Электроосаждение и упрочнение бинарных покрытий на основе железа

ЭЛЕКТРООСАЖДЕНИЕ И УПРОЧНЕНИЕ БИНАРНЫХ ПОКРЫТИИ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА В.В. Серебровский, Л.Н. Серебровская, Р.И. Сафронов, Ю.П. Гнездилова

Аннотация. В статье рассмотрены вопросы, связанные с электроосаждением и упрочнением бинарных покрытий на основе железа.

Ключевые слова: электроосаждение, бинарные покрытия, железо, железнение.

упрочнение,

Повышение надежности современной техники и ее эффективная реновация на основе прогрессивных ремонтных технологий является весьма актуальной и важной задачей, решение которой будет способствовать ускорению развития отечественной экономики. Одним из путей решения этой задачи может стать восстановление изношенных деталей, так как этот процесс значительно дешевле изготовления новых.

Анализ износов большой номенклатуры деталей различных машин (тракторов, автомобилей и др.), поступающих в капитальный ремонт, показывает, что их величины не превышают 0,15...0,30 мм. Для восстановления деталей с такими износами наиболее целесообразно использовать электролитическое осаждение металлических покрытий, в частности электролитического железа. Железнение, по сравнению, например, с электролитическим хромированием, наиболее удобно для ремонтного производства, поскольку отличается высокой производительностью, дешевизной, технологической простотой и гибкостью. Изменяя условия электроосаждения (концентрационные характеристики железных электролитов и режимы электролиза) при этом процессе можно в широких пределах изменять свойства покрытий, что позволяет восстанавливать стальные детали различного назначения.

Однако, в связи с появлением в настоящее время новых высокопроизводительных и мощных машин, детали которых подвергаются в процессе эксплуатации повышенным нагрузкам, возможности электролитического железнения, во многих случаях уже не могут удовлетворить требования, предъявляемые к прочности и износостойкости таких деталей. Одним из наиболее радикальных путей повышения эксплуатационных свойств деталей, восстановленных электролитическими покрытиями может быть их химико-термическая обработка по аналогии с упрочняющей обработкой, которой подвергаются новые детали при изготовлении на машиностроительных предприятиях. При этом следует ожидать, что послеремонтные ресурсы таких деталей не будут уступать ресурсам новых деталей.

Настоящая работа посвящена исследованию низкотемпературной нитроцементации электролитических покрытий на основе железа, предназначенных для восстановления изношенных стальных деталей, с целью определения возможности значительного повышения поверхностной твердости, а следовательно, и износостойкости восстановленных деталей.

Для получения электролитических осадков, компенсирующих износы восстанавливаемых деталей, было выбрано не чистое железо, а с учетом последующей упрочняющей обработки, железо-хромистые сплавы. Нит-ридо- и карбидообразование в таких сплавах при насыщении их азотом и углеродом происходит гораздо интенсивнее, чем в чистом железе, а свойства упрочняющих фаз (карбонитридов) получаются более высокими.

Железохромистые осадки получали из хлористого железного электролита (350 кг/м3 FeCl2-4H2O; 1,5 кг/м3 HCl) с добавлением хлористой соли хрома CrCl310H2O. В зависимости от концентрации этой соли могут быть

получены покрытия с различным содержанием хрома (до 10 % и более). Электроосаждение железохромистых покрытий проводилось на асимметричном переменном токе промышленной частоты с показателем асимметрии Р=6, плотность катодного тока составляла Дк=40 А/дм2, температура электролита 1=25...30 °С (без специального подогрева). Длительность электроосаждения выбиралась из соображений получения покрытий толщиной 0,3...0,5 мм, т.е. равной величине износа. Следует отметить, что добавление в электролит железнения хромовой соли весьма заметно снижает выход по току железохромисто-го покрытия. Поэтому нами были выбраны варианты покрытий, содержащие относительно небольшое количество хрома (таблица 1), скорость осаждения которых не сильно снижается по сравнению со скоростью осаждения чистого железа (~0,22 м/ч).

Таблица 1 - Железохромистые покрытия принятые для исследования

Наименование покрытия Содержание хрома в покрытии, % Концентрация компонентов в электролите, кг/м3 Скорость осаждения покрытия, мм/г

Низкохромистое 1,8...2,1 FeCl2-4H2O - 350 &CI3IOH2O - 10 HCl - 1,5 0,18...0,19

Среднехромистое 4,1...4,4 FeCl2-4H2O - 350 CrCb- IOH2O - 10 HCl - 1,5 0,13...0,15

Микроструктуры электроосажденных покрытий представлены на рисунке 1. Железохромистые покрытия с невысоким (~2 % Сг) содержанием хрома (низкохромистые) имеют относительно крупное зерно и четко выраженную слоистость, что характерно и для электролитических осадков чистого железа. Железохроми-стые покрытия с повышенным (~ 4,2 % Сг) содержанием хрома (среднехромистые) имеют менее выраженную слоистость и более мелкое зерно по сравнению с низкохромистыми осадками. При этом толщина осадков с повышенным содержанием хрома заметно меньше (~ на 37 %) толщины низкохромистых осадков.

а)

б)

Рисунок 1 - Микроструктуры электролитических железохромистых покрытий (*200) с различным содержанием хрома: а) 2 % Сг; б) 4,2 % Сг

Для нитроцементации деталей, имеющих на поверхности железохромистые электролитические покрытия, наиболее удобно в условиях ремонтных предприятий использовать азотисто углеродную пасту на

основе железосинеродистого калия и аморфного углерода (сажи). Нами использовалась паста, содержащая 30 % железосинеродистого калия КРе(СК)6 и 70 % сажи, а в качестве пастообразователя - нитроцеллю-лозный лак НЦ 222. Паста наносилась на упрочняемые поверхности слоем толщиной 1,5...2 мм и высушивалась, после чего образцы с сухим азотисто-углеродным покрытием упаковывались в герметизированный контейнер (по типу твердой цементации) и помещались в печь, разогретую до заданной температуры.

Нитроцементацию проводили при различных температурах, от 550 до 750 °С, длительность нитроцемен-тации во всех случаях составляла 1,5 часа. Охлаждение после нитроцементации проводилось тремя способами: охлаждение в нераспакованном контейнере; охлаждение на воздухе - образцы из горячего контейнера высыпались на поддон; охлаждение в воде - образцы из контейнера высыпались в емкость с холодной водой. На нитроцементованных образцах исследовали структуру и измеряли твердость.

Проведенные опыты показали, что микроструктура диффузионных слоев, образовавшихся на железохро-мистых покрытиях зависит, в основном, от температуры нитроцементации (рисунок 2).

а)

6)1

в)

Рисунок 2 - Микроструктуры диффузионных слоев на электролитическом железохромистом (~ 2 % Сг) покрытии, полученные нитроцементацией при различных температурах: а) 550 °С; б) 650 °С; в) 750 °С

Нитроцементация при низких температурах 550...580 °С, при которых в металл дифундирует преимущественно азот, приводит к образованию на поверхности тонкой нетравлящейся корки-гексагональный нитрид е (содержащий азот, железо и хром). Под коркой карбонитрида появляются участки твердого раствора азота в железе (темные включения на рисунок 2-а). Надо отметить, что степень легирования электролитического осадка хромом практически не оказывает влияния на вид микроструктуры их диффузионных слоев.

Повышение температуры нитроцементации до 600...650 °С вызывает значительное увеличение глубины карбонитридной зоны на поверхности и увеличение общей глубины диффузионного слоя (рисунок 2-б). Карбонитридная зона представлена двумя фазами: гексагональным карбонитридом е (изоморфным с одноименным нитридом) и карбонитридом, изоморфным с цементитом, причем последний располагается на самой поверхности диффузионного слоя в виде четко различимого бордюра. Глубина нитроцементованных слоев, полученных при этой температуре, больше толщины электролитического покрытия, в результате чего граница между покрытием и основным металлом практически исчезает и структура образца с нитроцементо-ванным покрытием становится полностью идентичной структуре монолитного материала.

Дальнейшее повышение температуры нитроцементации (до 700...750 °С) приводит к тому, что сплошность карбонитридной зоны нарушается, а ее глубина еще больше увеличивается (рисунок 2-в). Отдельные «островки» карбонитридов распространяются на глубину, значительно превышающую толщину электро-осажденного покрытия. При названных температурах зона карбонитридов представлена исключительно фазой, изоморфной с цементитом.

Замеры микротвердости поверхности нитроцемен-тованных образцов с электролитическими покрытиями показали, что она зависит, главным образом, от температуры нитроцементации и в гораздо меньшей степени от содержания хрома в покрытии (рисунок 3).

I

гЕЭ

1 Г

2~ /У: * КА ч•

3 у

JY//9

030

020

010

% %

¡S

4

550

•00 650 700 750 ТеппЕратура нилроцтентациц 'С

Рисунок 3 - Влияние температуры нитроцементации на микротвердость железохромистых электролитических покрытий: 1 - покрытие с содержанием 2 % Cr; 2 - покрытие с содержанием 8 % Cr; 3 - глубина кар-бонитридных слоев на нитроцементованных покрытиях; I -зона сплошных карбонитридов; II - зона дисперсных карбонитридов

Надо отметить, что микротвердость поверхностей нитроцементованных железо-хромистых покрытий по сути представляет собой микротвердость карбонитри-дов, образовавшихся на этих поверхностях в результате азотонауглероживания. Однако, диффузионные слои, полученные нитроцементацией железохромистых покрытий при исследованных температурах, имеют сложное, двух- или трехзонное строение и микротвердость этих зон различна (рисунок 4).

Интегральная твердость нитроцементованных же-лезохромистых покрытий, от которой, в конечном итоге, зависит их износостойкость, определяется фазовым составом и, главным образом, глубиной карбонитрид-ных зон на поверхности диффузионных слоев, которая в свою очередь, зависит от температуры нитроцемен-тации. При повышении этой температуры от 550 до 700 °С, твердость покрытий (определенная по методу Рок-велла), увеличивается от HRA 64 до HRA 84 (примерно на 30 %), в то же время глубина зоны карбонитридов увеличивается от 0,03 до 0,28 мм (примерно в 10 раз). Дальнейшее повышение температуры нитроцемента-ции не приводит к повышению твердости железохро-мистых покрытий, хотя глубина зоны, содержащей карбонитриды, интенсивно увеличивается. Это связано с потерей сплошности карбонитридной корки на по-

верхности диффузионного слоя и с появлением в структуре участков относительно мягкой матрицы.

Рисунок 4 - Диффузионный слой нитроцементо-ванного (650 °С; 1,5 ч) образца с железохромистым (~ 2 % Сг) покрытием (а) и распределение микротвердости по сечению диффузионного слоя (б): 1-зона карбонит-ридов, изоморфных с цементитом; 11-зона карбонитри-дов е; 111-зона твердого раствора

На интегральную твердость железохромистых слоев оказывает влияние не только температура нитроце-ментации, но и скорость охлаждения после окончания нитроцементационного отжига (рисунок 5).

35

75 70 65 60

¡1 ! . 1Й

I X/ 1 // V/ £

я / / 1 1

1 ¡8

[корпеть склождтш, [д V:,.- '¿/Г

Рисунок 5 - Влияние характера охлаждения после нитроцементации на твердость диффузионных слоев железохромистых покрытий (нитроцементация при 650 °С; 1,5 ч): 1 - покрытие с содержанием хрома ~ 2 %; 2 - покрытие с содержанием хрома 4,2 %

Наибольшая твердость нитроцементованных образцов получается при охлаждении их с нитроцементацион-ного нагрева в холодной воде. При этом, по-видимому, происходит закалка зоны азотисто-углеродистого твердого раствора, расположенного под слоем карбонитри-дов. При этом твердость этой зоны заметно повышается, что и отражается на общей твердости диффузионного слоя, так как усиливается «подпор» карбонитридного слоя со стороны нижележащих структур.

При охлаждении нитроцементованных образцов на спокойном воздухе, а, тем более, в нераспакованном контейнере их твердость значительно уменьшается, поскольку скорость охлаждения оказывается меньше критической, необходимой для закалки азотисто-углеродистого аустенита. В последнем случае твердость еще более снижается, поскольку успевают прой-

ти диффузионные процессы, приводящие к снятию термических напряжений.

Надо отметить, что степень легирования электро-осажденных железных покрытий оказывает на их твердость после нитроцементации незначительное влияние.

Таким образом, проведенное экспериментальное исследование позволяет заключить, что низкотемпературная нитроцементация (в интервале температур 600...650 °С) может быть с успехом использована для упрочнения деталей, восстановленных железохромистыми электролитическими покрытиями. Относительно низкая температура упрочняющей обработки (ниже температуры т. А1 для основного металла - стали) достаточна для получения за короткое время нитроцементованных слоев по толщине сравнимых с толщиной электроосажденных покрытий, что обеспечивает очень высокий упрочняющий эффект. С другой стороны, низкая температура не вызывает изменения структуры основного металла восстанавливаемых изделий и, следовательно, не снижает их прочности. Дополнительная операция нитроцемента-ции с использованием азотисто-углеродной пасты, ввиду ее технологической простоты и экономичности (расход пасты и электроэнергии на проведение нитроцемента-ции минимальны), не вызовет трудностей при внедрении этой операции в ремонтное производство. В то же время упрочняющая обработка может дать существенный экономический эффект за счет повышения износостойкости восстановленных деталей.

Список использованных источников

1 Батищев А.Н., Голубев И.Г., Лялякин В.П. Восстановление деталей сельскохозяйственной техники. - М.: Ин-формагротех, 1995. - 295 с.

2 Серебровский В.И., Гнездилова Ю.П. Электроосаждение бинарных сплавов на основе железа для упрочнения деталей машин // Вестник Орловского государственного аграрного университета. - 2009. - № 1. - С. 9-12.

3 Серебровский В.В., Сафронов Р.И., Структура и свойства цианированных слоев, нанесенных на покрытия из электролитических сплавов железа // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2006. - № 11. - С. 23-24.

4 Серебровский В.И., Коняев Н.В., Сафронов Р.И., Способ упрочнения электроосажденных железохромовых покрытий цианированием // Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии. - 2008. - № 6. - С. 72-74.

Информация об авторах

Серебровский Вадим Владимирович, доктор технических наук, профессор кафедры электротехники и электроэнергетики ФГБОУ ВПО «Юго-Западный государственный университет».

Серебровская Людмила Николаевна, кандидат технических наук, доцент кафедры технологий металлов и ремонта машин ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА».

Сафронов Руслан Игоревич, кандидат технических наук, доцент кафедры электротехники и электроэнергетики ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА».

Гнездилова Юлия Петровна, кандидат технических наук, доцент кафедры электротехники и электроэнергетики ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА».