Effect of electrochemical treatment on substrate adhesion strength in the restoration of motor vehicle parts operating under hydroabrasive wear

<jats:p><jats:bold>Introduction.</jats:bold> In the process of chrome plating of car parts, it is necessary to obtain high-quality chrome coatings with specified physical and mechanical properties. Therefore, electrochemical treatment before coating plays a crucial role in the formation of coatings with high contact strength and wear resistance. The study of the electrochemical treatment process will make it possible to develop recommendations for obtaining high-quality coatings when restoring vehicle parts.</jats:p><jats:p><jats:bold>Materials and methods.</jats:bold> To conduct reliable research, the necessary equipment was used, which made it possible to obtain data with the necessary accuracy. Also, modern data processing tools were used to carry out mathematical processing, which excluded the possibility of error and thereby obtain the dependences of factors with the necessary accuracy.</jats:p><jats:p><jats:bold>Results.</jats:bold> When using the developed new chromium plating electrolyte, it became necessary to conduct studies of the modes and time of electrochemical treatment before coating parts made of steels containing chromium and hardened to HRC 55-60 hardness. Based on the results obtained, it was found that the greatest adhesion strength will be when using electrochemical etching with a current density of 130-140 A/dm<jats:sup>2</jats:sup> and a holding time of 60-70 s. It is also necessary to activate in the chrome plating solution itself with an anode current density of 70-80 A/dm<jats:sup>2</jats:sup> and a time of 30-40 s, with a sharp switch to the chrome plating mode. Conclusions are drawn on the optimization of electrochemical surface treatment before chrome plating, in order to obtain the greatest adhesion to the substrate. Discussion and conclusion. As a result of the conducted studies of the electrochemical processing of the part before chrome plating, it was possible to obtain that when restoring parts operating under waterjet wear, it is necessary to observe the specified conditions for obtaining high-quality coatings with high adhesion strength while maintaining high physical and mechanical properties of the coating.</jats:p>

section_name: 548

section_name: ТРАНСПОРТ

section_name: РАЗДЕЛ II

section_content: Специализированный автотранспорт эксплуатирует для управления рабочими процессами гидропривод. Из источника [1] известно, что наибольший процент неисправностей гидропривода приходится на гидрораспределители и гидронасосы, у которых ресурсоопределяющими деталями являются золотники и плунжера. Даже незначительный износ их приводит к потере работоспособности агрегата и автомобиля в целом. 

В основном восстановление деталей, работающих при гидроабразивном изнашивании, на предприятиях, эксплуатирующих специализированный автотранспорт, не производится. При ремонте агрегатов гидропривода происходит замена на новые или заранее отремонтированные, что увеличивает стоимость эксплуатации в целом. Поэтому восстановление деталей в условиях отсутствия оригинальных деталей становится востребованным и экономически целесообразным. 

Хромирование -один из способов электрохимического наращивания хрома, который используют для упрочнения или восстановления деталей автотранспорта и дорожно-строительных машин. Хром обладает достаточно хорошими свойствами -износостойкостью, высокой твёрдостью, стойкостью к низким температурам, отсутствием термического влияния на поверхности детали, хорошим сцеплением с основой детали и т. д. [2, 3]. 

Однако при разработке новых электролитов, при которых используют различные органические и неорганические добавки, возникает дополнительная потребность в исследованиях прочности сцепления с основной поверхностью детали, в особенности деталей, изготовленных из стали с добавлением хрома при последующей закалке. 

В результате проведенного литературного анализа было выявлено, что основными операциями, влияющими на прочность сцепления, являются электрохимическое травление и активирование. 

Поэтому электрохимическое травление используют с целью ускорения процесса травления и повышения прочности сцепления электролитических хромовых покрытий. Оно отличается от химического тем, что процесс происходит при пропускании через детали и раствор электрического постоянного тока от внешнего источника, при этом скорость травления увеличивается в десятки раз, уменьшается расход кислоты [4, 5]. 

Для травления черных металлов обычно используют растворы кислот, чаще серной, и солей соответствующих металлов. Детали завешивают в ванну и включают в качестве катода или анода в электрическую цепь. Различают катодное и анодное травление. 

Наиболее распространенным считается анодное травление. Оно происходит за счет электрохимического растворения металла, химического растворения и механического отрывания оксидов от поверхности металла выделяющимся на аноде кислородом. Обычно для анодного травления стали применяют серную кислоту концентрации 200. . . 250 г/л или подкисленные растворы сульфата или хлорида железа 1. Температура электролитов 20. . . 60 °С, анодная плотность тока 5. . . 10 А/дм 2 [5, 6]. 

Обычно катодами при травлении в сернокислом электролите служит свинец, а в хлористом -сталь. Продолжительность обработки зависит от состояния поверхности и режимов травления (чем выше температура раствора и плотность тока, тем больше скорость травления) и колеблется от 0,5 до 5 мин. Частицы шлама с поверхности металла удаляют так же, как и при химическом травлении. 

Известно, что при катодном травлении на поверхности изделия бурно выделяется водород, который частично восстанавливает оксиды, разрыхляет их пленку и механически отрывает ее от поверхности металла. При этом исключается опасность перетравления, однако происходит наводороживание поверхности (но значительно меньше, чем при химическом травлении), что повышает хрупкость и снижает сцепляемость покрытия. Кроме того, при катодном травлении процесс продолжается в 1,5 раза дольше, чем при анодном. Для предохранения стали от наводороживания применяют специальные растворы, содержащие соли свинца или олова. Иногда попеременно включают изделия в качестве катода и анода (или наоборот) 2. При такой обработке используют положительные стороны катодного и анодного процессов, что ускоряет травление, способствует уменьшению наводороживания и образования шлама [6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14].
section_name: ВВЕДЕНИЕ

section_content: TRANSPORT
section_name: 549

section_content: Активация -обработка поверхности покрываемого металла химическим или электрохимическим способом для снятия окисного слоя непосредственно перед получением покрытия. Она представляет собой окончательную операцию подготовки деталей, заключающуюся в легком травлении их поверхности и обеспечивающую высокую прочность сцепления покрытий. Ее проводят непосредственно перед погружением деталей в гальваническую ванну для покрытия или в самой ванне.
section_name: PART II

section_content: В качестве исследований был взят разработанный электролит хромирования состава: 420 г/л хромового ангидрида, 50 г/л карбоната кальция, 10 г/л сульфата никеля, 10 г/л сульфата кобальта и 0,65-0,9 г/л плавиковой кислоты [6]. 

В качестве образцов для исследований использовали стержни диаметром 10 мм, изготовленных из стали 40Х и закалённых до твёрдости HRC 55…60 (рисунок 1). 

Травление проводили в электролите с содержанием 365 г/л серной кислоты (30%-ный раствор) и 15. . . 20 г/л сернокислого железа (FeSО 4 •7Н 2 О) плотностью 1,23 г/см 3 при температуре 18…25 °С. Для приготовления растворов рабочую ванну заполняли водой до половины объема. Затем осторожно добавляли серную кислоту при перемешивании, после чего ванну доливали водой до рабочего уровня. 

Детали завешивали на анодную специальную подвеску. Катодами служили свинцовые пластины, площадь которых в 3. . . 4 раза больше площади покрываемых поверхностей деталей. Стальные изделия обрабатывали при анодной плотности тока 20…150 А/дм 2 в течение 20. . . 120 мин, используя специальную установку для поддержания необходимых режимов [15]. 

При данных режимах через некоторое время после начала травления напряжение на ванне повышается, а сила тока снижается. Это объясняется переходом металла из активного состояния в пассивное (пассивирование поверхности) и сопровождается бурным выделением кислорода. Пузырьки кислорода срывают травильный шлам, и обрабатываемая поверхность становится чистой, с отчетливо выявленной кристаллической структурой и специфическим микрорельефом 3 [16, 17, 18, 19, 20].
section_name: МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ И ОБОРУДОВАНИЕ

section_content: Источник: составлено автором.
section_name: Рисунок 1 -Образцы для исследования прочности сцепления на различных режимах

section_content: Source: compiled by the author.
section_name: Figure 1 -Samples for the study of adhesion strength in various modes

section_content: Контроль за качеством анодной обработки проводили визуально по изменению цвета. Нормально протравленная поверхность светло-серого, матового цвета, металлический блеск на отдельных участках или всей поверхности свидетельствует о недостаточной обработке, а тёмные полосы, чёрные точки на тёмно-сером общем фоне поверхности -о её перетравливании. 

Активирование осуществляли непосредственно в растворе хромирования известного состава, при этом изменяли количество плавиковой кислоты и время активации. При этом определяли прочность сцепления с изменением параметров проведения процесса. Режимы проведения активации изменяли при анодной плотности тока 20…100 А/дм 2 в течение 10. . . 60 с при температуре электролита 18. . . 35 °С. 

В процессе эксплуатации состав электролита изменялся. В нем постепенно накапливалось железо (при травлении деталей из черных металлов) и уменьшалась концентрация кислоты, в результате этого снижается скорость травления. Кроме того, вследствие испарения и уноса электролита деталями изменяется его концентрация и уровень. С помощью ареометра проверяли концентрацию электролита и, если необходимо, добавляли кислоту или воду. 

При нарушении нормальной работы состав электролита травления проверяли химическим анализом [20, 21, 22]. 

Прочность сцепления измеряли с помощью матрицы и пресса гидравлического на 10 т. При этом прочность определялась исходя из давления, при котором происходило разрушение или повреждение хромового покрытия. 

Математическую обработку полученных результатов исследований проводили с помощью программы Statistica.
section_name: ТРАНСПОРТ РАЗДЕЛ II

section_content: При проведении исследований было получено, что наилучшую прочность сцепления хромовых покрытий с закалённой сталью 40Х можно получить после двукратной анодной обработки поверхностей деталей: электрохимического травления в разбавленной серной кислоте и активирования в рабочем растворе электролита хромирования. При этом существенное влияние на прочность сцепления оказывают режимы анодной обработки -продолжительность травления, анодная плотность тока. Кроме того, при проведении ак-тивирования в рабочем растворе влияние на прочность сцепления оказывает количество плавиковой кислоты, которая может варьироваться в пределах 0,6-0,9 г/л [22]. 

Предварительными исследованиями, проведёнными нами, была выбрана оптимальная анодная плотность тока 120 А/дм 2 при травлении в сернокислой ванне. При плотности анодного тока от 130 до 160 А/дм 2 продолжительность эффективного травления до начала перетравливания поверхности составляла соответственно 60 и 40 с. В интервале плотностей тока 100-120 А/дм 2 осуществляли травление поверхности без видимых следов перетравливания в течение 90-120 с. Снижение анодной плотности тока от 100 до 60 А/дм 2 приводило к увеличению времени травления от 120 до 180 с соответственно, причем цвет обрабатываемой поверхности за всё время травления оставался серым, ближе к тёмно-серому. Дальнейшее снижение анодной плотности тока до 20 А/дм 2 приводило к увеличению длительности травления до 7 мин, причём на протяжении первых 90 с поверхность имела явно выраженный металлический блеск, свидетельствовавший о неэффективности анодного травления. В целях плавности управления процессом и повышения эффективности анодного травления нами была выбрана плотность 120 А/дм 2. 

В результате проведенных исследований было получено, что при этой плотности тока максимальное значение прочности сцепления достигается при продолжительности анодной обработки 30 с и достигает значения 285 МПа (рисунок 2). Дальнейшее увеличение продолжительности анодного травления приводит к снижению прочности на срез до 195 МПа. С целью обеспечения наилучшей сменяемости покрытий с основой продолжительность обработки должна составлять 30-40 с. 

При проведении исследований влияния продолжительности и анодной плотности тока активирования на сцепляемость хромовых покрытий, осаждённых из разработанного электролита с добавкой плавиковой кислоты, проводили непосредственно в ванне хромирования при концентрации неорганической добавки плавиковой кислоты 0,8 г/л. Предварительно осуществляли анодное травление образцов в ванне травления при плотности тока 120 А/дм 2, температуре 20 °С в течение 60 с, а затем кратковременную промывку в проточной воде [23]. При анодной плотности тока 40 А/дм 2 (рисунок 3) с увеличением продолжительности активирования прочность сцепления повышается от 126 до 168 MПa. Однако более эффективно активирование при анодной плотности 80 А/дм 2 и продолжительности операции более 50 с (рисунок 3, кривая 2).
section_name: РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

section_content: Однако при анодной плотности тока 100 А/ дм 2 и продолжительности 10 с (см. рисунок 3, кривая 3) имеет место наибольшая прочность сцепления. Однако увеличение продолжительности процесса способствует уменьшению прочности сцепления покрытий с материалом основы. Это снижает стабильность и надёжность получения высокой прочности сцепления, усложняет эксплуатацию ванны. 

Исследования показали, что введение в разработанный электролит неорганической добавки плавиковой кислоты не ухудшает прочности сцепления осаждаемого покрытия с основой по сравнению с покрытиями, полученными из электролита без добавки (рисунок 4). Прочность сцепления покрытий при изменении концентрации плавиковой кислоты от 0,6 до 0,9 г/л колебалась в интервале 270-218 МПа, а разрушение покрытий происходило с частичным разрушением металла основы со следами покрытия на образце (см. рисунок 4). Это позволило предположить, что силы сцепления хромового покрытия и основного материала соизмеримы с межмолекулярными силами покрытия и материала основы. 

Выявленные закономерности изменения прочности сцепления условий анодной подготовки (см. рисунки 2, 3, 4) наиболее полно описываются математическим анализом полученных результатов.
section_name: 551

section_content: TRANSPORT
section_name: 553

section_name: PART II

section_content: Источник: составлено автором.
section_name: Таблица 1 Уровни варьирования факторов

section_content: Для определения математической зависимости и построения модели изменения прочности сцепления получаемого хромового покрытия с основой был проведён статистический анализ данных результатов с целью получения зависимости и влияния основных независимых факторов [24]. 

Было определено, что наиболее значимыми, независимыми факторами, влияющими на прочность сцепления, являются -время электрохимического травления, плотность тока электрохимического травления и количество плавиковой кислоты в растворе электролита. Остальные факторы были отброшены из-за малого влияния на прочность сцепления хромового покрытия с основой детали. 

С целью дальнейшего варьирования полученными результатами были определены уровни максимального, минимального и среднего значения независимых факторов, которые указаны в таблице 1. 

При проведении статистической обработки было определено, что наиболее точно можно 4 Горбунов И. П., Горбунов Д. И. Математическое моделирование процесса диффузионного хромирования стали. Теория и практика производства листового проката. Сборник научных трудов. Часть 2. Липецк: ЛГТУ, 2008. С. 68-72. получить результаты при плане проведения многофакторного эксперимента 3-1-27, при котором 3 -количество независимых факторов, 1 -количество зависимых факторов, 27 -количество проводимых опытов. Значения независимых факторов бралось как среднее значение из 3 повторяющихся опытов, при одинаковых условиях и режимах (таблица 2). 

Для обработки полученных статистических данных использована программа Statistica, с помощью которой был проведен анализ результатов и получены необходимые графики и математическая модель прочности сцепления хромового покрытия с основой детали. При этом обработка данных показала, что полученные значения находятся с минимальными отклонениями и погрешностью, соответствуют табличным значениям Стьюдента и Фишера. Поэтому были сделаны выводы, что полученная математическая модель является адекватной и отражает точное предсказание полученных результатов 4 [24, 25, 26]. 

Полученные результаты графика рассеивания показали, что все точки проведенных 27 опытов находятся в границах факторного пространства и соответствуют закону распре-деления. Кроме того, все точки располагаются симметрично, что подтверждает соответствие его определённому закону, который близок к нормальному. Поэтому отсутствует влияние случайных величин, что в свою очередь не требует проведения дополнительных опытов для достоверности полученных результатов (рисунок 5).
section_name: МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

section_name: 556

section_content: С целью получения наглядного изображения подогнанной поверхности, где в качестве зависимого фактора выступает прочность сцепления, а в качестве изменяющегося значения два независимых фактора при среднем значении одного независимого фактора. При этом получились виды подогнанных поверхностей и карта Парето, показывающие влияние независимых факторов на прочность сцепления хрома с основой детали, которые показаны на рисунке 6. 

При анализе статистической обработки полученных результатов опытов в виде графического изображения полученных поверхностей при влиянии независимых факторов было получено, что наибольшее сцепление хромового покрытия с основой детали можно получить при следующих значениях: плотность тока травления в пределах 130-140 А/дм 2, время травления 60-90 с и количества плавиковой кислоты 0,65-0,9 г/л в растворе электролита хромирования. 

Для получения уравнения регрессии были проведены расчёты с помощью программы Statistica и получены коэффициенты, которые являются значимыми для получения уравнения регрессии прочности сцепления. Значимые коэффициенты выделены красным цве-том и изображены в виде таблицы, взятые из программы Statistica (таблица 3). 

В результате полученных данных дисперсионного анализа (см. таблицу 3), последние четыре столбца в таблице определены как значимые для уравнения регрессии. Первый столбец значения коэффициента включён в уравнение с использованием значений, выделенных красным цветом, как наиболее значимых, влияющих на конечный результат прочности сцепления. Далее приведём полученное линейное уравнение регрессии, которое будет определять зависимость времени электрохимического травления, плотности травления и количество плавиковой кислоты на прочность сцепления хромового покрытия с основой детали. 

где Y -значение, предсказываемое прочности сцепления хромового покрытия с основой детали, МПа; Х 1, Х 2, Х 3 -перекодированные независимые факторы времени электрохимического травления, времени травления и количества плавиковой кислоты соответственно.
section_name: РАЗДЕЛ II

section_content: Источник: составлено автором.
section_name: Таблица 3 Анализ дисперсии при получении математической линейной модели

section_content: TRANSPORT
section_name: 557

section_content: Данное уравнение регрессии по прочности сцепления хромового покрытия с основой детали даст возможность предопределить наиболее оптимальные режимы и состав электролита хромирования для получения покрытий с наибольшей прочностью сцепления с целью возможности использования разработанного электролита при восстановлении деталей специализированного автотранспорта и дорожно-строительных машин, эксплуатирующих гидропривод.
section_name: PART II

section_content: Таким образом, проведённые исследования позволили установить рациональные условия предварительной подготовки закалённой стали 40Х, из которой изготовлены детали, работающие при гидроабразивном изнашивании -золотники гидрораспределителей, плунжера насосов и др. При этом время электрохимического травления составляет 60-90 с, плотность травления 130-140 А/дм 2 и количество плавиковой кислоты в диапазоне 06-0,9 г/л, что обеспечивает высокую прочность сцепления с хромовыми покрытиями. Поэтому это даёт основание рекомендовать использование таких покрытий для восстановления ответственных деталей автотранспорта, работающих при гидроабразивном изнашивании. 

Кроме того, была сделана математическая обработка влияния параметров режимов электрохимического травления и количества плавиковой кислоты в растворе электролита хромирования на прочность сцепления хромового покрытия с основой детали. Благодаря полученным результатам статистической обработки получено уравнение регрессии по прочности сцепления. Оно позволит предсказать оптимальные режимы и количество плавиковой кислоты для получения высокой прочности сцепления с целью использования разработанной технологии при восстановлении деталей машин.
section_name: ЗАКЛЮЧЕНИЕ

section_name: СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

section_name: INFORMATION ABOUT THE AUTHOR

section_content: Aleksei N. Kotomchin
section_name: INFORMATION ABOUT THE AUTHOR