
Как известно, твердость - это одна из главных характеристик покрытий в целом и элекроосажденных покрытий в частности, так как эти покрытия используются для восстановления изношенных деталей машин. По значению твердости можно оценить и другие механические свойства позволяет дать оценку другим механическим свойствам, и в конечном итоге, можно произвести оценку параметров износостойкости и долговечности деталей, подвергнутых восстановлению электроосажденными покрытиями. Электролитическое железо является одним из наиболее распространенных покрытий в практике восстановления деталей [1,2]. Данный способ позволяет получать покрытия с достаточно высокой твердостью, порядка 6000 МПа. Данное значение твердости сопоставимо с аналогичным параметром закаленной стали. Важно заметить, что в электроосажденном железном покрытии отсутствует углерод, наличие которого объясняло достаточно высокую твердость. Исходя из этого особый интерес представляет анализ возникновения такой твердости электроосажденных железных покрытий.
Существуют различные объяснения высокой твердости электроосаж-денного железа: в процессе электролиза значительно искажается кристаллическая решетка железа; возможно наличие оксидов и гидроксидов в структуре получаемых осадков; мелкодисперсность осадка, которая влечет к зернограничному упрочнению и др. [3,4]
