К вопросу о напряжениях в композитных гальванических покрытиях на основе железной матрицы

УДК 621.9.047

К ВОПРОСУ О НАПРЯЖЕНИЯХ В КОМПОЗИТНЫХ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЯХ

НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗНОЙ МАТРИЦЫ

С.Ю. Жачкин, Н.А. Пеньков, Ю.Э. Симонова

В статье рассматривается влияние режимных параметров осаждения композитных покрытий на их остаточные напряжения. Приводится анализ влияния каждого фактора в отдельности. Получено регрессионное уравнение, позволяющее аналитически определять значения напряжений в покрытии

Ключевые слова: хромирование, покрытие, остаточные напряжения

Известно [1], что электролитические покрытия, благодаря наличию в них значительных остаточных внутренних напряжений, обладают повышенной твердостью. При этом рядом авторов [2] установлено, что внутренние напряжения могут значительно изменяться в зависимости от режима электролиза. Если внутренние напряжения достигают достаточно большой величины, то это отрицательно сказывается на качестве электролитического покрытия: осадок может растрескиваться, вспучиваться и даже отслаиваться. Поэтому для ремонтных целей особый интерес представляет изучение изменений остаточных внутренних напряжений железных покрытий в зависимости от условий электролиза. Этот вопрос интересен главным образом еще и потому, что от знака и величины этих напряжений во многом зависят механические свойства покрытий (твердость, усталостная прочность, износостойкость и т. д.). Опытным путем установлено, что наилучшими физико-механическими и, как следствие, эксплуатационными свойствами, обладают железные покрытия со сжимающими остаточными напряжениями около 150 МПа [3].

Для изучения влияния электролиза на остаточные напряжения получаемых покрытий применялось математическое планирование эксперимента [4]. В нашем случае исследовались образцы, прошедшие восстановление методом нанесения дисперсно-упрочненных гальванических композитных покрытий на основе железной матрицы с толщиной покрытия 100 -700 мкм. Был реализован полный факторный эксперимент 23. Характеристики плана эксперимента выбирались из условия получения же-

Жачкин Сергей Юрьевич - ВГТУ, д-р техн. наук, доцент, тел. 89081499632

Пеньков Никита Алексеевич - ВГТУ, аспирант, тел. 89157489392

Симонова Юлия Эдуардовна - ВГТУ, ст. преподаватель, тел. 89507684458

лезных композитных покрытий со сжимающими остаточными напряжениями, минимальным наводораживанием стальной основы и микротвердостью, способной обеспечить их нормальную эксплуатацию. В результате области варьирования независимых переменных были выбраны следующие:

плотность тока, 1 А/дм2 240 - 300

температура электролита, 1 °С 70 - 90 давление инструмента, Р МПа 1 - 2 скорость главного движения Угл м/мин

0,5 - 5,5

скорость вспомогат. движения Увсп мин-1 80 - 160 толщина покрытия 5, мкм 100 - 700

В качестве зависимой переменной приняты остаточные напряжения в покрытии (а, МПа).

Исследования проводились методом регрессионного анализа, для чего на основании экспериментальных данных была построена матрица планирования, содержащая зависимую и независимые переменные. Одним из условий этого метода является предположение о функциональной независимости варьируемых переменных. Для оценки этого положения проводился корреляционный анализ.

Одним из условий регрессионной модели является предположение о функциональной независимости объясняющих переменных.

Связь между факторами, называемая мультиколлинеарностью, делает вычисление параметров модели либо невозможным, либо затрудняет содержательную интерпретацию параметров модели. Учитывая вышеизложенное, на основании анализа матрицы коэффициентов парной корреляции, можно сделать вывод о необходимости включения в модель таких факторов исследуемого процесса, как плотность тока, температура рабочей среды, давление инструмента на поверхность. Остальные факторы процесса оказались не значимы или мультиколлинеарны.

Следующим этапом работы является подбор математической модели, наиболее точно описывающей исследуемый процесс.

Проверяется несколько типов модели. Анализируя проведенные вычисления видно, что наилучшим образом описывает исследуемый процесс линейная модель со свободным члена, т.к. для нее коэффициент детерминированности имеет наибольшее значение.

Проверка адекватности выбранной модели производилась по критерию Фишера [4]. Модель считалась адекватной, если Бр < Ртабл. Для полученной модели это условие выполняется. Следовательно, уравнение регрессии адекватно описывает влияние основных факторов процесса ГКО на остаточные напряжения в получаемых покрытиях.

Дальнейшим этапом явилось проведение регрессионного анализа. В результате расчета пошаговой множественной регрессии с применением пакета научных подпрограмм «81ай8йка» получено уравнение, описывающее зависимость остаточных напряжений в покрытии от исследуемых факторов: а = -159,321 + 0,233/ - 0,555/ - 9,042р

Анализ позволил выявить, что зависимость остаточных напряжений в покрытии от исследуемых факторов линейная, а связь между ними сильная - множественный коэффициент корреляции достигает значения 0,999.

Анализируя корреляционную матрицу, видим, что наибольшее значение на остаточные напряжения в покрытии оказывает плотность тока (коэффициент корреляции 0,697). Менее значительно влияют температура электролита и давление инструмента (коэффициенты корреляции соответственно -0,555 и -0,451).

После проверки значимости коэффициентов регрессии по критерию Стьюдента [4], выяснилось, что все коэффициенты регрессии оказались значимыми, т.к. вычисленные значения критерия Стьюдента оказались больше критического 1 крит. = 2,776 [4].

При анализе влияния исследуемых факторов на остаточные напряжения в железных композитных покрытиях из полного уравнения регрессии следует, что увеличение плотности тока ведет к уменьшениию сжимающих остаточных напряжений по абсолютной величине, что согласуется с теоретическими и экспериментальными исследованиями, изложенными в [4]. Графическая интерпретация зависимости остаточных напряжений от температуры электролита и плотности тока показана на рисунке

1, а в зависимости от температуры электролита и давления инструмента на рисунке 2.

-24 А/дм 2

— 26 А/дм2

— 28 А/дм2

— 30 А/дм2

Рис. 1. Остаточные напряжения в восстановленном слое композитного железа в зависимости от температуры электролита и плотности тока

Рост давления инструмента на обрабатываемую поверхность ведет к увеличению сжимающих остаточных напряжений в покрытии. Это видимо объясняется тем, что при увеличении давления глубина деформации элементарного слоя увеличивается, а, следовательно, увеличивается общая степень деформации растущего осадка. Кроме этого необходимо учесть внедрение чужеродных включений при создании композита. При увеличении давления концентрация наполнителя в матрице возрастает, следовательно, растет количество дополнительных центров создания наклепа осаждаемого материала, который суммируясь, увеличивает сжимающие остаточные напряжения.

-р=1 МПа -р=1,4 МПа -р=1,8 МПа р=2 МПа

Рис. 2. Остаточные напряжения в восстановленном слое композитного железа в зависимости от температуры электролита и давления инструмента

С ростом температуры электролита наблюдается следующая зависимость: с увеличением температуры скорость осаждения уменьшается, следовательно уменьшается толщина элементарного слоя, что при неизменном усилии деформирования приведет к большему

пластическому деформированию каждого элементарного слоя, что и вызывает возникновение больших результирующих остаточных напряжений сжатия в покрытии. Кроме того, этот процесс может усиливаться за счет того, что с увеличением температуры растет пластичность осаждаемых покрытий.

Как показала практика, бесконечно увеличивать давление инструмента для получения сжимающих остаточных напряжений нельзя: это приводит к переупрочнению покрытия и его отслаиванию. Рациональным давлением следует признать 1,8 - 2,0 МПа.

Распределение остаточных напряжений в покрытии в зависимости от их толщины проводили на дифрактометре «Дрон - 3» методом рентгено-структурного анализа. Результат представлен на рисунке 3.

Как видно из рисунка 3, на всей толщине гальванического дисперсно-упрочненного композитного покрытия на основе железной матрицы получены сжимающие остаточные напряжения, что положительно сказывается на его физико-механических свойствах и, как следствие, на эксплуатационных свойствах деталей с данными покрытиями.

Литература

1. Вячеславов П.М. Электролитическое осаждение сплавов. Изд. 5-е, Л: Машиностроение, 1986.112 с.

2. Кошкин Б.В., Дрибинский В.П., Луковцев В.П., Давыдов А.Д. Защитные свойства гальванических покрытий с чередующимися слоями // Защита металлов, 1996. т. 32. №5. С.465-467.

3. Мартыненко А.А. Технологические напряжения в электролитических осадках. Львов: Высшая школа, 1986. 131с.

4. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. 2-е изд. М.: Наука, 1976. 280 с.

Рис. 3. Рентгенограмма остаточных

напряжений

Воронежский государственный технический университет

TO THE QUESTION ON PRESSURE IN COMPOSIT GALVANIC COVERINGS ON THE BASIS

OF THE IRON MATRIX

S.Yu. Zhachkin, N.A. Penkov, Yu. I. Simonova

In article influence of regime parameters of sedimentation of composite coverings on their residual pressure is considered. The analysis of influence of each factor separately is resulted. It is received regressive the equation allowing analytically to define value of pressure in a covering

Key words: chromium plating, a covering, residual pressure