автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Исследование структуры и фазовых превращений при электрокристаллизации и термической обработке сплавов на основе железа

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

1.1. Особенности структуры электролитических сплавов

1.1.1. Структурная и концентрационная неоднородность.

1.1.2. Дефекты кристаллического строения.

1.1.3. Дисперсность покрытий.

1.1.4. Неравновесность фазового состава.

1.2. Термическая обработка электролитических сплавов.

1.3. Цель и задачи исследования.

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Получение электролитических сплавов.

2.2. Механические свойства.

2.2.1. Определение твердости.

2.2.2. Испытание на растяжение.

2.2.3. Определение вязкости разрушения (трещиностойкости)

2.2.4. Оценка конструктивной прочности.

2.3. Измерение электрического сопротивления.

2.4. Просвечивающая электронная микроскопия.

2.5. Рентгеноструктурный анализ.

2.6. Ядерный гамма-резонанс.

ГЛАВА 3. НЕРАВНОВЕСНОСТЬ ФАЗОВОГО СОСТАВА ЭЛЕК

ТРООСАЖДЕННЫХ СПЛАВОВ.

3.1. Влияние содержания легирующего элемента на фазовый состав сплавов.

3.2. Влияние режимов электроосаждения на фазовый состав сплавов.

ГЛАВА 4. ОТЖИГ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИХ СПЛАВОВ.

4.1. Гомогенизационный отжиг.

4.2. Гетерогенизационный отжиг.

4.3. Реализация результатов работы.

ВЫВОДЫ.

Вопросы экономии металлов, борьбы с коррозией и износом деталей машин приобретают все большую актуальность. Традиционные конструкционные материалы в условиях увеличения рабочих скоростей и нагрузок, воздействия агрессивных сред и температур не обеспечивают надежности и долговечности оборудования. Решение этих вопросов связано с изменением свойств поверхностных слоев изделий, и прежде всего за счет нанесения функциональных металлических покрытий на детали машин.

Среди разнообразных способов нанесения покрытий наибольшее распространение в машиностроении, нефтегазодобывающей промышленности, на транспорте, в приборостроении, в радиоэлектронике и других отраслях получил метод электролитического осаждения металлов и сплавов, что обусловлено сравнительной простотой процесса электроосаждения, низкой себестоимостью, доступностью контроля и автоматизации и практически неограниченными возможностями варьирования свойствами осаждаемых покрытий.

Для того, чтобы получать покрытия, обладающие оптимальными для каждого конкретного случая характеристиками, наиболее целесообразно использовать электролитические сплавы, диапазон свойств которых значительно шире, чем у электроосажденных металлов. Перспективными для применения в различных отраслях промышленности могут быть электролитические сплавы на основе железа, обладающие более разнообразными свойствами, чем чистое железо, применяемое для восстановления изношенных поверхностей деталей.

Восстановление деталей является эффективным методом, позволяющим успешно решать проблему запасных частей. Детали, отработавшие один цикл эксплуатации, в большинстве своем пригодны для восстановления и дальнейшей работы. На восстановление деталей расходуется меньше металла, электроэнергии и труда, чем для изготовления новых. Себестоимость большинства восстановленных деталей не превышает 10-30 % себестоимости новых. 5

Однако для придания деталям повышенной твердости, износостойкости и других требуемых механических и эксплуатационных характеристик необходимо иметь четкие и по возможности более полные представления о структуре электролитических сплавов, которая является связующим звеном между задаваемыми условиями осаждения и свойствами покрытий, но заметно отличается от структуры сплавов, полученных металлургическим путем. До настоящего времени остаются практически не реализованными резервы, связанные с улучшением термообработкой функциональных характеристик покрытий деталей электролитическими сплавами.

Следовательно, изучение влияния режимов электроосаждения и последующей термической обработки на структуру и фазовый состав электроосаж-денных сплавов представляет теоретический и практический интерес.

Именно этому вопросу посвящена данная работа, выполненная в рамках Федеральной целевой программы «Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки на 1997-2000 г.г.» и при поддержке грантов Министерства образования Российской Федерации. 6

ВЫВОДЫ

1. Показано, что по мере отклонений условий электрокристаллизации от термодинамически равновесных степень неравновесности формируемой структуры осадка возрастает в последовательности: структурная - концентрационная - фазовая. Структурная неравновесность определяется высокой дисперсностью и дефектностью структуры; концентрационная - наличием кластеров; фазовая -несоответствием фазового состава равновесному.

2. Установлена зависимость структуры и фазового состава от концентрации легирующего элемента и показано, что:

- в сплавах Fe-Ni, Fe-Co, Fe-Cr, Fe-V, которые однофазны во всем исследованном интервале концентраций, при содержании легирующего элемента до 4-5 % фазовый состав соответствует равновесному, но их структура характеризуется повышенной дисперсностью и дефектностью; при увеличении содержания легирующего элемента до 25-30 % в твердом растворе формируются кластеры; при содержании легирующего элемента свыше 25-30 % происходит образование неравновесных интерметаллических фаз;

- в двухфазных сплавах Fe-W и Fe-Mo при содержании легирующих элементов 5-7 % фазовый состав соответствует равновесному; повышение концентрации до 8-10 % приводит к растворению фаз Лавеса и формированию в твердом растворе кластеров, при 15-18 % - к образованию разупорядоченного пересыщенного твердого раствора, а при концентрации 20-24 % - к аморфному состоянию.

3. Установлено, что гомогенизационный отжиг вызывает растворение неравновесных интерметаллических соединений, однако не устраняет концентрационную неоднородность. Наличие устойчивых концентрационных неоднород-ностей в структуре сплава не зависит от того, предшествовало ли образованию кластеров растворение избыточных фаз или их окончательное формирование происходило в однофазном твердом растворе, где уже существовали скопления атомов легирующего элемента после электрокристаллизации.

100

4. Установлено, что гетерогенизационный отжиг приводит к образованию интерметаллических фаз по механизму распада пересыщенного твердого раствора через зонную стадию. Образование кластеров атомов легирующего элемента в матрице a-Fe обусловлено тенденцией неидеальных твердых растворов к ближнему упорядочению вследствие отрицательных отклонений от закона Рауля.

5. Исследовано влияние режимов электрокристаллизации и термической обработки на свойства покрытий. Показано, что отжиг сплавов Fe-Mo и Fe-W при температурах (0,4-0,5)ТШ1 в течение 0,5-1 часа, имеющих после электрокристаллизации структуру пересыщенного твердого раствора, приводит к повышению твердости в 1,5-1,7 раза. Установлено, что повышение твердости обусловлено выделением мелкодисперсных интерметаллидов на начальных стадиях отжига.

6. Построены диаграммы конструктивной прочности, позволяющие назначать режимы термической обработки для получения оптимальных механических и эксплуатационных свойств.

101

1. Поветкин В.В., Ковенский И.М. Структура электролитических покрытий. - М.: Металлургия, 1989. - 136 с.

2. В.В. Поветкин, И.М. Ковенский, Ю.И. Установщиков. Структура и свойства электролитических покрытий. М : Наука, 1992. - 256 с.

3. Грилихес С.Я., Тихонов К.И. Электролитические и химические покрытия. Л.: Химия, 1990. - 288 с.

4. Лайнер В.И. Защитные покрытия металлов. М.: Металлургия, 1974.559 с.

5. Гинберг A.M. Повышение антикоррозионных свойств металлических покрытий. М.: Металлургия, 1984. - 168 с.

6. Полукаров Ю.М. Дефектность кристаллической решетки металлов, определяемая условиями электролиза // Электродные процессы и методы их изучения. Киев: Наук, думка, 1979. - С. 701-706.

7. Полукаров Ю.М. Образование дефектов кристаллической решетки в электроосажденных металлах // Итоги науки и техники. Электрохимия. М.: ВИНИТИ, 1968.-С. 72-113.

8. Поветкин В.В., Ковенский И.М. Структура электроосажденных сплавов металлов подгруппы железа // Изв. АН СССР. Металлы. 1983. - № 3. - С. 108-111.

9. Ковенский И.М., Подборнов Н.В. Влияние вакансий на внутренние напряжения в электроосажденных металлах // Изв. АН СССР. Металлы. 1993. -№5.-С. 189-192.

10. Шиблева Т.Г., Поветкин В.В., Захаров М.С. Естественное старение электролитических осадков сурьмы // Электрохимия. 1987. - Т. 23. - № 5. - С. 652-654.102

11. Поветкин В.В., Ковенский И.М. Формирование структуры электролитических осадков кобальта // Электрохимия. 1986. - Т. 22. - № 9. - С. 11711175.

12. Бокштейн Б.С. Диффузия в металлах. М.: Металлургия, 1978. -248 с.

13. Поветкин В.В., Ермакова H.A., Ковенский И.М. Естественное старение электролитических осадков висмута // Электрохимия. 1984. - Т. 20. - № 2. -С. 239-241.

14. Ковенский И.М., Поветкин В.В. Изменение некоторых свойств электролитических осадков цинка и свинца в процессе отжига // Защита металлов. -1987. Т. 23. - № 4. - С. 682-683.

15. Полукаров Ю.М., Попков Ю.А., Гринина В.В., Шешенина З.Е. Потеря устойчивости плоского фронта роста осадков меди при осаждении их на пульсирующем токе с анодной составляющей // Электрохимия. 1982. - Т. 18. - № 9. -С. 1218-1224.

16. Farr J.P., Мс Neil A.J.S//Faraday Samp.Chem.Soc.-1977. № 12.Р.145-162.

17. Мамонтов Е.А., Козлов В.М., Курбатова JT.A. Образование тонкой структуры при электрокристаллизации металлов // Поверхность. Физика, химия, механика. 1982. - № 10. - С. 128-133.

18. Поветкин В.В., Установщиков Ю. И., Захаров М.С. Тонкая структура электроосажденных сплавов железо-никель // Проблемы электрохимии и коррозии металлов. Свердловск: УПИ, 1977. - С. 8-12.

19. Поветкин В.В., Захаров М.С. Структура электроосажденных сплавов железо-кобальт // Изв. АН СССР. Металлы. 1978. - № 6. - С. 154.

20. Поветкин В.В., Ковенский И.М. Образование дислокаций в электролитических осадках // Электрохимия. 1981. - Т. 17. - № 11. - С. 1680-1686.

21. Мамонтов Е.А., Козлов В.М., Курбатова JI.A. О механизме образования дефектов структуры электролитической меди, полученной при нестационарных условиях электролиза // Электрохимия. 1976. -Т. 12. -№ 4.- С. 508-512.

22. Cusminsky J. // Scripta Metal. 1976. У. 10, № 12. Р. 1071-1073.103

23. Козлов В.М. О роли выделяющегося водорода в образовании структурных несовершенств при электрокристаллизации никеля // Электрохимия. -1982. Т. 18. - № 10. - С. 1353-1358.

24. Поветкин В.В., Установщиков Ю.И., Захаров М.С. Электронно-микроскопическое исследование структуры электроосажденных железо- никелевых сплавов // Физика и химия обработки металлов. 1976. -№ 6. -С. 116-119.

25. Ваграмян А.Т., Петрова Ю.С. Физико-механические свойства электролитических осадков. М.: Изд. АН СССР. 1960. - 206 с.

26. Морохов И.Д., Трусов Л.И., Чижик С.П. Ультрадисперсные металлические среды. М.: Атомиздат, 1977. - 264 с.

27. Ковенский И.М., Поветкин В.В. Формирование структуры железо-никелевых покрытий в зависимости от условий электрокристаллизации // Изв. АН СССР. Металлы. 1990. - № 1. - С. 117-119.

28. Поветкин В.В. Структура и некоторые свойства электролитических никель-кобальтовых покрытий // Изв. АН СССР. Металлы. 1980. - № 4. - С. 213-217.

29. Поветкин В.В., Установщиков Ю.И. Электронно-микроскопическое исследование структуры электролитических никель-фосфорных покрытий // Изв. АН.СССР. Металлы. 1985. - № 3. - С. 187-189.

30. Диаграммы состояния двойных и многокомпонентных систем на основе железа: Справ, изд./ O.A. Банных, П.Б. Будберг, С.П. Алисова и др.; под ред. O.A. Банных. М.: Металлургия, 1986. - 440 с.

31. Кубашевски О. Диаграммы состояния двойных систем на основе железа: Справ, изд.: пер. с англ. М.: Металлургия, 1985. - 184 с.

32. Жихарева И.Г., Жихарев А.И. // Электрохимия. 1985. - Т. 21. - № 1. -С. 132.

33. Ковенский И.М., Поветкин В.В. Особенности структуры электроосажденных сплавов железо-кобальт // Ядерно-спектроскопические исследования сверхтонких взаимодействий. М.: МГУ, 1990. - С. 79-83.104

34. Дворкин М.И. // Защита судов от коррозии. М.: Транспорт, 1980. -С. 50-55.

35. Адилов Т.А. // Химия редких и цветных металлов. Ташкент: Фан, 1975.-С. 52-54.

36. Ковенский И.М., Поветкин В.В. Мессбауэровские исследования сплавов железо-никель, полученных при разных условиях электрокристаллизации // Электрохимия. 1989. - Т. 25. - С. 1271-1273.

37. Safranek W. The properties of electrodeposited metals and alloys. -Hand-books.-N.-Y. 1974.-518 p.

38. Бондарь B.B., Гринина B.B., Павлов B.H. // Итоги науки и техники. Электрохимия. М.: ВИНИТИ, 1980. - Т. 16. - С. 5-332.

39. Варш Т.В., Суржко O.A., Люцедарский В.А. // Тр. Новочеркасск, политехи. 1974. - Т. 297. - С. 26-29.

40. Горбунова K.M., Полукаров Ю.М. Электроосаждение сплавов // Итоги науки и техники. Электрохимия. М.: ВИНИТИ, 1969. - Т. 11. - С. 59-113.

41. Поветкин В.В., Ермакова Н. А. Структура и свойства электролитических сплавов медь-висмут // Электрохимия. 1986. Т. 20. - № 2. -С. 236-239.

42. Поветкин В.В., Ковенский И.М., Ермакова Н А. Структура некоторых электроосажденных сплавов висмута и ее изменение при отжиге // Изв. АН СССР. Металлы. 1986. - № 2. - С. 176-178.

43. Бондарь В.В., Полукаров Ю.М. Электроосаждение сплавов аморфного строения // Тр. I Укр. Конф. по электрохимии. Киев: Наук, думка, 1973.-С. 204-214.

44. Васеда И. Быстрозакаленные металлы: Пер. с англ. / Под ред. Б.Г. Кантора. М.: Металлургия, 1983. - С. 399-407.

45. Крысова С. К., Набережных В.П., Крысов В.И., Селяков Б.И. Исследование ближнего порядка аморфного электроосажденного сплава Ni-P // Металлофизика. 1985. - Т. 7. - № 2. - С. 22-25.105

46. Поветкин В.В., Установщиков Ю.И. Электронно-микроскопическое исследование структуры электролитических никель- фосфорных покрытий // Изв. АН СССР. Металлы. 1985. - № з. - С. 187-189.

47. Dietz G., Sonhberger R. Elektrical résistance of amorphous Fe-P, Co-P and Ni-P allous H Ztschr. Phus/ 1982. Bd. 46, № 3. S. 213-217.

48. Набережных В.П., Крысова C.K., Крысов В.И., Мошенская И.Н. Структура аморфных сплавов Ni80P2o и С083Р17, электроосажденных в магнитном поле // Изв. АН СССР. Металлы. 1986. - № 3. - С. 184-188.

49. Крысова С.К., Крысов В.И., Саркисьянц Н.С., Кузнецов Э Н. Анизотропия формы концентрационных неоднородностей в аморфном сплаве Со78Р22 // Изв. АН СССР. Металлы. 1986. - № 3. - С. 162-165.

50. Палатник JI.C., Шипкова И.Г., Черемской П.Г. и др. Влияние термической обработки и облучения на структуру и магнитные свойства аморфных пленок Со-Р // Физика металлов и металловедение. 1982. - Т. 54. -№4. - С. 715-722.

51. Omi T., Yamamoto H., Glass H.L. Structure of noncrustalline alloys Co-25 % W // J. Electrochem. Soc/ 1972. Vol. 119, № 2. P. 168-173.

52. Поветкин B.B., Ковенский И.М. Структура и свойства никель-молибденовых гальванопокрытий // Защита металлов. 1984. - Т. 20. - № 3. - С. 479-481.

53. Поветкин В.В., Ковенский И.М., Венедиктов H.jl, Теребова Н.С. и др. Электрохимическое легирование железа и никеля молибденом // Металлы. -1997. -№ 4. С. 41-43.

54. Ковенский И.М. Отжиг электроосажденных металлов и сплавов. -Тюмень: ТюмГНГУ, 1995. 92 с.106

55. Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. М.: Металлургия, 1986.-480 с.

56. Малышев В.М., Румянцев Д.В. Золото. М.: Металлургия, 1979. 288с.

57. Андреева Г.П., Федотьев Н.П., Вячеславов П.М. Физико-химические свойства и структура электролитического сплава Au-Cu // Журн. прикл. химии. 1964. - Т. 37. - № 7. - С. 1469-1477.

58. Ковенский И.М., Поветкин В.В. Современные физические методы анализа и контроля электролитических покрытий. Тюмень: Союз НИО СССР, 1989.-44с.

59. Ковенский И.М., Поветкин В.В, Моргун И.Д. Современные методы исследования металлических покрытий. Тюмень: ТюмИИ, 1989. - 68 с.

60. Ковенский И.М., Поветкин В.В. Методы исследования электролитических покрытий. М.: Наука, 1994. - 234 с.

61. Ковенский И.М., Кузнецов П.В., Поветкин В.В., Махмудов H.A. Исследование точечных дефектов в электролитических осадках методом аннигиляции позитронов // Электрохимия. 1991. - Т. 27. - № 9. - С. 1369-1371.

62. Ковенский И.М., Поветкин В.В. О природе внутренних напряжений в электролитических осадках //Журн. прикл. химии. -1989.-Т. 62. -№ 1. -С. 37- 44.

63. Вячеславов П.М., Волянюк Г.А. Электролитическое формование. J1: Машиностроение, 1979. - 198 с.

64. Садаков Г.А. Гальванопластика. М.: Машиностроение, 1987. - 288 с.

65. Вячеславов П.М., Шмелева Н.М. Контроль электролитов и покрытий. 2-е изд., перераб. и доп. JI.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1985. - 96 с.

66. Зибуц Ю.А., Матвиенко Л.А., Каминская А.И. Оценка микротвердости упрочняющих покрытий// Заводская лаборатория. 1991. - №3. - С.40-41.

67. Ильинский А.И., Лях Г.Е. Методы механических испытаний пленок и фольг. (Обзор) // Заводская лаборатория. 1978. - № 12. - С.1507-1511.

68. Золоторевский B.C. Механические свойства металлов. М.: Металлургия, 1983. - 352 с.107

69. Булычев С.И., Алехин В.П. Испытание материала непрерывным вдавливанием индентора. М.: Машиностроение, 1990. - 224 с.

70. Evans A.G., Charles Е.А. //J. Amer. Ceram. Soc. 1976.-59, №7-8.-P.160.

71. Металловедение и термическая обработка стали: Справочник: В 3 т/ Под ред. M.JI. Бернштейна и А.Г. Рахштадта. М.: Металлургия, 1983. - Т 1: Методы испытаний и исследования. - 352с.

72. Романив О.Н. Вязкость разрушения конструкционных сталей. Серия «Достижения отечественного металловедения». М.: Металлургия, 1979.-176 с.

73. Черепин В.Т. Экспериментальная техника в физическом металловедении. Киев: Наукова думка, 1968. - 196 с.

74. Коваленко B.C. Металлографические реактивы: Справочник: 3-е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия, 1981. - 120 с.

75. Горелик С.С., Расторгуев J1.H., Скаков Ю.А. Рентгенографический и электроннооптический анализ. М.: Металлургия, 2-е изд., 1970. - 366 с.

76. Литвинов B.C., Каракишев С.Д., Овчинников В.В. Ядерная гамма-резонансная спектроскопия сплавов. M : Металлургия, 1982. - 144 с.

77. Силин И.Н. Стандартная программа для решения задач методом наименьших квадратов. Дубна, 1967. - 45 с. (Препринт, Объед. ин-т ядер, исслед. № 11-33-62).

78. Vincze I., Cambell I.A. J. Phys. F.: Metall Phys. 1973. V. 3.P.645.

79. Вертхейм Г. Эффект Мессбауэра. М.: Мир, 1968. - 172 с.

80. Полукаров Ю.М. Дефектность кристаллической решетки металлов, определяемая условиями электролиза // Электродные процессы и методы их изучения. Киев: Наукова думка, 1979. - с. 116-119.

81. Установщиков Ю.И. Вторичное твердение конструкционных легированных сталей. М.: Металлургия, 1982. - 128 с.

82. Миркин Л.И. Рентгеноструктурный контроль машиностроительных материалов: Справочник. М.: Машиностроение, 1979. - 134 с.108

83. Устиновщиков Ю.И. Выделение второй фазы в твердых растворах. -М.: Наука, 1988.- 172 с.

84. Ковенский И.М., Бенедиктова И.А. Особенности фазовых превращений в электроосажденных сплавах // Новые материалы и технологии в машиностроении: Тез. докл. региональной научн.-техн. конф. 1997 г. Тюмень: ТюмГНГУ, 1997. - С. 22-23.

85. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений: 3-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1990. - 528 с.

86. Фонштейн Н.М. О критерии К,с // МиТОМ. 1976. - № 8. - С.66-78.

87. Анохин А.А., Георгиев М.Н. Диаграмма предельной трещиностойко-сти // Заводская лаборатория. 1986. - № 9. - С. 64-65.

88. Нешпор Г.С., Андреев Д.А., Армягов А.А. Корреляция вязкости разрушения при плоском напряженном состоянии К1С с механическими свойствами // Заводская лаборатория. 1982. - № 3. - С. 59-62.иьский АШ'шев.'йз-з

89. ЗШ,г.Камеис«-У?АЛ зодская. 4. т/ф 9-2ЬЗ0"Скбйрс«о-Ураяьская1. ШШЕВАЙ НОМШЯ'

90. Исполнитель Бенедиктова Ирина Александровна, аспирант ТюмГНГУ. Апробация и научная новизна - публикации в изданиях разного уровня,доклады на научно-технических конференциях.

91. Опытно-промышленные испытания показали увеличение срока службы в1,2-1,3 раза.

92. Экономический эффект в расчете на год 120 тыс. рублей.1. От вуза: предприятия: