CC BY
3
ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ И ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
УДК 544.654.2
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-11-416-417
ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ПОВЕРХНОСТИ СТАЛИ 20 ЭЛЕКТРОЛИТНО-ПЛАЗМЕННЫМ
УПРОЧНЕНИЕМ И ЭЛЕКТРООСАЖДЕНИЕМ УПРОЧНЯЮЩИХ Со-W ПОКРЫТИЙ
С.А. Силкин, С.А. Кусманов, А.С. Перков, О.Л. Алтухова
В работе изучены трибологические свойства покрытий, полученных комбинированной обработкой. Обработка включала в себя насыщение поверхности стали углеродом (методом электролитно-плазменной цементации), удаление оксидного слоя с поверхности (методом электролитно-плазменной полировки) и нанесение гальванических хромовых и Со-W покрытий. Износостойкость поверхности Co-W покрытия оказалась более чем в 50 раз выше, чем у хромового покрытия как при возвратно-поступательном методе измерения износа, так и в условиях линейного трения.
Ключевые слова: комбинированная обработка, гальванические Со-W покрытия, износостойкость, элек-тролитно-плазменная цементация, электролитно-плазменная полировка.
Диффузионное насыщение поверхности стали углеродом, известно еще с 17века [1]. С его помощью поверхность металла насыщается углеродом и появляется возможность за счет термообработки, повысить функциональные свойства поверхности, при сохранении начальных свойств в глубине детали. Наиболее часто применяемое печная цементация обладает некоторыми недостатками, главным из которых это ее продолжительность, измеряемая часами, иногда десятками часов, что вкупе с высокой температурой процесса, экономически затратно [2-5].
Цементация некоторыми другими способами более быстра, но все равно ее длительность в рамках десятков минут- часов [6-11].
В последние годы успешно развиваются электролитно-плазменные процессы диффузионного насыщения металлов и сплавов, также называемые электрохимико-термической обработкой [5]. Применяемый термин «электро-литно-плазменные методы» охватывает десятки технологий, которые значительно отличаются не только практическим назначением, но и физико-химическими условиями их осуществления.
Одним из существенных недостатков методом электролитно-плазменного насыщения, является образование на поверхности детали, оксидного слоя, толщиной единицы-десятки микрометров, разного рода сплошности.
Один из вариантов удаления этого оксидного слоя является электролитно-плазменная полировка поверхности, позволяющая за единицы минут, удалить оксидный слой и активировать поверхность [12].
Таким образом, последовательным использованием двух электролитно-плазменных технологий: насыщения и полировки возможно получить упрочненную поверхность детали, без оксидного слоя. Но, как показано во многих работах, коррозионные свойства поверхности, насыщенной углеродом хуже, чем исходной [7, 10-13].
В работе [14] показано многократное повышение износостойкости поверхности после электролитно-плазменного насыщения, но с учетом плохой коррозионной стойкости, применение данных материалов затруднительно.
Гальванические Co-W покрытия уже давно позиционируются как замена хромовым [15-17] , и обладают заметно более высокой коррозионной стойкостью по сравнению со стальными поверхностями, но ввиду их большой твердости (порядка 1000HV) они довольно хрупки, и при осаждении на не термообработанные поверхности углеродистых сталей с твёрдостью 200-300HV, не могут работать при больших нагрузках трения, так как покрытие продавливается и разрушается.
Решением этих проблем может стать осаждение функциональных покрытий, на поверхность упрочненную методом электролитно-плазменного насыщения с удаленным оксидным слоем.
Цель данной работы, продемонстрировать возможность комбинированной обработки поверхности стали 20, путем ее насыщения методом электролитно-плазменной цементации, удаления оксидного слоя методом электро-литно-плазменной полировки и гальванического осаждения Co-W покрытий и изучить износостойкость такого рода комбинированных покрытий.
Экспериментальная часть. Образцами служили цилиндры из стали 20 (0,21% углерода), с доведенной методом шлифовки шероховатостью ~0,5мкм по Ra.
Электролитно-плазменная цементация проводилась в установке описанной в [13] с использованием электролита 10 масс% хлорида аммония, 10 масс% глицерина, при температуре обработки 850°С в течении 5 минут. Этого было достаточно, чтобы получить толщину упрочненного слоя более 100 мкм.
Электролитно-плазменная полировка была проведена при напряжении 300В, в течении 3 минут, в электролите состава 5% хлорида натрия, полируемый образец являлся анодом.
После полировки, образцы были отмыты в ультразвуковой ванне и высушены в среде теплого воздуха, после чего проводилась активации поверхности в растворе 7% соляной кислоты, при комнатной температуре в течении 3 минут. Сразу после активации поверхности и промывки было проведено осаждение Co-W и хромовых покрытий на торцевую часть цементованного и полированного образца.
Осаждение покрытий Co-W проводилось из цитратного электролита следующего состава (моль/л): cos04-7h20-0,2, Na2WO4-2№0-0,2, НзВОз-0,65, лимонная к-та C6№O7-H2O-0,04, цитрат натрия №зСбН50т5,5Ш0-0,25, при рН 6,7 температуре электролита 80°С, плотности тока 20мА/см2 и объемной плотности тока равной 70мА/л. Время осаждения было выбрано 2 часа. В качестве анода использовался графитовый электрод площадью 20см2. Анализ состава покрытия производился методом ренгенофлюоресцентного анализа с помощью Olympus DP-2000.
Изменение массы образцов определялось на аналитических весах Vibra AF225 с разрешением ±0,00001 г. Микротвердость образцов измерялась с использованием микротвердомера Falcon 503 (Нидерланды) при нагрузке на индентор Виккерса 25г (HV0.25).
Хромовое покрытие, используемое для сравнения результатов износостойкости, было получено из стандартного электролита хромирования (250 г/л СгОз, 2,5 г/л H2SO4) при температуре 55°С и плотности тока 50А/дм2.
Трибологические измерения были выполнены по схеме трения шар/поверхность в варианте линейного трения при скорости 0,3м/с (радиус трения 4,4 мм) и в варианте возвратно-поступательного трения с длиной трассы 1мм (reciprocating wear) со скоростью 67 двойных ходов/мин. Путь трения составил 500 и 32 метра соответственно. Контр-тело в обоих случаях шар из корунда диаметром 6,35мм твердостью -2500HV, используемая нагрузка 5Н.
Профиль дорожек трения, как и шероховатость поверхности получен с использованием профилометра
TR200.
Результаты и их обсуждение. Полученное на цементованной поверхности предварительно очищенной методом электролитно-плазменной обработкой Co-W покрытие содержало (по данным рентгено-флюоресцентного анализа) ~24ат% W, что хорошо согласуется с литературными данными по осаждению Co-W покрытий. Шероховатость поверхности образцов Co-W покрытия составила ~2,4±0,1мкм по параметру Ra, выход по току покрытия составил 78%, твердость покрытия 985±18HV.
Шероховатость хромового покрытия ~0,35±0,02мкм по параметру Ra, выход по току покрытия составил 12%, твердость 1143±30HV. Морфология поверхности покрытий представлена на рис. 1.
Рис. 1. Морфология поверхности Со-№(а) и хромового (б) покрытия. (увеличение х1000)
Видно, что размеры глобулярных частиц Со-Ш покрытия довольно большие, и достаточно неоднородные, что может вызвать проблемы с возвратно-поступательным износом, так как величина шероховатости, будет соизмерима с глубиной дорожки трения и ее будет невозможно точно измерить. Поэтому для проведения возвратно-поступательного износа поверхность после осаждения шлифовалась до величины 0,1мкм по Ra наждачной бумагой зернистостью 2000.
Рис. 2. Зависимость коэффициента трения изучаемых поверхностей от пути трения в случае возвратно-поступательного износа (1-хромовое, 2-Со-М покрытие)
Результаты износа при возвратно-поступательном механизме проведения испытаний представлены на рис. 2. По представленным данным можно сделать вывод, что величина коэффициента трения для хромового покрытия значительно выше, чем для Co-W. Особый интерес представляет начало износа, в случае хромового покрытия, видно, что в первые пять минут успевает образоваться промежуточное тело и коэффициент трения стабилизируется, но после часового испытания коэффициент трения становится нестабильным и осциллирует, что мы связываем с накопление продуктов износа и их вытеснением из зоны контакта. При трении же Co-W покрытий на протяжении всего процесса трения идет плавное повышение коэффициента трения, что мы связываем с окислением продуктов трения и их участия в абразивном износе поверхности. Анализ дорожки трения Со-W покрытия (рис.3) подтверждает предположение о абразивном характере износа. Анализ сечения дорожки износа представленной на рис.3 позволяет сделать вывод о значительно большей износостойкости Co-W покрытия в данной паре трения по сравнению с хромовым, причем если посчитать объем износа, по представленным фотографиям, то объем износа Co-W покрытия будет ниже более чем в 50 раз (55 раз).
Рис. 4. Сечение дорожки трения изучаемых покрытий, сделанное на середине ее длины (возвратно-поступательный износ)
0 100 200 300 400 500
Рис. 5. Зависимость коэффициента трения изучаемых поверхностей от пути трения в случае линейного износа (1-хромовое, 2-Co-W покрытие)
В случае линейного износа (рис.5-7) вследствие радиального вращения образца и удаления продуктов трения за счет центробежной силы, видно, что коэффициент трения что хромового, что Со-W покрытия достаточно стабилен, осцилляции уменьшились. Коэффициент трения хромового покрытия заметно выше, чем Co-W. Анализ микрофотографий поверхности дорожки износа и поверхности контр-тела, позволяет сделать вывод о абразивном характере износа как Со-W так и хромового покрытия. Видно, что все неровности контр-тела заполнены частицами продуктов износа покрытий, и в случае Co-W покрытий, видно, что они обеспечивают лучшее скольжение и их размер (судя по размеру царапин на дорожке трения) сильно меньше час в случае хромового покрытия.
Co-W покрытие Фото износа контр-тела
Рис. 6. Микрофотография поверхности дорожки трения Co-W покрытия и контр-тела в месте контакта
для случая линейного трения (увеличение x100).
Хромовое покрытие Фото износа контр-тела
Рис. 7. Микрофотография поверхности дорожки трения хромового покрытия и контр-тела в месте контакта для случая линейного трения (увеличение x100)
При анализе массового износа Со-W покрытий с электролитическим хромовым покрытием, можно сделать вывод, что среднее значение износостойкости Со-W покрытия при данных параметрах трения в 60 раз выше и составляет 0,08мг (в случае хромового среднее значение износа составило 4,9±0,3 мг).
Вероятно, высокая износостойкость Co-W покрытий не связана с величиной микротвердости, так как микротвердость хромового покрытия существенно выше. А разница в том, что при износе Co-W покрытия в месте контакта образуется оксидный подслой, который работает как смазка и уменьшает воздействие контр-тела на непосредственно поверхность покрытия. А близкое значение отношения износа при разных его видах, объясняется использованием одинаковой пары трения, где контр-телом выступает оксид кремния, со значительно более высокой микротвердостью, чем у изучаемых покрытий.
Выводы. Проведена комбинированная обработка поверхности стали 20 методом электролитно-плазменного насыщения, полировки и гальванического осаждения Co-W покрытий.
Полученная адгезия покрытия к насыщенной углеродом основе позволила провести трибологические испытания и оценивается как удовлетворительная.
Показано понижение массового износа в условиях линейного трения в сравнении с хромовым покрытием
в 60 раз
Показано понижение объема износа при возвратно-поступательном механизме трения в сравнении с хромовым покрытием в 55 раз.
Финансирование работы. Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 22-29-20231) Костромскому государственному университету.
Список литературы
1.Asimov I. The Near East: 10,000 Years of History / Boston: Houghton Mifflin, 1968. 277 p.
2. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. / Металловедение. М.: Машиностроение, 1990. 528 с.
419
3. Kunst H., Haase B., Malloy J.C., Wittel K. et al / Metals, Surface Treatment. Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim 2012. P. 44. DOI: 10.1002/14356007.a16_403.pub2.
4. Гуревич Ю.Г., Ляпина В.А. Патент РФ 2036243. Способ цементации стальных изделий. Опубл.
27.05.1995.
5. Химическая энциклопедия. / Т.5 Под ред. Н.С. Зефирова. М.: Большая Российская энциклопедия, 1998.
С. 461.
6. Шипко А.А., Руденко С.П., Валько А. Л., Чичин А.Н. Высокотемпературная вакуумная цементация -резерв по снижению энергоемкости производства и улучшению качества зубчатых колес трансмиссий энергонасыщенных машин // Литье и металлургия, 2016, 83(2). P. 104-109.
7. Jumadin M.H., Abdulah B., Ismail M.H., Alias S.K. et al. // Key Eng Mater. 2017, 740. P. 93-99.
8. Степанов М.С., Домбровский Ю.М., Пустовойт В.Н. Диффузионное насыщение углеродистой стали в режиме микродугового нагрева // МиТОМ. 2017, 739(1). P. 54-57.
9. Siambun N.J, Liew W.Y.H., Chen G.Z., Jewell D.A.et al. // Adv Mater Res. 2012, 576. P. 264-267.
10. Chen W., Feng P., Dong L., Ahangarkani M. et al.// Surf. Coat. Technol. 2018, 353. P. 300-308.
11. Czerwinski Frank. Thermochemical Treatment of Metals // Heat Treatment - Conventional and Novel Applications / InTech, 26 Sept. 2012. DOI: 10.5772/51566.
12. Kusmanov S.A., Tambovskii I.V., Korableva S.S., Silkin S.A., Smirnov A.A., Kusmanova I.A., Gorohov I.S. Increase in hardness and corrosion resistance of a medium-carbon steel surface using cathodic plasma electrolytic nitriding // Surface Engineering and Applied Electrochemistry. 2022. Vol. 58. No 4. P. 323-329. DOI: 10.3103/S106837552204010X.
13. Apelfeld A., Borisov A., Dyakov I., et al. Enhancement of medium-carbon steel corrosion and wear resistance by plasma electrolytic nitriding and polishing // Metals, 2021, vol. 11. 1599 p.
14. Kusmanov S.A., Silkin S.A., Smirnov A.A., Belkin P.N. Possibilities of increasing wear resistance of steel surface by plasma electrolytic treatment // Wear, 2017, vol. 386-387. P. 239.
15.Tsyntsaru N., Cesiulis H., Donten M., Sort J. et al. Modern trends in tungsten alloys electrodeposition with iron - group metal // Surf. Eng. Appl. Electrochem., 2012, vol. 48, no. 6, p. 491. DOI: 10.3103/S1068375512060038.
16. Weston D.P., Harris S.J., Shipway P.H., Weston N.J., Yap G.N., Establishing Relationships between Bath Chemistry, Electrodeposition and Microstructure of Co-W Alloy Coatings Produced from a Gluconate Bath // Electrochimica Acta, 2010, 55. P. 5695-5708. DOI: 10.1016/j.electacta.2010.05.005.
17. Belevskii S., Silkin S., Tsyntsaru N., Cesiulis H., Dikusar A. The influence of sodium tungstate concentration on the electrode reactions at iron-Tungsten alloy electrodeposition // Coatings, 2021, 11(8), 981. DOI: 10.3390/coatings11080981.
Силкин Сергей Андрисович, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Кострома, Костромской государственный университет,
Кусманов Сергей Александрович, д-р техн. наук, директор института, [email protected], Россия, Кострома, Костромской государственный университет,
Перков Александр Сергеевич, младший научный сотрудник, [email protected], Россия, Кострома, Костромской государственный университет,
Алтухова Ольга Леонидовна, младший научный сотрудник, [email protected], Россия, Кострома, Костромской государственный университет
INCREASING THE WEAR RESISTANCE OF THE SURFACE OF STEEL 20 BY ELECTROLYTIC-PLASMA HARDENING AND ELECTRODEPOSITION OF HARDENING ^-W COATINGS
S.A. Silkin, S.A. Kusmanov, A.S. Perkov, O.L. Altukhova
Tribological properties of coatings obtained by combined processing are studied in the work. Processing includes saturation of the steel surface with carbon (by the method of electrolytic plasma cementation), removal of the oxide layer from the surface (by the method of electrolytic plasma polishing) and application of galvanic chromium and So-W coatings. The surface wear resistance of the Co-W coating was found to be more than 50 times higher than that of the chromium coating, both in reciprocating wear measurement and in linearfriction conditions.
Key words: combined processing, galvanic So-W coatings, wear resistance, electrolytic-plasma cementation, electrolytic-plasma polishing.
Silkin Sergey Andrisovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Kostroma, Kostroma State University,
Kusmanov Sergey Aleksandrovich, candidate of technical sciences, director of the institute, [email protected], Russia, Kostroma, Kostroma State University,
Perkov Alexander Sergeevich, researcher, sachaperkow@gmail. com, Russia, Kostroma, Kostroma State
University,
Altukhova OlgaLeonidovna, researcher, [email protected], Russia, Kostroma, Kostroma State University
