Научная статья на тему 'Влияние механического воздействия в процессе осаждения на состав и структуру толстослойных электрогальваномеханических покрытий железа'

Влияние механического воздействия в процессе осаждения на состав и структуру толстослойных электрогальваномеханических покрытий железа Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
201
36
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ЭЛЕКТРОГАЛЬВАНОМЕХАНИЧЕСКОЕ ЖЕЛЕЗНЕНИЕ / ТОЛСТОСЛОЙНОЕ ПОКРЫТИЕ / МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА / СТРУКТУРА

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Горожанкина О.В.

Технологии электрогальваномеханического железнения являются перспективным направлением восстановления размеров при ремонте изношенных крупногабаритных валов. При использовании данных технологий можно будет восстанавливать до 60 70 % крупногабаритных деталей, не имеющих разрушений. Для нанесения покрытий с оптимальными функциональными характеристиками необходимо иметь четкие и как можно более полные представления об их составе и структуре, которые являются связующим звеном между задаваемыми условиями осаждения и свойствами получаемых покрытий. В данной статье впервые описано влияние механического воздействия инструмента в процессе осаждения на состав и структуру получаемых толстослойных (1,5 1,8 мм) покрытий железа, что дает возможность выбора оптимальных режимов нанесения электрогальваномеханических (ЭГМ) покрытий и прогнозирования работы деталей с ЭГМ покрытиями. В качестве объектов исследования выбраны толстослойные покрытия на образцах из стали 30, полученные методом электрогальванического (ЭГ) и ЭГМ железнения, при совместном осаждении и механической активации осаждаемого слоя. Результаты исследований показали, что толстослойное ЭГМ покрытие содержит значительно ниже допустимых значений величину вредных примесей (водород 0,0043%, сера 0,0021%). Использование выглаживающего инструмента уменьшает содержание окислов и вредных примесей (в том числе водорода), что позволяет получать плотные однородные железные покрытия повышенной толщины (1,5 1,8 мм). Внутренняя структура ЭГМ покрытия состоит из ультрамелкодисперсных зерен размером ~ 10-6-10-7 мм. Это меньше размеров зерен в электрогальванических ЭГ покрытиях (~10-5-10-6мм) и гораздо меньше размеров зерна металлургического железа (~10-3мм). Установлено, что применение механического воздействия устраняет слоистость и делает структуру покрытия более равномерной, плотной, мелкодисперсной и уменьшает густоту сетки трещин, которая больше у ЭГ покрытия без механического воздействия

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Горожанкина О.В.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

INFLUENCE OF MECHANICAL STRESS DURING THE DEPOSITION ON THE COMPOSITION AND STRUCTURE OF THICK ELECTROGALVANICMECHANICAL COVERED WITH IRON

Technology electrogalvanicmechanical cement are promising direction size of the recovery in the repair of worn oversized shafts. When using these techniques it will be possible to recover up to 60 70% of large parts without destruction. For coating with optimal performance, you must have clear and as full as possible representation of their composition and structure, which are definable link between deposition conditions and properties of the coatings. This article first describes the effect of mechanical action instrument in the process of deposition on the composition and structure of the resulting thick coating of iron, which gives the possibility to choose the optimal mode of application electrogalvanicmechanical (EGM) coatings and forecasting work parts with coatings EGM. As objects of study chosen thick-layer coating on steel samples 30 obtained by electrogalvanic (EG) and EGM cement, when co-precipitation and mechanical activation of the deposited layer. The results showed that the coating contains high build EGM far below the value of the quantity of harmful impurities (hydrogen 0.0043%, sulfur 0.0021%). Use of a smoothing tool and reduces the content of harmful impurity oxides (including hydrogen), which allows to obtain homogenous dense coatings of iron increased thickness (1.5 1.8 mm). EGM internal structure of the coating is composed of ultrafine grain size ~ 10-6-10-7 mm, oriented in different directions. This is less than the size of the grains in electrogalvanic EG coatings (~ 10-5-10-6mm), and much smaller than the metallurgical iron grains (~ 10-3mm). It was found that the use of mechanical action eliminates layering and coating makes the structure more uniform, dense, fine mesh density and reduces fracture, which is greater in the EG coating without mechanical action

Текст научной работы на тему «Влияние механического воздействия в процессе осаждения на состав и структуру толстослойных электрогальваномеханических покрытий железа»

УДК 669.01(075)

Физика

ВЛИЯНИЕ МЕХАНИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ В ПРОЦЕССЕ ОСАЖДЕНИЯ НА СОСТАВ И СТРУКТУРУ ТОЛСТОСЛОЙНЫХ ЭЛЕКТРОГАЛЬВАНОМЕХАНИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ ЖЕЛЕЗА

О.В. Горожанкина

Технологии электрогальваномеханического железнения являются перспективным направлением восстановления размеров при ремонте изношенных крупногабаритных валов. При использовании данных технологий можно будет восстанавливать до 60 - 70 % крупногабаритных деталей, не имеющих разрушений.

Для нанесения покрытий с оптимальными функциональными характеристиками необходимо иметь четкие и как можно более полные представления об их составе и структуре, которые являются связующим звеном между задаваемыми условиями осаждения и свойствами получаемых покрытий.

В данной статье впервые описано влияние механического воздействия инструмента в процессе осаждения на состав и структуру получаемых толстослойных (1,5 - 1,8 мм) покрытий железа, что дает возможность выбора оптимальных режимов нанесения электрогальваномеханических (ЭГМ) покрытий и прогнозирования работы деталей с ЭГМ покрытиями.

В качестве объектов исследования выбраны толстослойные покрытия на образцах из стали 30, полученные методом электрогальванического (ЭГ) и ЭГМ железнения, при совместном осаждении и механической активации осаждаемого слоя.

Результаты исследований показали, что толстослойное ЭГМ покрытие содержит значительно ниже допустимых значений величину вредных примесей (водород - 0,0043%, сера - 0,0021%). Использование выглаживающего инструмента уменьшает содержание окислов и вредных примесей (в том числе водорода), что позволяет получать плотные однородные железные покрытия повышенной толщины (1,5 - 1,8 мм). Внутренняя структура ЭГМ покрытия состоит из ультрамелкодисперсных зерен размером ~ 10"6-10"7 мм. Это меньше размеров зерен в электрогальванических ЭГ покрытиях (~10"5-10"6мм) и гораздо меньше размеров зерна металлургического железа (~10-3мм). Установлено, что применение механического воздействия устраняет слоистость и делает структуру покрытия более равномерной, плотной, мелкодисперсной и уменьшает густоту сетки трещин, которая больше у ЭГ покрытия без механического воздействия

Ключевые слова: электрогальваномеханическое железнение, толстослойное покрытие, механические свойства, структура

В машиностроении изготавливается большая номенклатура крупногабаритных валов (диаметром 200-500 мм, длиной до 30005000 мм и более), работающих на износ и усталостную прочность: валы мощных судовых и локомотивных дизелей, прокатных станов, бумагоделательных и других машин. Их эффективное использование обеспечивается высоким уровнем технического обслуживания и ремонта, а также наличием необходимого числа запасных частей. До 70 % изношенных дорогостоящих валов можно было бы повторно использовать, восстанавливая слой толщиной 0,9-1,2 мм, и имеющий прочность сцепления не менее 200-250 МПа.

В мировой практике выполняется восстановление крупногабаритных

дорогостоящих изношенных деталей судовых и тепловозных мощных дизелей с остаточным ресурсом по усталостной прочности методами напыления, наплавкой, термопластическим деформированием, гальваническим

Горожанкина Ольга Владимировна - ВГТУ, старший преподаватель, e-mail: winter.07@mail.ru

осаждением. Однако данные методы либо не обеспечивают нужную толщину

восстановленного слоя, либо приводят к недопустимому короблению и трудно устранимой поводке деталей. Поэтому, при достаточно большом количестве способов восстановления работоспособности коленчатых валов, актуальной задачей до сих пор является поиск новых эффективных технологий ремонта, обеспечивающих восстановление их рабочих поверхностей и повышение эксплуатационного ресурса [1].

Вневанный способ восстановления электрогальваническим железнением в

проточном электролите с механическим воздействием выглаживающим инструментом в процессе осаждения, реализуется при небольших температурах (40 - 50 0С). Это предотвращает коробление и поводку деталей, обеспечивает требуемую толщину (1,5 - 1,8 мм), микротвёрдость (600 - 650 НУ) и низкую шероховатость (Яа = 0,63 - 1,25 мкм), обуславливающую малый припуск на шлифование восстановленного слоя. Метод имеет невысокие материальные и

энергетические затраты и быструю окупаемость за счет применения экологически приемлемого недорогого электролита хлористого железа.

Сущность метода состоит в одновременном сочетании электрохимического осаждения покрытий и механического активирования рабочей поверхности деталей. В этом случае создаются условия для получения покрытий с высокой прочностью сцепления между основным металлом и осадком большой толщины (порядка 2,0 мм) при значительных плотностях тока (на порядок больше, чем при традиционных способах осаждения).

Отличительной особенностью данного способа является то, что в процессе электролиза покрываемая поверхность подвергается механическому активированию (выглаживанию) инструментом в виде бруска из минералокерамики с полированной поверхностью, который перемещается в межэлектродном пространстве. Этот процесс получил название "гальваномеханическое осаждение металла" [2], а применительно к данной технологии - электрогальвано-механическое железнение (ЭГМЖ).

В данной статье впервые описано влияние механического воздействия инструмента в процессе осаждения на состав и структуру получаемых толстослойных покрытий железа, что дает возможность выбора оптимальных режимов нанесения электрогальвано-механических (ЭГМ) покрытий и прогнозирования работы деталей с ЭГМ покрытиями.

В качестве объектов исследования выбраны толстослойные покрытия на образцах из стали 30, полученные методом электрогальванического (ЭГ) и ЭГМ железнения, при совместном осаждении и механической активации осаждаемого слоя.

Процесс осаждения осуществляли в хлористом электролите следующей рецептуры: железо хлористое четырехводное FeCl2 4H2O - 350 кг/м3; регулятор кислотности до уровня рН = 1 - кислота соляная HCl. ЭГМЖ осуществляли согласно технологическим рекомендациям на специальной установке [3].

В качестве инструментов для механического воздействия применяли пластины из минералокерамики.

Использовали режим осаждения с механической активацией и без механической активации; получили две детали с покрытием. Затем от каждой детали был отрезан образец

размерами примерно 22х22х3 мм и в дальнейшем исследовался (рис. 1).

Химический состав ЭГМ покрытия и основного металла определялся кулонометриче-ским методом при помощи экспресс-анализаторов. При этом определяли процент содержания углерода, водорода и серы. Результаты указаны в таблице.

Рис. 1. Фрагменты шлиф-образцов для исследований, вырезанные из цилиндрических макетов деталей

Электрогальваномеханическое железнение (ЭГМЖ)

Химический элемент Содержание, %

основа, сталь 30 покрытие

Углерод (С) 0,223 0,086

Водород (Н) 0,0042 0,0043

Сера (S) 0,0088 0,0021

Содержание углерода в покрытии составляет 0,086%, что соответствует содержанию углерода в стали 08 (доэвтектоидная малоуглеродистая сталь), полученной металлургическим путем.

Содержание водорода в ЭГМ покрытии крайне мало (0,004 - 0,005%), что соответствует приблизительно количеству водорода (0,0042%) в основном материале (сталь 30), полученном металлургическим путем. Это можно объяснить тем, что адсорбированные водородные атомы с поверхности осаждаемого покрытия систематически и достаточно быстро удаляются выглаживающим инструментом, поэтому можно предположить, что такое низкое содержание водорода в получившемся покрытии зависит именно от этого. В ЭГ покрытии без механического воздействия содержание водорода по данным [4] больше, и составляет 0,0098 - 0,01%, что повышает хрупкость.

Количество серы в четыре раза меньше, чем в основном металле.

Состав поверхностного слоя изучаемого покрытия исследовался методом энергодисперсионного анализа на растровом электронном микроскопе серии EVO. Согласно данным анализа, поверхностные слои изучаемого железного покрытия обогащены различными примесными элементами, в частности неметаллическим элементом хлором, так как в процессе электроосаждения железа из раствора хлористого железа, участвует не только базовый компонент, но и элементы неметаллической природы (такие, как водород, хлор и другие). Наибольшая концентрация содержания хлора в покрытии наблюдается вдоль поверхностных трещин (рис. 2).

20мкт

Рис. 2. Наружная поверхность ЭГМ покрытия. Линиями показаны зона сканирования при рентгеноспектральном микроанализе и

расположение элементов в покрытии: железо, хлор, углерод

Здесь содержание хлора в покрытии приближенно достигает 2-4 %.

Это связано с тем, что, как правило, атомы любых примесных элементов скапливаются в местах с микродефектами структуры, например на границах зерен. В свою очередь границы зерен и включения служат непреодолимым препятствием для движения дислокаций (линейных дефектов структуры). При большом скоплении дислокаций эти зоны становятся неспособными к пластическому

деформированию и при увеличении напряжений в этих местах возможно образование микротрещин.

Рентгеноспектральным микроанализом образца установлено, что пики содержания железа и хлора находятся в противофазе: в области микротрещины количество хлора максимально (пик хлора на рис. 2), а количество железа минимально. Углерод

расположен практически равномерно, с незначительным увеличением в районе пика хлора. То есть поверхностные и внутренние трещины в покрытии обогащаются хлором и обедняются железом.

Предполагается, что механическое воздействие инструмента при осаждении снижает неоднородность распределения хлора и железа, так как инструмент систематически удаляет образующиеся гидроокиси хлора, и в связи с этим в ЭГМ покрытии железа неоднородность распределения этих элементов меньше, чем в ЭГ покрытии. В случае ЭГ покрытия без механического воздействия неоднородность будет более сильная, так как гидроокиси хлора не удаляются и накапливаются в области поверхностных дефектов в большем количестве.

Исследование внутренней структуры (микроструктуры) в сечении толстослойного ЭГМ и ЭГ покрытий проводилось методом световой микроскопии с помощью металлографического оптического микроскопа Альтами МЕТ 1С.

В общем случае электрогальванических покрытий, полученных в хлористых, сульфатных и других электролитах железа, наблюдается ярко выраженная слоистость структуры, обусловленная включением гидроокисей рН гидратообразования, особенно при наличии трехвалентного железа. Слоистая структура электролитических сплавов возникает вследствие чередующегося обеднения прикатодного слоя ионами более электроположительного компонента, в результате чего достигается потенциал выделения более электроотрицательного компонента с одновременным диффузионным выравниванием концентрации ионов металла.

С ростом плотности тока, вследствие усиления адсорбции органических соединений и концентрационных ограничений по ионам металлов на катоде периодически формируются слои с большим содержанием гидроокисей. На их поверхности образуются слои поликристаллов с металлической структурой и значительно меньшим содержанием гидроокисей. Наличие слоистости негативно сказывается в процессе эксплуатации электролитических покрытий, так как изменения структуры по толщине ухудшают некоторые характеристики осадков, в частности, защитные.

Результаты исследования покрытий на оптическом микроскопе Альтами МЕТ 1С подтверждают наличие слоистости ЭГ покрытий без механического воздействия (рис.

3 а). При исследовании ЭГМ толстослойных железных покрытий слоистость не обнаруживается (рис. 3 б). Это объясняется, по мнению автора, тем, что выглаживающий инструмент периодически и интенсивно воздействует на образующиеся кристаллы покрытия, способствует перемешиванию электролита у катода, а также частичному очищению прикатодного слоя от гидроокисей, что устраняет периодичность образования слоев с включениями гидроокисей. Применение механического воздействия выглаживающим инструментом приводит к формированию более плотной и равномерной структуры ЭГМ покрытия.

а) хЮОО б) хЮОО

Рис. 3. Микроструктура покрытия на микрошлифе а) - ЭГ железнение без механического воздействия; б) - ЭГМ железнение с механическим воздействием

Полученные ЭГМ и ЭГ железнением толстослойные покрытия имеют трещины (или поры) как связанные, так и не связанные между собой. В общем случае гальванических процессов характер трещиноватости зависит, главным образом, от структурных особенностей осадков, а также от наличия в них неметаллических включений (частиц гидроокисей, хлора, поверхностно-активных веществ, продуктов их распада). Также при соосаждении с металлом примесных веществ трещины обычно возникают в местах скопления включений. Последние

располагаются преимущественно по границам зерен. Это приводит к ослаблению связи между зернами и к интеркристаллитному растрескиванию осадка [5].

Включение в покрытия ПАВ и гидроокисей осаждаемых металлов, вызывает развитие слоистой структуры осадков и появление в них

продольных и волосовидных трещин. При разложении гидридных фаз, например гидрида никеля с ГЦК решеткой, возможно даже появление микротрещин спирального характера.

По результатам наших исследований ЭГМ железнение обуславливает несколько иной процесс образования трещин: так как за счет воздействия выглаживающего инструмента слоистости в покрытии не возникает, то и продольных трещин также не возникает. Около поперечных трещин, имеющихся в покрытии, повышено содержание хлора и других примесных элементов, однако водорода в покрытии крайне мало, что положительно влияет на такое свойство, как хрупкость. В общем случае густота сетки трещин (то есть количество трещин на единицу площади поверхности) больше у ЭГ покрытия без механического воздействия.

Размеры зерен ЭГ и ЭГМ покрытия характеризуются степенью дисперсности, которая выражается в среднем размере зерен. Дисперсность структуры электролитических покрытий зависит от природы осаждаемого металла и условий электролиза и определяется соотношением скоростей зарождения и роста кристаллитов. В тех случаях, когда скорость образования зародышей превалирует над скоростью их роста, на катоде формируются мелкокристаллические или ультрадисперсные осадки. По данным [5] электроосаждение железа происходит с высоким перенапряжением катода и в условиях выделения на катоде водорода, причем доля его может быть очень велика (до 85 %). Выделение водорода способствует активизации катода за счет десорбции инородных атомов и молекул с его поверхности. При этом увеличивается число активных центров зарождения кристаллитов и повышается вероятность зародыше-

образования. В дальнейшем выделяющийся водород адсорбируется на зародышах ("барьер"), препятствуя их нормальному росту. Совокупность этих факторов обусловливает мелкокристаллическую структуру осадка.

ЭГМ покрытие обуславливает другие размеры зерен в связи с механической активацией, которая вносит свой вклад в получение мелкозернистых осадков: возможно, что удаление инородных атомов при активации выглаживающим инструментом идет более активно и число активных центров зарождения увеличивается.

Рассчитать размер зерна ЭГ покрытия без механического воздействия с помощью металлографического микроскопа при

увеличении до х2000 не представляется возможным, так как его размер находится в пределах 10-5-10-6 см [5]. При применении механической активации наблюдаем, что размер получившегося зерна даже менее, чем 10-6-10-7 см, то есть ультрамелкодисперсный (рис. 4).

трещины неявнокристашшческая структура

Рис. 4. Ультрамелкодисперсная структура ЭГМ покрытия, х 2000

ВЫВОДЫ

Толстослойное ЭГМ покрытие содержит значительно ниже допустимых значений величину вредных примесей (водород - 0,0043%, сера - 0,0021%). Использование выглаживающего инструмента уменьшает содержание окислов и вредных примесей (в том числе водорода), что позволяет получать плотные одно-

родные железные покрытия повышенной толщины (1,5 - 1,8 мм). Внутренняя структура ЭГМ покрытия состоит из ультрамелкодисперсных зерен размером ~ 10"6-10"7 мм. Это меньше размеров зерен в электрогальванических ЭГ покрытиях (~10"5-10"6мм), и гораздо меньше размеров зерна металлургического железа (~103мм). Установлено, что применение механического воздействия устраняет слоистость и делает структуру покрытия более равномерной, плотной, мелкодисперсной и уменьшает густоту сетки трещин, которая больше у ЭГ покрытия, формируемого без механического воздействия.

Литература

1. Анализ эффективности существующих методов ремонта коленчатых валов дизеля 5Д49 / Сб. науч. тр., Укр. гос. ак-я. ж/д транспорта [Электронный ресурс]: Режим доступа: URL: http://www.nbuv.gov.ua /portal/natural/Znpudazt/2009_107M07-71 -2009 г.

2. Спицин, И.А. Новые технологические процессы восстановления деталей машин гальваническими покрытиями [Текст]/ И.А. Спицин, И.Г. Голубев. - М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2001. - 48 с.

3. Толчеев, А. В. Разработка технологии и установки для толстослойного восстановления деталей осталиванием [Текст]: дис. канд. техн. наук: 05.03.01/ Толчеев Алексей Владимирович. - Воронеж, 2008. 170 с.

4. Хомяков, В.Г. Технология электрохимических производств [Текст]/ В.Г. Хомяков, В.П. Машовец, Л.Л. Кузьмин. - М.-Л.: ГНТИХЛ. 1949. — 674 с.

5. Ковенский, И.М. Металловедение покрытий [Текст] / И.М. Ковенский, В.В. Поветкин - М.: "СП Интермет Инжиниринг", 1999.- 296с.

Воронежский государственный технический университет

INFLUENCE OF MECHANICAL STRESS DURING THE DEPOSITION ON THE COMPOSITION AND STRUCTURE OF THICK ELECTROGALVANICMECHANICAL COVERED WITH IRON

O.V. Gorozhankina, Senior lecturer, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation, e-mail: winter.07@mail.ru

Technology electrogalvanicmechanical cement are promising direction size of the recovery in the repair of worn oversized shafts. When using these techniques it will be possible to recover up to 60 - 70% of large parts without destruction.

For coating with optimal performance, you must have clear and as full as possible representation of their composition and structure, which are definable link between deposition conditions and properties of the coatings.

This article first describes the effect of mechanical action instrument in the process of deposition on the composition and structure of the resulting thick coating of iron, which gives the possibility to choose the optimal mode of application electro-galvanicmechanical (EGM) coatings and forecasting work parts with coatings EGM.

As objects of study chosen thick-layer coating on steel samples 30 obtained by electrogalvanic (EG) and EGM cement, when co-precipitation and mechanical activation of the deposited layer.

The results showed that the coating contains high build EGM far below the value of the quantity of harmful impurities (hydrogen - 0.0043%, sulfur - 0.0021%). Use of a smoothing tool and reduces the content of harmful impurity oxides (includ-

ing hydrogen), which allows to obtain homogenous dense coatings of iron increased thickness (1.5 - 1.8 mm). EGM internal structure of the coating is composed of ultrafine grain size ~ 10-6-10-7 mm, oriented in different directions. This is less than the size of the grains in electrogalvanic EG coatings (~ 10-5-10-6mm), and much smaller than the metallurgical iron grains (~ 10-3mm). It was found that the use of mechanical action eliminates layering and coating makes the structure more uniform, dense, fine mesh density and reduces fracture, which is greater in the EG coating without mechanical action

Key words: electrogalvanicmechanical cement, high build coating, mechanical properties, structure

References

1. Analys effektivnosty sushestvuyshih metodov remonta kolenchatyh valov dizelia 5D49 [electronnui resurs] / Sb. naush. tr., Ukr. gos. ak-ya. zh/d transporta - Rezhim dostupa: URL: http://www.nbuv.gov.ua /portal/natural/Znpudazt/2009_107/n107-71.-2009.

2. Spitsin, I.A., Golubev, I.G. Novue tehnologisheckie processu vosstanovlenia detalei mashin galvanicheskimi pokrutiami [Text] - M: FGNU "Rosinformagroteh", 2001. - 48 c.

3. Tolcheev, A.V. Razrabotka tehnologii I ustanovki dlya tolstosloinogo vosstanovlenia detalei ostalivaniem [Text] / dis. kand. tehn. nauk: 05.03.01 - Voronezh, 2008. 170 c

4. Khomyakov, V.G., Mashovets, V.P., Kuzmin, L.L. Technologya electrochimisheckikh proizvodstv [Text] -M.-L .: GNTIHL. 1949. - 674 c.

5. Kovenskiy, I.M., Povetkin, V.V. Metallovedenie pokrutyi [Text] - M .: "SP Intermet Engineering", 1999.- 296c.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.