CC BY
18
DOI: 10.26730/1999-4125-2018-2-101-106 УДК 621.9.047
ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АНОДНОГО ПОВЕДЕНИЯ ПОКРЫТИЯ СИСТЕМЫ Ni-Cr-B-Si
POLARIZATION INVESTIGATIONS OF ANODIC BEHAVIOR OF THE Ni-Cr-B-Si COATING
Янпольский Василий Васильевич,
кандидат техн. наук., доцент, e-mail: yanpolskiy@corp.nstu.ru, Vasily V. Yanpolskiy, Ph.D. (Engineering), Associate Professor
Иванова Мария Валерьевна, аспирант, ассистент, e-mail: m.ivanova.2010@stud.nstu.ru, Maria V. Ivanova, Ph.D. Student, assistant, Кадырбаев Роман Маратович, аспирант, ассистент, e-mail: kadyrbaev.2013@corp.nstu.ru, Roman М. Kadyrbaev, Ph.D. Student, assistant Андреев Артем Николаевич, магистрант, e-mail: andreev.2012@stud.nstu.ru, Artem N. Andreev, Graduate student
Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г.Новосибирск, пр. Карла Маркса, 20
Novosibirsk State Technical University, 20 Prospect К. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russian Federation
Аннотация: Рассмотрены особенности применения покрытий на хромоникелевой основе, в частности покрытия ПГ-10Н-01. Приведены поляризационные исследования электрохимического растворения покрытия в водных растворах нейтральных солей Na2SC>4, NaCl и ИаИОз в потенциодинамическом режиме. Представлена схема установки для проведения экспериментальных исследований. Установлено, что растворение покрытия в водном растворе 10% Na^Oj протекает в активном состоянии во всем исследуемом диапазоне потенциалов от 0 до 9 В при imax=13 А/см2. Показано, что растворение покрытия ПГ-10Н-01 в 10% NaNOз протекает в активном состоянии до потенциала (р = 8 В и в пассивном состоянии в области потенциалов потенциала (р = 8. .9В при максимальной плотности тока imax= 12,3 А/см2. Установлено, что при электрохимическом растворении покрытия в растворе 10% NaCl наблюдаются участки пассивации, активации и транспассивации поверхности покрытия, связанные с образованием окисных пленок и хлоридов хрома на поверхности образца. Выявленные особенности электрохимического растворения хромоникелевого покрытия ПГ-10Н-01 позволяют установить режимы электроалмазного шлифования деталей с покрытиями.
Abstract: The features of application of the nickel-chromium coatings, in particular, PG-10N-01 coating are considered. Polarization investigations of the electrochemical dissolution ofPG-10N-01 coating in aqueous solution of neutral salts ЫаИОз, Na2S04, NaCl in potentiodynamic modes are presented. The scheme of installation for conducting investigations is presented. It is found, that dissolution of the coating in an aqueous solution of 10% Na2SC>4 takes place in the active state before the potential <p = 9 V at imax=13 A/cm2. When the coating PG-10N-01 is dissolved in 10% NaN03 solution, there are areas of active (q> = 1 ... 8 V) and passive (cp = 8 ... 9 V) dissolution at the maximum current density imax= 12,3 A/cm2. The revealed features of electrochemical dissolution of the chromium-nickel coating PG-10N-01 allow to set the values of electric powered diamond grinding of parts with coatings..
Ключевые слова: покрытие ПГ-10Н-01, электроалмазное шлифование, электрохимическое растворение, поляризационные исследования
Key words: PG-10N-01 coating, electric powered diamond grinding, electrochemical dissolution, polarization investigations.
6 5 3
Рис. 1. Схема установки для проведения поляризационных исследований 1 - потенциостат Elins Р-20Х; 2 - емкость для электролита; 3 -крышка с кронштейном; 4 - рабочий электрод (Work); 5 - электрод сравнения (Ref.); 6 - вспомогательный электрод (Counter); 7 -
эбонитовая оправка; 8 — крепежный винт. Fig. 1. Installation scheme for polarization investigations 1- potentiostat Elins P-20X; 2 - electrolyte tank; 3 - cover with support; 4 - work electrode; 5 - reference electrode; 6 - counter electrode; 7 - ebonite mandrel; 8 - machine screw
Формирование износостойких и высокопрочных покрытий является эффективным методом улучшения эксплуатационных характеристик изношенных и новых деталей. Для этих целей широкое применение находят покрытия на хромонике-левой основе, в частности сплавы системы №-Сг-В-81, способные противостоять коррозии, высоким температурам, износу и другим неблагоприятным факторам. Кроме того, повышенное содержание углерода, хрома и бора в исходном порошке способствует формированию при наплавке покрытия с высокой твердостью и износостойкостью в условиях абразивного и адгезионного изнашивания.
Одним из распространенных методов нанесения покрытия является вакуумная электроннолучевая наплавка. Применение данного метода нанесения покрытия позволяет устранить многие недостатки, присущие распространенным в настоящее время методам дуговой наплавки и наплавки токами высокой частоты [1,2].
Для достижения заданной точности размеров и формы после наплавки требуется обработка нанесенных покрытий. Традиционные методы финишной обработки, такие как абразивное шлифование вызывают дефекты на поверхности нанесенного покрытия, вследствие высоких контактных температур и сил резания. Одним из возможных методов обработки высокопрочных материалов является электроалмазное шлифование, которое хорошо зарекомендовало себя при обработке твердых сплавов, быстрорежущих сталей и изно-
состойких покрытий. Поскольку электроалмазное шлифование совмещает процессы электрохимического растворения обрабатываемого материала с процессами механического резания зернами алмазного круга [3 - 5], то производительность обработки во многом определяется особенностями анодного растворения покрытия в выбранных составах электролитов [6].
Таким образом, для эффективного применения электроалмазного шлифования при обработке хромоникелевых покрытий на основе порошкового материала ПГ-10Н-01 необходимо изучить характер электрохимического растворения покрытия в различных составах электролитов.
Особенности электрохимического растворения покрытия ПГ-10Н-01 изучались при проведении поляризационных потенциодинамических исследований, устанавливающих зависимость плотности тока / от потенциала анода (р [7].
Поскольку напряжение при электроалмазном шлифовании составляет 8 -10 В [8, 9], то и развертка потенциала производилась от 0 до 9 В со скоростью 100 мВ/с. Поляризационные исследования проводились в трехэлектродной ячейке на потенциостате Elins Р-20Х (рис. 1).
В исследованиях использовался платиновый электрод сравнения, в качестве вспомогательного электрода применялась медь марки Ml. Зазор между исследуемым образцом и электродом сравнения устанавливался при помощи щупа ГОСТ 882-75 и составлял 0,5 мм.
Таблица - Химический состав порошка ПГ-10Н-01 Table - PG-10N-01 powder chemistry
Сг, % В,% Si, % Fe, % С,% Ni
14-20 2,8-3,4 4,0-4,5 4,0-4,5 0,6 - 1,0 основа
14,0
12,0
S 10,0
о 8,0
6,0
4,0
2,0
0,0
Рис. 2. Кривая электрохимического растворения покрытия на основе порошкового материала ПГ-
10Н-01 в 10% водном растворе Na2SC>4 Fig. 2. The electrochemical dissolution curve of the coating based on PG-10H-01 powder material in a 10%
aqueous Na2S04 solution
Образцы для исследований представляют собой пластинки покрытия ПГ-10Н-01, отрезанные от подложки электроэрозионным методом. Образцы устанавливались в оправки и заливались эпоксидной смолой ЭДП-8 ГОСТ 10587-84 так, чтобы растворялся только торец образца, площадь поперечного сечения которого составляла 1 мм2. Химический состав хромоникелевого порошка ПГ-10Н-01 представлен в таблице.
Известно, что щелочные и кислотные растворы электролитов способствуют увеличению скорости растворения материала за счет высокой электропроводности [10- 12]. Однако эти электролиты агрессивно воздействуют на технологическое оборудование и представляют опасность для обслуживающего персонала. Поэтому для электроалмазного шлифования применяют растворы нейтральных солей. В связи с этим для проведения поляризационных исследований были выбраны следующие водные растворы: ЫаС1, ЫаЫОз и Ыа2804.
Результаты поляризационных исследований анодного поведения покрытия ПГ-10Н-01 в водном растворе 10% N82804 представлены на рисунке 2.
В 10% водном растворе NaNOз (рис. 4) характер поляризационной кривой аналогичен рас-
творению покрытия в растворе сульфата натрия. До потенциала ср = 1 В растворение практически не наблюдается. В диапазоне потенциалов от 1 до 8 В происходит активное растворение, что сопровождается значительным ростом плотности тока. Вероятно, что активный процесс растворения происходит за счет анионов N0^, которые вытесняют кислород, препятствуя образованию на поверхности металла окисной пленки. Увеличение потенциала анода от 8 В до 9 В приводит к частичном}' торможению процесса анодного растворения, о чем свидетельствует прекращение роста плотности тока, достигая максимального значения в 12,3 А/см2.
Поляризационные кривые электрохимического растворения покрытия ПГ-10Н-01 в водном растворе 10% №С1 представлены на рисунке 4.
Электрохимическое растворение покрытия ПГ-10Н-01 в 10% водном растворе ШС1 сопровождается областью пассивации поверхности в диапазоне потенциалов от ср = 0 до ср =3 В. Вероятно, торможение процесса обусловлено образованием на поверхности исследуемого материала окисной пленки. Несмотря на небольшую толщину, порядка 30...50 А, окисные пленки обладают значительным омическим сопротивлением.
о
Рис. 4. Кривая электрохимического растворения покрытия на основе порошкового материала ПГ-
10Н-01 в 10% водном растворе NaCl Fig. 4. The electrochemical dissolution curve of the coating based on PG-10H-01 powder material in a 10%
aqueous NaCl solution
Наличие Сг в составе покрытия и активирующих анионов хлора в составе раствора приводят к образованию водорастворимого соединения СгСЬ. В диапазоне потенциалов ф = 3 В до ср = 7,5 В наблюдается увеличение плотности тока, что может свидетельствовать об активном растворении материала. В области потенциалов от (р = 7,5 В до 9 В вновь наблюдается пассивация поверхности электрода, о чем свидетельствует замедление роста плотности тока. Максимальная плотность тока при растворении покрытия в хлоридном растворе достигает 35 А/см2.
Выводы
Для обеспечения геометрической точности
при электроалмазной обработке активирующие электролиты нежелательны, т.к. при этом растравление обрабатываемого материала будет происходить не только в зоне обработки, но и во всех местах контакта электролита и материала [14, 15].
Основываясь на графиках электрохимического растворения в водных растворах солей хлорида, сульфата и нитрата натрия для процесса электроалмазного шлифования покрытия на основе порошкового материала ПГ-10Н-01 рекомендуется 10% водный раствор нейтральной соли МаС1, обеспечивающий высокую плотность тока в диапазоне потенциалов от 7,5 до 9 В.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Electron beam in technology surfacing of the powder rapid steel / Gnyusov S.F., Ignatov A.A., Durakov V.G. // В сборнике: Proceedings - International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum ISDEIV Сер. "25th International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum, ISDEIV 2012", 2012.-C. 561-563.
2. Электронно-лучевая наплавка в вакууме: оборудование, технология, свойства покрытий / Панин В.Е., Белюк С.И., Дураков В.Г.. Прибытков Г. А., Ремпе Н.Г. // Сварочное производство, 2000. - № 2. - С. 34-38.
3. Янюшкин А. С. Поверхность алмазного круга после электроалмазного шлифования быстрорежущей стали / Янюшкин А.С., Попов В.Ю // Труды Братского государственного университета. Серия: Естественные и инженерные науки, 2002. Т. 2. - С. 146-151.
4. Рахимянов Х.М. Современные электрофизические технологии в машиностроении // Инновации в машиностроении (ИнМаш - 2017): сборник трудов VIII Международной научно-практической конференции, 28-30 сент. 2017 г. - Новосибирск, 2017. - С. 266-276.
5. Юшков В.В. Опыт внедрения абразивной и алмазной обработки при восстановлении деталей машин // - М.: Машиностроение, 1989. - 64 с.
6. Рахимянов Х.М. Электроалмазная обработка напыленных износостойких покрытий / Рахимянов Х.М., Моисеенко А.Н., Янпольский В.В //Инженерия поверхностного слоя деталей машин: сборник трудов Международной научно-практической конференции 9-11 декабря 2009 г., г. Кемерово. - Кемерово., КузГТУ, 2009. - С. 365-368.
7. B.Walther. Electrochemical dissolution of hard metal alloys / B.Walther, J.Schilm, A.Michaelis. M.M.Lohrengel // Electrochimical Acta Volume 52, Issue 27, 2007. - pp. 7732-7737.
8. Электрохимическое растворение покрытий из порошковых материалов / Рахимянов Х.М.. Кра-сильников Б.А.. Янпольский В.В., Никитенко М.И., Моисеенко А.Н. //Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты), 2011. - № 2. - С. 3-5.
9. Справочник по электрохимическим и электрофизическим методам обработки // ГЛ. Амитан, И.А. Байсупов, Ю.М. Барон и др.; под общ. Ред. В.А. Волосатова. - JL: Машиностроение. Ленингр. Отд-ние, 1988.-719 с.
10. М. Abdallah,. Electrochemical Behavior of Nickel Alloys and Stainless Steel in HNO3 using Cyclic Volt-ammetry Technique / M. Abdallah, B.A.AL Jahdaly , M.M. Salem, A. Fawzy, E.M. Mabrouk // JMES Volume 8, Issue 4, 2017 -pp. 1320-1327.
11. Электрохимическая размерная обработка металлов и сплавов. Проблемы теории и практики. Монография / О.И. Невский, В.М. Бурков, Е.П. Гришина, Е.Л. Гаврилова. А.В. Балмасов, А.В. Носков, М.Г. Донцов. - ГОУ ВПО Иван. гос. хим.-технол. ун-т. - Иваново. 2006. - 282 с.
12. Вишницкий, А.Л. Электрохимическая и электромеханическая обработка металлов / А. Л. Вишниц-кий, И. 3. Ясногородский, И. П. Григорьчук -Л.: Машиностроение, 1971, вып.З. - 211 с.
13. Мороз И. И. Электрохимическая обработка металлов. - М.: Машиностроение, 1969 г. - 208 с.
14. Ming P. Electrochemical grinding for unclosed internal cylinder surface / Ming P.. Zhu D., Xu Z. //14th Conference of Abrasive Technology in China: Nanjing, PEOPLES R, 2007. - pp. 360-364.
15. Кадырбаев P. M. Формирование микрорельефа поверхности детали с покрытием после электроалмазного шлифования / Р. М. Кадырбаев, М. В. Иванова, Т. В. Козич ; науч. рук. В В. Янпольский // Наука. Технологии. Инновации : материалы Всерос. науч. конф. молодых ученых, Новосибирск, 02-06 дек. 2014 г. : в 11ч.-Новосибирск, 2014.-Ч. З.-С. 18-22. '
REFERENCES
1. Electron beam in technology surfacing of the powder rapid steel / Gnyusov S.F., Ignatov A.A., Durakov V.G. // В сборнике: Proceedings - International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum, ISDEIV Сер. "25th International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum, ISDEIV 2012". 2012. P. 561-563.
2. Elektronno-luchevaya naplavka v vakuume: oborudovanie, tekhnologiya, svoystva pokiytiy [Electron beam surfacing in vacuum: equipment, technology, properties of coatings] / Panin V.E., Belyuk S.I., Durakov V.G., Pribytkov G.A., Rempe N.G. // Svarochnoe proizvodstvo [Welding International], 2000. No 2. P. 34-38.
3. Yanyushkin A.S. Poverkhnost' almaznogo kruga posle elektroalinaznogo shlifovaniya bystrorezhushchey stali [Surface of diamond wheel after electric-diamond grinding of high-speed steel] / Yanyushkin A.S., Popov V.Yu // Trudy Bratskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Estestvennye i inzhenernye nauki [Proceedings of Bratsk State University. Series: Natural and Engineering Sciences]. 2002. Volume.2. P. 146-151.
4. Rakhimyanov Kh.M. Sovremennye elektrofizicheskie tekhnologii v mashinostroenii [Modem electrophys-ical technologies in machine building] // Innovatsii v mashinostroenii (InMash - 2017): sbornik trudov VIII Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii, 28-30 sent. 2017 g. [Innovations in mechanical engineering (InMash-2017): Proceedings of the VIII International Scientific and Practical Conference, September 28-30. 2017]. Novosibirsk, 2017. P. 266-276 .
5. Yushkov V.V. Opyt vnedreniya abrazivnoy i almaznoy obrabotki pri vosstanovlenii detaley mashin [Experience in the introduction of abrasive and diamond processing when restoring machine parts]// Moscow . Machine building. 1989. 64 P.
6. Rakhimyanov Kh.M. Elektroalmaznaya obrabotka napylennykh iznosostoykikh pokrytiy [Electrochemical treatment of sputtered wear-resistant coatings] / Rakhimyanov Kh.M., Moiseenko A.N.. Yanpol'skiy V.V // In-zheneriya poverkhnostnogo sloya detaley mashin: sbornik trudov Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii 9-11 dekabrya 2009 g., g. Kemerovo. [Engineering of the surface layer of machine parts: proceeding of the International Scientific and Practical Conference 9-11 December 2009, Kemerovo] Kemerovo., KuzSTU. 2009. P. 365-368.
7. B.Walther. Electrochemical dissolution of hard metal alloys / B.Walther, J.Schilm, A.Michaelis. M.M.Lohrengel // Electrochimical Acta, 2007. Volume 52, Issue 27. P. 7732-7737.
8. Elektrokhimicheskoe rastvorenie pokrytiy iz poroshkovykh materialov [Electrochemical dissolution of coatings from powder materials] / Rakhimyanov Kh.M.. Krasil'nikov B.A., Yanpol'skiy V.V., Nikitenko M.I., Moiseenko A.N. //Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty)[ Metal Working and Material Science], 2011.No 2. P. 3-5.
9. Spravochnik po elektrokliimicheskim i elektrofizicheskim metodam obrabotki [Handbook of electrochem-
ical and electrophysical methods of processing] // G.L. Amitan, I.A. Baysupov, Yu.M. Baron i dr.; pod obshch. Red. V.A. Volosatova. Leningrad.: Mashinostroenie. 1988. 719 P.
10. M. Abdallah. Electrochemical Behavior of Nickel Alloys and Stainless Steel in HNO3 using Cyclic Volt-ammetry Technique / M. Abdallah, B.A.AL Jahdaly , M.M. Salem, A. Fawzy, E.M. Mabrouk // JMES, 2017 Volume 8, Issue 4. P. 1320-1327.
11. Elektrokhimicheskaya razmernaya obrabotka metallov i splavov. Problemy teorii i praktiki [Electrochemical dimensional processing of metals and alloys. Problems of theory and practice], Monografiya / O.I. Nevskiy, V.M. Burkov, E.P. Grisliina, E.L. Gavrilova, A.V. Balmasov, A.V. Noskov, M.G. Dontsov. Ivanovo. Ivanovo State University of Chemistry and Technology, 2006. 282 p.
12. Vishnitskiy A.L. Elektrokhimicheskaya i elektromekhanicheskaya obrabotka metallov [Electrochemical and electromechanical processing of metals]/ A. L. Vishnitskiy, I. Z. Yasnogorodskiy, I. P. Grigor'chuk. Leningrad, Machine building. 1971, No 3. 211 P.
13.Moroz I.I. Elektrokhimicheskaya obrabotka metallov [Electrochemical processing of metals], Moscow. Machine building. 1969. 208 P.
14. Ming P. Electrochemical grinding for unclosed internal cylinder surface / Ming P.. Zhu D., Xu Z. //14th Conference of Abrasive Technology in China: Nanjing, PEOPLES R.2007. P. 360-364.
15. Kadyrbaev R. M. Fonnirovanie mikrorel'efa poverkhnosti detali s pokrytiem posle elektroalmaznogo shlifovaniya [Formation of the surface microrelief of a coated part after electric-diamond grinding] / R. M. Kadyrbaev, M. V. Ivanova, T. V. Kozich ; nauch. ruk. V. V. Yanpol'skiy // Nauka. Tekhnologii. Innovatsii: mate-rialy Vseros. nauch. konf. tnolodykh uchenykh, Novosibirsk, 02-06 dek. 2014 g. : v 11 ch. [Science. Technologies. Innovations: proceedings of All-Russian Scientific Conference of Young Scientists, Novosibirsk, December 2-6, 2014: in 11 parts], Novosibirsk, 2014. Part 3. P. 18-22.
Поступило в редакцию 19.04.2018 Received 19.04.2018
