Электроосаждение бинарных покрытий на основе железа для упрочнения и восстановления деталей машин

ЭЛЕКТРООСАЖДЕНИЕ БИНАРНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА ДЛЯ УПРОЧНЕНИЯ И ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Е.А. Афанасьев, В.И. Серебровский, В.В. Серебровский, Р.В. Степашов, И.В. Степашова

Аннотация. Приведены экспериментальные данные по твердости, усталостной прочности и износостойкости, двухкомпонентных железо-вольфрамовых и железо-молибденовых гальванических покрытий, используемых для восстановления изношенных деталей машин. Показано, что введение в электролитическое железо 2%W или 1 % Мо повышает его твердость и износостойкость в 1,5...2 раза, что приближает железные покрытия по эксплуатационным характеристикам к закаленным среднеуглеродистым сталям.

Ключевые слова: железные гальванические покрытия; легирование; электролитические железнение; двухкомпонентный осадок; микротвердость покрытий; граничное трение.

Электролитическое железнение широко используется в ремонтном производстве для восстановления широкой номенклатуры деталей автомобилей, тракторов и других машин, имеющих самые различные изно-сы - от долей миллиметра до нескольких миллиметров. Этот способ восстановления отличается высокой производительностью, технологической простотой и относительной дешевизной, однако для многих деталей современных машин, работающих при повышенных нагрузках, железнение оказывается недостаточно эффективным.

При современном состоянии ремонтного производства наиболее приемлемым направлением повышения механических и эксплуатационных свойств восстановленных деталей следует признать использование износостойких гальванических сплавов на основе железа, без дополнительной упрочняющей обработки. При этом наибольший интерес могут представлять сплавы, легированные вольфрамом или молибденом, поскольку названные металлы обладают высокой твердостью и теплостойкостью и, благодаря этому, используются для легирования многих износостойких сталей [1].

Для получения железо-вольфрамовых и железо-молибденовых покрытий на стальных деталях были использованы хлоридные электролит и асимметричный переменный ток промышленной частоты, что обеспечило высокую скорость осаждения и хорошее качество осадков [2,3,4]. Для насыщения железных покрытий вольфрамом и молибденом в процессе электроосаждения, были использованы дешевые соли этих металлов: вольфрамат натрия NaWО4"4Н20и молибдат аммония (ЫН4)6Мо702-4Н20. Оптимальная плотность катодного тока, обеспечивающая получение качественных покрытий всех типов, составляла Dк=40...50 А/дм2 при коэффициенте асимметрии р=4...6.

Содержание легирующих элементов в гальванических покрытиях практически прямо пропорционально зависит от концентрации вольфрам - и молибденсодер-жащих солей в электролите (рисунок 1).

Микроструктура двухкомпонентных осадков сильно зависит от содержания в них легирующих элементов (рисунок 2).

Рисунок 2 - Микроструктуры электроосажденных железо-вольфрамовых и железо-молибденовых покрытий

Как показал микроструктурный анализ, при содержании в железных покрытиях менее 3 % W или 1,5 % молибдена их структура однородна и достаточно мелкозерниста, она практически не отличается от структуры чистого железа. При повышении концентрации легирующих элементов в покрытиях выше названных значений в них начинают появляться трещины, количество и размеры которых увеличиваются по мере повышения степени легирования.Микротвердость железных покрытий существенно зависит от содержания в них вольфрама и молибдена (рисунок 3).

Рисунок 1 - Влияние концентрации солей вольфрама и молибдена в электролитах на содержание легирующих элементов в железных покрытиях

Рисунок 3 - Влияние содержания легирующих элементов на микротвердость железных покрытий: 1 - Бе -W; 2 - Бе - МО

Максимальная микротвердость легированных покрытий составляет 8250...8300 МПа при содержании в них 1,5...2,5% W или 1.0... 1,5%.

Мо. Это значительно превышает твердость чистого электролитического железа, которая максимально составляет 5200...5500 МПа.

Прочность сцепления железо-вольфрамовых и железо-молибденовых покрытий с основным металлом выше чем чистого электролитического железа -300...350МПа против 100...250МПа соответственно. Надо отметить, что прочность сцепления покрытий всех типов с основой очень сильно зависит от режимов электролиза. Повышение плотности катодного тока, как и увеличение значения коэффициента асимметрии, снижает прочность сцепления покрытий с основным металлом.

С увеличением плотности катодного тока и коэффициента асимметрии увеличиваются внутренние растягивающие напряжения в железных покрытиях, причем самые высокие напряжения оказываются в первых слоях покрытий, контактирующих с основным металлом. По мере увеличения толщины гальванических осадков внутренние напряжения в них снижаются. При толщине покрытий ~ 10 мкм напряжения в чистом электролитическом железе достигают 250МПа, в железо-вольфрамовых и железо-молибденовых покрытиях -18О...190МПа, при толщине покрытий более 30 мкм напряжения в них составляют ~ 150 МПа для чистого железа и 100... 120 МПа для легированных покрытий.

Таким образом, добавки вольфрама или молибдена в железные покрытия снижают величину растягивающих напряжений в них в 1,25... 1,5 раза [4].

В соответствии с влиянием на внутренние напряжения в гальванических покрытиях, вольфрам и молибден повышают предел выносливости восстановленных деталей. При испытании на усталость образцов из стали 45 с покрытиями толщиной ~ 0,3 мм были получены следующие результаты: предел выносливости образцов с чистым железом составил примерно 140 МПа (для нормализованной стали 45 предел выносливости составляет 250 МПа), для образцов с покрытием, содержащим 2,5 %, предел выносливости составил 200МПа, а для образцов с покрытием, содержащим 1,2 % Мо, -212 МПа. Как видно из экспериментальных данных, по усталостным характеристикам железо-вольфрамовые и железо-молибденовые покрытия приближаются к основному материалу (стали 45), что следует признать одним из главных достоинств предлагаемых гальванических сплавов.

Износостойкость гальванических покрытий, наряду с их усталостной прочностью, является определяющим фактором, влияющим на долговечность восстановленных деталей. На износостойкость покрытий влияет структура, химический состав, твердость, внутренние напряжения и другие факторы, определяемые условиями осаждения.

Проведенные исследования показали, что основное влияние на износ железных покрытий оказывает концентрация в них легирующих элементов. Наибольшую износостойкость, как и наибольшую твердость, имеют покрытия, содержащие ~ 2 % вольфрама, или ~ 1 % молибдена. Износостойкость легированных покрытий гораздо выше (более чем в 2 раза) износостойкости чистого электролитического железа и даже выше износостойкости основного металла - стали 45 (рисунок 4).

Таким образом, анализируя вышеприведенные экспериментальные данные, можно заключить, что использование для восстановления изношенных деталей железо-вольфрамовых или железо-молибденовых покрытий позволит поднять уровень их эксплуатационных свойств по критериям износостойкости и усталостной прочности) до состояния новых деталей. При этом высокий эффект упрочнения будет достигнут без усложнения и удорожания традиционной технологии электролитического железнения.

Список использованных источников

1 Быков В.В., Голубев И.Г., Прохоров В.Ю. Использование новых материалов при модернизации техники // Ремонт, модернизация, восстановление. - 2006. -№ 3. - С.18-19.

2 Способ электролитического осаждения сплава железо-вольфрам / В.И.Серебровский и др. // Патент на изобретение № 2192509. 2002. - 6 с.

3 Способ электролитического осаждения сплава железо-молибден/ В.И.Серебровский и др. // Патент на изобретение № 2174163. 2001. - 6 с.

4 Серебровский В.В., Гнездилова Ю.П. Электроосаждение молибденового сплава на основе железа для реновации машин // Региональные проблемы повышения эффективности агропромышленного комплекса: материалы Всероссийской научно-практической конференции Т.3. - Курск: Изд-во Курск. гос. с.-х. ак., 2007. - С.279-284.

Информация об авторах

Афанасьев Евгений Андреевич, инженер МЦИТО ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА».

Серебровский Владимир Исаевич, доктор технических наук, проректор по учебной работе, профессор кафедры электроснабжения и электрооборудования ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА».

Серебровский Вадим Владимирович, доктор технических наук, профессор кафедры информатики и электроэнергетики ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА».

Степашов Роман Владимирович, преподаватель кафедры информатики и электроэнергетики ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА».

Степашова Ирина Викторовна, преподаватель кафедры информатики и электроэнергетики ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА».

Рисунок 4 - Интенсивность изнашивания электролитических покрытий при граничном трении

Изнашивание электролитических покрытий имеет некоторые особенности, по сравнению с изнашиванием закаленной стали. Микротвердость изнашиваемой поверхности образцов из закаленной стали 45 по мере испытания постепенно снижается, с 7500...8000 МПа в начале испытаний до 6000...6300 МПа (в 1,3 раза) в конце испытаний (путь трения 54-103 м). Это свидетельствует о том, что под действием локального нагрева в процессе трения в тонких поверхностных слоях стали происходит отпуск, что, в свою очередь, вызывает повышение интенсивности изнашивания.

В гальванических покрытиях такого снижения твердости не наблюдается, поскольку они не подверглись закалке, а первоначальная твердость была получена непосредственно в процессе электрокристаллизации. Железо-вольфрамовые и железо-молибденовые покрытия имеют стабильно высокую износостойкость, независимо от длительности изнашивания.