автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Повышение показателей качества деталей машин с гальваническими покрытиями

На правах рукописи УДК 621.78.015

ВЕНЕДИКТОВ Николай Леонидович

ПОВЫШЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ЛЕТА-ЛЕИ МАШИН С ГАЛЬВАНИЧЕСКИМИ ПОКРЫТИЯМИ

Специальность 05.02.08 - Технология

машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Курган - 1995

Работа зыполнена на машиностроительном факультете Тюменского государственного нефтегазового университета.

Научный руководитель - кандидат технических наук, •доцент КОВЕНСКИЙ И.М.

Научный консультант - кандидат химических наук, доцент П0ВЕ7КИН В.В.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор ГУРРВИЧ Ю.Г.

- кандидат технических наук, доцент НАУК П.Е.

Ведущее предприятие - АО "Уралмаш", г. Екатеринбург

Защита диссертации состоится " /4" аире а Л 1995 г. в Я час. ОО мин. на заседании диссертационного Совета К.064.18.01 по присуждению ученой степени кандидата технических наук Курганского машиностроительного института, 640669, г. Курган, пл. им. Ленина, КМИ,.

Авторефеоат разослан " " 1995 г.

Учений сэкретавь диссевтационного совета кандидат технических наук, провес зор —ХЭ. В. РАТМАНОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.. Способ электролитического осаждения металлов является самым распространенным в машиностроении.

По приблизительным оценкам общая площадь ежегодно наносимых галь?

ванических покрытий составляет 1 млрд.м .

Основное требование, предъявляемое к технологии изготовления деталей машин, состоит в обеспечении заданного уровня качества при минимальной себестоимости и максимальной производительности. Получение функциональных покрытий с оптимальными в конкретных условиях эксплуатации показателями качества требует четких и полных представлений о структуре, обуславливающей такие показатели. В настоящее время в связи с развитием современных методов исследования расширились представления о структуре покрытий, формируемой на стадии гальванического производства, и ■ разработаны технологии получения качественных покрытий.

Однако, резервы, связанные с улучшением показателей качества на последующих стадиях технологического процесса, практически не реализованы. В частности, остается неясным, как режи-г мы электроосаждения и исходная структура покрытий влияют на характер изменения свойств при термической обработке.

Между тем, из анализа литературы можно' полагать, ,что корректировка технологических процессов позволит наиболее эффективно управлять структурой и получать гальванические покрытия с повышенными механическими и эксплуатационными'свойствами. А следовательно, изучение влияния режимов электроосаждения и последующей обработки на структуру и свойства гальванических по-, крытий представляет теоретический и практический интерес.

Именно этому вопросу посвящена настоящая работа, выполненная в рамках Российской программы "Защитные и функциональные органические и неорганические покрытия".

Цель работы. Установить влияние режимов электроосаждения покрытий и термической обработки на изменение мех^ических и эксплуатационных характеристик и получить гальванические покрытия с повышенными показателями качества.

Научная новизна. Разработана физическая модель получения гальванических покрытий с повышенными механическими и эксплуатационными свойствами, согласно которой режимы олектроосал-

дения должны обеспечивать формирование ячейстой структуры, а режимы последующего отжига протекание процессов политизации или рекристаллизации в зависимости от требуемых в конкретных условиях показателей качества.

Установлено влияние режимов осаждения гальванических покрытий на их микроструктуру и показано,что при плотностях тока (0,75-0,95) 1пр формируется ячеистая структура, при (0,5- • •^0,75)1пр - блочная структура, при L < 0,51лр— субструктура отсутствует.

При старении и отжиге покрытий выявлены процессы отдыха, полигонизации и рекристаллизации, полнота протекания которых зависит от температуры плавления осаждаемых металлов. Разработана классификация этих процессов и соответствующих им структурных изменений.

Обнаружен эффект повышения прочностных свойств и износостойкости на стадии полигонизации, который обусловлен перераспределением. подвижных дислокаций и закреплением их в более стабильных конфигурациях атомами примесных компонентов.

Построены диаграммы конструктивной прочности в координатах Кгс - 6т , позволяющие прогнозировать конструктивную прочность в зависимости от режимов термической обработки.

Обнаружен эффект повышения коррозионной стойкости при рекристаллизации, обусловленный снижением плотности дефектов кристаллического строения на стой стадии отжига и уменьшенным количеством активных центров коррозии.

Практическая ценность. Установлены режимы отжига, которые состоят в нагреве до температуры (0,25-0,35)Тлл и выдержке 1,5-2,0 часа, обеспечивающие одновременное повышение, твердости гальванических "окрытий в 1,5-1,8 раз и пластичности в 2-2,5 раза.

Экспериментально установлены зависимости между режимами отжига покрытий и износостойкостью и показано, что повышение износостойкости в 1,4-1,5 раз достигается термообработкой при режимах (0,25-0,35) Тлл - 1 час.

Установлены режимы термической обработки, которые состоят в нагреве выше 0,35 Тол и ограничены температурой разви-< тия вторичной пористости (350-450)°С, обеспечивающие повышение коррозионной стойкости защитных покрытий в 1,15-1,3 раза.

Реализация результатов. Разработаны рекомендации по назначению режимов электроосаждения и термической обработки, обеспечивающие полу^оние гальванических покрытий с повышенными механическими и эксплуатационными характеристиками. С целью улучшения этих характеристик в заводские технологические процессы внесены изменения режимов осаждения покрытий и добавлены операции термической обработки. Рекомендации прошли апробацию на промышленных предприятиях и внедрены на серийно выпускаемой продукции: деталях задвижки газопровода, деталях электрообогревателя, деталях распределителя зажигания, штамповом и прессовом инструменте. Суммарный экономический эффект от внедрения на машиностроительных предприятиях Тюмени (заводы "Электрон", автотракторного оборудования) и Екатеринбурга (завод бурового и металлургического оборудования) составляет 487097 тыс.руб. (в ценах июня-июля 1994 г.}.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Ш научно-техническом семинаре по проблемам машиностроения (Тюмень, 1992 г.); международном симпозиуме по Трибофатике (Гомель, 1993 г.); межгосудар--ственной научно-технической конференции "Нефть и газ Западной Сибири" (Тюмень, 1993 г.); 1 и II собрании металловедов России (Пенза, 1993, 1994 г.).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 11 печатных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения, списка литературы, включающего 96 наименований, и содержит 129 страниц, 40 рисунков, 11 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Обоснована актуальность темы диссертационной работы в связи с необходимостью повышения качества деталей машин с гальваническими покрытиями.

1. Состояние вопроса. Цели и задачи исследования.

Приведен обзор отечественных и зарубежных публикаций, отражающих современное состояние исследований, которые юсвяше-ны изучению структуры гальраНических покрытий, ее зависимость

от режимов голучения, изменению при старении и термической обработке, а также влиянию режимов электроосаждения и отжига на механические и эксплуатационные характеристики. Анализ немногочисленных и разрозненных литературных данных позволяет прийти к следующему заключению.

Хотя уже достаточно давно сформировались основные представления и разработаны технологии получения качественных покрытий для повышения износо- и коррозионной стойкости, упрочнения ' поверхностей деталей машин и др., резервы, связанные с улучшением термообработкой этих функциональных характеристик, практически не реализуются, •

Известные положения, разработанные применительно к конструкционным материалам, не могут быть перенесены на покрытия из-за особенностей структуры последних, для которой характерны ультрадисперсность,: повышенная плотность дефектов кристаллического строения, неравновесность', значительный уровень внутренних напряжений.

Остается неясным, как исходная структура покрытий, формируемая при тех или иных режимах электроосаждения, влияет на характер изменения показателей качества при последующей термообработке, и каковы должны быть.режимы термообработки для целенаправленного управления свойствами в зависимости от конкретных условий эксплуатации деталей с покрытиями.

В связи с этим ЦЕЛЬЮ НАСТОЯЩЕЙ РАБОТЫ являлось установить влияние режимов электроосаждения покрытий и последующего отжига на изменение механических и эксплуатационных характеристик и получить гальванические покрытия с повышенными показателями качества. •

Объектами исследования выбраны наиболее распространенные в различных отраслях машиностроения защитные и функциональные гальванические покрытия никеля, хрома, железа, цинка, меди. К числу наиболее важных в практическом отношении характеристик таких покрытий относятся твердость, пластичность, трещиностойкость, износо- и коррозионная стойкость, которые а выбраны как основные показатели оценки качества покрытий. Кроме того, в рамках работы предпринята попытка комплексной оценки качества, покрытий, используя представления о конструктивной прочности, не нашедшей пока применения в гальванотехнике, ~

Для достижения поставленной в работе цели сформулированы следующие ЗАДАЧИ: •

1. Разработать алгоритм назначения режимов электроосаждения и отжига с целью получения гальванических покрытий с повышенными показателями качества. ,. V . • . ' \

2. Исследовать влияние режимов осаждения гальванических покрытий на их микроструктуру. ■

3. Исследовать влияние режимов отжига на микроструктуру и показатели качества покрытий.

4. Разработать рекомендации по назначений режимов электроосаждения и термической обработки, обеспечивающих получение гальванических покрытий с повышенными показателями качества -твердостью, пластичностью, износбстойкостыо. или коррозионной-стойкостью в зависимости от условий эксплуатации.

2. Физическая модель получения гальванических покрытий с повышенными механическими и эксплуатационными характеристиками.

Электроосаждение металлов происходит' в условиях,: далеких от термодинамического равновесия, в результате чего формируются-; очень дисперсные и дефектные структуры. Электронно-микроскбпичес-кие исследования показали, что в исходном состоянии после электрокристаллизации при плотности тока в интервале (0,75-0,95) I лр в осадках Си , fe , N1 , С г и Ад формируется ячеистая микроструктура. Образование ячеистой структуры в электролитических осадках, очевидно, связано с жесткими режимами электролиза, поскольку высокая катодная поляризация обусловливает значительные внутренние напряжения (до 1 ГПа), способствующие микропластической деформации металла при осаждении. Ячейки состоят из объёмов, относительно свободных от дислокаций, отделенных друг от друга сплетениями дислокаций с высокой плотностью. Границы между ячейками нередко настолько широкие и размытые, что оказываются соизмеримыми с размерами ячейки. При ведении электролиза на плотностях тока (0,75-0,5) I лр субграницы представляют собой уже плоские дислокационные стенки, причем по мере уменьшения катодной поляризации плотность дислокаций в них снижается и при 1-£0,5 1лр субструктура не фиксируется совсем.

Таким образом, чем жестче режим электролиза, тем значительнее структура покрытий обличается от равновесной.

Ооращает на себя внимание сходство структуры электрооеажденных металлов с пластически деформированными. К тому же характер изменения структуры электрооеажденных металлов при увеличении потенциала осаждения во многом аналогичен поведению структуры пластически деформированных металлов при повышении степени деформации. Структурное равновесие в таких системах достигается при старении или отжиге и, на основании анализа немногочисленных данных, можно предполагать с что в электрооеажденных металлах, как и в пластически деформированных, будут протекать процессы возврата и рекристаллизации. Полное развитие этих процессов при старении, очевидно, будет происходить только в электрооеажденных легкоплавких металлах ( 5л, В1 , РЬ ), так как гомологические температуры возврата и рекристаллизации для них ниже комнатной. Для металлов с более высокими температурами плавления ( Си , N1 , Ре , Сг ) необходим отжиг.

На примере металлов с различной температурой плавления методами рентгеноструктурного анализа, световой микроскопии, определения твердости, электросопротивления и внутренних напряжений рассмотрен характер изменения структуры и свойств при старении и отжиге. Показано, что на различных стадиях этих процессов в электролитических покрытиях происходят изменения, которые могут быть классифицированы, как при нагреве пластически деформированных металлов.

Наибольший интерес, с точки зрения возможности повышенна врказауелей качества, имеют покрытия с ячеистой структурой, получаемой при жестких режимах электроосаждения. Такая структура аналогична структуре деформированного металла с большой степенью обжатия и характеризуется высокой плотностью дислокаций.

В материалах с ячеистой структурой на стадии полигони-зации происходят локальные перемещения дислокаций и формирование плоских дислокационных стенок. При этом имеется реальная возможность закрепления дислокаций примесными компонентами, присутствующими в промышленных гальванических покрытиях, приводящая к повышению прочности и твердости.

В то же время на стадии рекристаллизации структурные 1-аменения приводят к образованию новых зерен, отделенных высокоугловыми границами и формированию структуры, которая по сравнении г исходной, характеризуется пониженной плотностью дефектов ¡т'.'етллличеекого строения. Поскольку дефекты кристаллического

отроения являются активными центрами коррозии, формируемая в процессе рекристаллизации структура обеспечивает повышенные защитные свойства материала.

Таким образом, для получения покрытий с повышенными показателями качества необходимо:

1. Получить в процессе электролиза покрытие с ячеистой структурой.

2. Провести последующий отжиг, температурно-Еремеиные режимы которого обеспечивают:

а) протекание полигокизации, если ставится задача улучшить характеристики прочности и износостойкости;

б) протекание рекристаллизации, если ставится задача улучшить коррозионную стойкость.

3. Материал и методика исследования.

В качестве объекта исследования выбраны электролитически осажденные металлы, широко используемые в машиностроении и имеющие различное функциональное назначение: хром, никель, железо , медь, цинк, серебро, олово. Покрытия получали в производственных и лабораторных условиях. В производственных условиях для электролиза использовали типовое оборудование и промышленные электролиты, в лабораторных - специальную установку к электролиты, полученные из химически чистых реактивов.

Для проведения исследований использовали комплекс методов. На типовом лабораторном оборудовании определяли твердость, проводили испытание на износостойкость. В связи с невозможностью использования стандартных методов были разработаны и изготовлены устройство для определения механических характеристик при одноосном растяжении, установка для измерения электросопротивления и установка для испытаний на коррозионную стойкость. Усовершенствована и адаптирована к электролитическим покрытиям методика определения вязкости разрушения и оценки конструктивной прочности.

Структуру электроосажденных металлов исследовали методом рентгеноструктурного анализа, оптической микроскопии, электронной микроскопии тонких фольг на просвет и растровой электронной микроскопии.

4. Влияние режимов электроосаждения и термической обработки на показатели качества покрытий.

Металлические покрытия характеризуются высокой концентрацией дефектов кристаллической структуры. Поскольку во время отжига происходит уменьшение общего количества дефектов, следует ожидать и уменьшения твердости. Однако экспериментальные данные свидетельствуют об обратном.

Из кривых изменения твердости (рис. 1 ) осадков, полненных из промышленных электролитов, следует, что при отжиге наблюдается пик твердости, на 50-80% превышающий первоначальные значения. Было установлено, что наблюдаемый эффект в наибольшей степени проявляется в тех случаях, когда параметры электроосаждения покрытий обеспечивали формирование ячеистой структуры, т.е. при ведении электролиза при плотностях тока б интервале (0,75-0,95) I пр . В покрытиях,, осажденных на режимах вне этого интервала, эффект повышения твердости при отжиге проявляется слабее.

Для объяснения эффекта упрочнения были проведены элект-ронномикроскопические исследования. Установлено, что в процессе отжига размытые объемные стенки ячеек становятся более узкими, плоскими, и ячейки постепенно превращаются в хорошо оформленные субзерна, свободные от дислокаций, с четкими субграницами. Согласно термогравиметрическому анализу на данной стадии отжига происходит выделение тепла, что связано с выходом накопленной энергии. При итом заметного изменения массы исследуемых образцов не наблюдается. Следовательно, тепловой аффект обусловлен исключительно структурными превращениями в осадке. Такие превращения по аналогии с холоднодеформированными металлами характеризуют полигониэацию. Упр_чнение электроосажденного металла в интервале температур полигонизации объясняется перераспределением и частичной аннигиляцией подвижных дислокаций и закреплением оставшихся в б^лее стабильных конфигурациях атомами примесных комго-нентов, которые входят в состав промышленных электролитов.

Низкотемпературный отжиг влияет на изменение и других * механических свойств, в частности пластичности (рис. 1 ). Повышение пласт.ичьости при отжиге обусловлено выходом внедренного водорода, содержание которого в исследуемых осадках после электролиза достигав: 0,2-3,2 см®/г, й аннигиляцией избыточных вакансии , конц ентрация которых оценивается 0,1 ат.%. Наблюдаемое

Рис.. 1. Зависимость твердости (3-14) и пластичности (1, 2) от температуры отжига (1 ч) электроосахденных железа (1, 3-6). никеля (2, 7-10- и хрома (11-14), полученных пгш различных плотностях тока: 1,5-5,0; 2,10-1,0: 3-2,0; 4-3,0; 5-4,0; 7-0,6; 8-0,8; 9-1,1; 11-5,0; 12-10,0; 13-15,0; 14-.-20,0 А/цм2

одновременно с повышением пластичности снижение остаточных напряжений з металлах до практически нулевых значений подтверждает роль этих факторов в природе явлений.

Учитывая, что полигончзация протекает в ограниченном интервале температур ~ (0,27-0,35) Тпл , было изучено влияние длительности изотермического отжига при различных температурах на твердость и пластичность. С увеличением времени отжига твердость осадков вначале увеличивалась, а затем уменьшалась почти до первоначального значения, причем с повышением температуры отжига для достижения пика твердости требовался более короткий промежуток времени. Пластичность осадков возрастала тем интенсивнее, чем выше была температура отжига, поскольку скорость процессов дегазации, ответственных за повышение пластичности, с увеличением температуры отжига также возрастала. Учитывая разную, скорость процессов полигонизации и дегазации, варьированием температурой нагрева и временем отжига, можно подобрать режим термообработки, обеспечивающий сочетание прочности и пластичности, отвечающей требованиям эксплуатации конкретного покрытия. Для этой цели необходимо:

1. Обеспечить получение ячеистой структуры при электролизе :

2. Обеспечить формирование блочной субструктуры при отжиге.

3. Построить сериальные кривые изменения твердости и пластичности и провести оптимизацию режимов.

Для исследуемых металлов были построены серии кривых и определены технологические режимы электролиза и термообработки, обеспечивающие одновременное повышение твердости и пластичности. Анализ результатов показал, что температурно-временные режимы отгига, обеспечивающие одновременное повышение твердости и пластичности, укладываются в интервале (0,27-0,32)Тлл при выдержке 1,^-2.0 часа.

С точки зрения современных представлений надежность работы изделий в заданных эксплуатационных условиях наиболее полно характеризуется конструктивной прочностью. Для металлически покрытий наиболее реальным является построение диаграмм конлууктиЕноЯ прочности в координатах вязкость разрушения К ¡с -рр^1.- т.-кучести 6т . Как показал анализ, из всей гаммы меха-

кических свойств именно сти характериот'.п-ч металлических покрытий наиболее просто определить, ¡¡спольь,, . доступные приемы.

Для построения диагры...»« конструктивной прочности исследуемых осадков железа, никеля и хрома были получены зависимости вязкости разрушения К ¡с и предела текучести б'г от тем-• пературно-временных параметров.

Величина вязкости разрушения уже сама по себе дает важную информацию, так как является структурно-чувствительной характеристикой металла и определяет способность металла противостоять развитию трещины. Чем гаше значение К[С . тем меньше опасность хрупкого разрушения и выше надежность конструкции, изготовляемой из этого материала. В интервале температур 100-350°С - для ;;;елеза, 100-350°С - для никеля, 150-400°С - для хрома вязкость разрушения возрастает с увеличением температуры отжига. Увеличение вязкости разрушения указывает на положительное влия-.ние отжига гальванических гк^ытий о точки зрения сопротивления их разрушению. Предел текучести осадков в зависимости от температуры отжига изменяется не линейно, а имеет максимум: для железа - при температуре 200°С, для никел., - £00°С, для хрома -350°С.

Диаграммы конструктивной прочности, построенные для железа, никеля и хрома, представляют собой области, состоящие из совокупности точек, каждая из которых отражает значения и

Ог при конкретных температурно-времениых режимах термообработки. На рис. 2 в качестве примера приведена диаграмма конструктивной прочности гальванических покрытий железа. Пользуясь диаграммой конструктивной прочности, можно оценить возможности достижения различных сочетаний вязкости разрушения и предала текучести, требующихся для конкретных условий эксплуатации, путем изменения режимов отжига. Анализ диаграмм конструктивной прочности показал, что сочетание наибольших, одновременно достижимых значений Кц; и бт ■ возможно для железа при 1:я200оС и С =>1-2 часа, для никеля - при t г:200°С и 1-2 часа, для хрома - при t и 350°С и СС = 1-2 часа.

Построение диаграмм конструктивной прочности для железа, никеля и хрома на одном графике делает удобным выбор оптимального материала покрытия в зависимости от условий эксплуатации.

0,8 1,0 1,1 // ГПа

Режимы отжига покрытий железа

■ № : ,°С ' ч: № , ч № , °с; , ч

1 100 0,5 13 150 1,5 25 275 . 0,5

2 125 0,5 14 150 2,0 26 225 2,0

3 150 0,5 15 175 1,0 27 250 1,0

4 100 1,0 16 225 0,5 28 250 1,5

5 100 1,5 17 175 1,5 29 300 . 0,5

6 125 М 18 200 1,0 30 250 2,0

7 175- 0,5 19 175 •2,0 31 275 1,0

8 100 2,0 20 250 0,5 32 275 1,5

9 125 1,5 . 21 200 1,5 33 300 1,0 ■

10 150 1,0 22 225 1,0 34 275 2,0

11 125 ■2,0 23 200 2,0 35 300 1,5

22 200 . 0,5 24 225 1,5 <36 300 2,0

Рис. 2. Диаграмма конструктивней прочности гальванических покрытий железа, термообработанных при различных режимах

Рассмотрено влияние отжига на структуру и'.защитные свойства гальванических покрытие.

Коррозионная стойкс-:ть после отжига, сйзспечивающего повышенную твердость и пластичность, минимальна, что связано с увеличением при полигонизации количества активных центров коррозии, прежде всего поверхностных дефектов кристаллического строения. Согласно олектронномикроскопическим исследованиям при доро-кристаллизационном отжиге вследствие образования разделенных малоугловыми границами субзерен объемная доля поверхностных дефектов достигает 50*. Кроме того, в результате термического освобождения водорода из вакансий и выхода его из твердого раствора к стокам активизируются точечные дефекты. Концентрация вакансий на данной стадии отжига остается еще достаточно высокой, соответствующей значениям при предплавильных температурах.

Отжиг ири температурах рекристаллизации приводит к образованию новых зерен, отд . .¡нннх высокоугловыми границами с резко пониженной плотностью дислокаций. СоЕвршекстэо рекристал-лизованной структуры по сравнению с полигонизованной обуславливает, с одной стороны, разупрочнение покрытий, а с другой - повышение коррозионной стойкости (рис.3 ). .Дальнейшее увеличение температуры отжига вызывает снижение этой характеристики.

Фрактография изломов о помощью растровой электронной микроскопии в сочетании с термодифференциальным анализом свидетельствуют о развитии в отожженны/ покрытиях пористости, которую по аналогии с литыми металлами следует назвать вторичной, в отличии от иервичной, образующейся при электрокристаллизации. Причинами вторичной пористости могут быть миграция водород"1, и термически активированных вакансий к многочисленным коллекторам, которые существуют' в покрытиях после их получения, и газовыделение при выгорании продуктов разложения примесных компонентов. Иеза-. висимо от того, как образовалась пористость, ее наличие негативно влияет на защитные свойства гальванопокрытий. Анализ изломов исследуемых покрытий с помощью РЭМ свидетельствует об увеличении размера пор с 30 нм после отжига при 300°С до 75 ям после отжига при 500°С.

При низкотемпературном отжиге вторичная пористость практически не проявляется. Поры незначительно увеличиваются в диаметре за счет миграции водорода к коллекторам и аннигиляции

Рис. 3. Зависимость коррозионной стойкости покрытий цинка (1), никеля (2) и меди (3) от температуры отжига (1 ч)

Рио. 4. Зависимость величины износа от температуры отжига (1 ч) покрытий никеля (1, З)- железа (2, 4) и хэоиа (5) и^и разных режимах исгытаний: 1, 2 - трение в условиях граничной смазки; 3. 4, Ь - трение без смазки

вакансий на их внутренних полос 1 их. Ре,;к о увеличение размера пор и их объемной доли в осадке с соответствующим снижением защитных свойств происходит при выгорании продуктов разложения примесных компонентов при температуре 400-500°С. На рис. 3 показаны кривые зависимости коррозионной стойкости осажденных при - стационарных режимах никеля, меди и цинка от температуры отжига. Снижение скорости коррозии соответствует температурному интервалу рекристаллизации.

Таким образом, получение наилучшей коррозионной стойкости достигается рекристаллизационным отжигом (0,35-0,45)Тпл , ограниченным температурой, при которой появляется вторичная пористость (400-500°С).

Исследовано влияние режимов получения и отжига на износостойкость покрытий, наносимых на штамповый и мерительный инструмент и другие детали работающие в парах трения.

Испытаниям на износ подвергались покрытия хромом, никелем и железом. Испытания проводили при сухом трении при удельном давлении длл железа и никеля 0,3 МПа, хрома 1,0 МПа и в условиях граничной смазки при удельном давлении для железа и никеля 10 МПа. При этих условиях испытаний температура в зоне трения не оказывала особого влияния на процессы, протекающие в зоне. Такие параметры испытаний рекомендованы в литературе и использованы в ряде работ, что дает возможность сравнивать полученные экспериментальные результаты с немногочисленными данными по железу и хрому.

На рис. 4 показаны зависимости износа железа, никеля и хрома от температуры отжига. При температуре отжига 200°С -для железа и никеля и 350°0 - для хрома наблюдается уменьшение износа на 30-50$. Однако ото имеет место только для покрытий, осажденных при плотностях тока, соответствующих высокому перенапряжению катода, которое обусловливает образование исходной ячеистой структуры. Температурный интервал, при котором происходит увеличение износостойкости гальванических покрытий при отжиге, совпадает с температурой полигонизации (0,27-0,35) 1 пл и, вероятно происходящие структурные превращенил оказывают положительное влияние на величину износа.

Можно заключить, что для повышения износостойкости гаьванических покрытий, использующихся в парах трения, необхоци-

мо:

1. Получать покрытия при плотностях тока (0,75-0,95пр. формирующих ячеистую структуру.

2. Производить отжиг при температуре полигонизации осажденного металла, которая попадает с интервал (0,27-0,35)Тпл •

Проведена аппроксимация экспериментальных кривых на ЭВМ и получены математические зависимости изменения механических и эксплуатационных свойств гальванических покрытий от режимов термической обработки, которые имели одинаковый вид для всех исследуемых покрытий и режимов их получения. Это свидетельствует о правильности выбранной физической модели механизма формирования повышенных показателей качества деталей машин с покрытиями на стадии электроосаждения и термической обработки.

5. Реализация результатов работы.

В результате исследования влияния режимов электроосаждения и термической обработки на структуру и свойства гальванических покрытий разработаны рекомендации, практическая реализация которых позволяет улучшить ряд характеристик изделий с покрытиями .

Разработка рекомендаций велась по трем направлениям:

- упрочнение поверхности деталей машин;

- повышение износостойкости пар трения и штампового инструмента;

- повышение коррозионной стойкости.

С целью улучшения этих характеристик в заводские технологические процессы были внесены изменения режимов осаждения покрытий и добавлены операции термической обработки. Разработанные рекомендации внедрены на ряде предприятий Урала и Западной Сибири на серийно выпускаемых деталях.

Заключение

■ 1. Разработана физическая модель получения гальванических покрытий с повышенными механическими и эксплуатационными свойствами, согласно которой режимы электроосаждения должны обеспечивать формирование ячеистой структуры, а режимы последующего отжига протекание процессов политизации или рекристал-

лизации в зависимости от требуемых в конкретных условиях покааа-телей качества.

2. Установлено влияние режимов осаждения гальванических покрытий на их микроструктуру и показано, что при плотностях тока (0,75-0,95)Iпр формируется ячеистая структура, при (0,5--0,75)1 пр - блочная структура, при I 0,5 пр - субструктура отсутствует.

3. При старении и отжиге покрытий выявлены процессы отдыха, полигонизации и рекристаллизации, полнота протекания которых зависит от температуры плавления осаждаемых металлов. Разработана классификация этих процессов и соответствующих им структурных изменений.

4. Обнаружен эффект повышения прочностных свойств и износостойкости на стадии полигонизации, который обусловлен перераспределением подвижных .дислокаций и закреплением их в более стабильных конфигурациях атимами примесных компонентов.

5. Установлены режимы отжига, которые состоят в нагреве до температуры (0,27-0,3?)ТпЛ и выдержке 3,5-2,0 часа, обеспечивающие одновременное повышение твердости гальванических покрытий,в 1,5-1,8 раз и пластичности в 2-2,5 раза.

6. Разработана методика оценки конструктивной прочности гальванических покрытий и построены диаграммы конструктивной . прочности в координатах К х С - б г" . позволяющие прогнозировать конструктивную прочность в зависимости от режимов термической обработки.

7. Экспериментально установлены зависимости между режимами отжига покрытий и износостойкостью и показано, что повышение износостойкости в 1,4-1,5 раз достигается термообработкой при режимах (0,25-0,35)Тлл - 1 час.

8. Обнаружен эффект повышения коррозионной стойкости при рекристаллизации, обусловленный снижением плотности дефектов кристаллического строения на этой стадии отжига и уменьшенным количеством активных центров коррозии.

9. Установлены режимы термической обработки, которые состоят в нагреве выше 0,35 Тпл и ограничены температурой развития вторичной пористости (350-450°С), обеспечивающие повышение коррозионной стойкости защитных покрытий в 1,15-1,3 раза.

10. Разработаны рекомендации по назначению режимов

электроосаждени'я и термической обработки, обеспечивающие получение гальванических покрытий с повышенными механическими и эксплуатационными свойствами. Рекомендации прошли апробацию на промышленных предприятиях и внедрены на серийно выпускаемой продукции с общим экономическим эффектом 487097 т.руб. (в ценах июня-•1пля 1994 года).

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Улучшение эксплуатационных характеристик металлических покрытий термообработкой / И.М.Ковенский, В.В.Поветкин,

Н.Л.Венедиктов п др. // Проблемы освоения нефтегазовых ресурсов Западной Сибири: Межвузовский сборник научных трудов. Тюмень: ТГУ, 1991. С. 94-97.

2. Ковенский И.М., Поветкин В.В., Венедиктов Н.Л. Гомо-генизационный отжиг электроосахденных металлов и сплавов // Известия Академии наук. Металлы. 1992. № 5. С. 85-91.

3. Ковенский U.M., Поветкин В.В., Венедиктов Н.Л. Изменение защитных и механических свойств электролитических покрытий

в процессе отжига // Защита металлов. 1992. Т.28. № 2. С. 338-341.

4. Улучшение эксплуатационных характеристик металлических покрытий / И.М.Ковенский, В.В.Поветкин, Н.Л.Венедиктов // Ш научно-техничский семинар пс проблемам машиностроения: Тезисы докладов. Тюмень, 1992. С. 12.

5. Отжиг электролитических железоуглеродистых сплавов / И.М.Ковенский, Н.Л.Венедиктов, В.В.Поветкин // Ш научно-технический семинар по проблемам машиностроения: Тезисы докладов. Тюмень, 1992. С. 13.

6. Венедиктов Н.Л., Ковенский U.M., Поветкин В.В. Вязкость разрушения электролитических сплавов // 1 собрание металловедов России: Тезисы докладов. Пенза, 1993. С. 26-27.

7. Новые подходы к оценке механических .и эксплуатационных характеристик металлических покрытий / Н.Л.Венедиктов, И.М.Ковенский, В.В.Поветкин // Нефть и газ Западной Сибири. Проблемы добычи и транспортировки: Тезисй докладов межгосударственной научно-технической окнференции. Тюмень, 1993. С. 82-83.

8. Венедиктов Н.Л., Ковенский U.M. Вязкость разрушения (трешиностойкоеть) покрытий // В кн.: Ковенский И.М. "Механичео-

кис, эксплуатационные и технологические свойства гальванических покрытий". Учебное пособие. Тюмень, 1. . С. ..

9. Ковенский II.м.. !\>=?зткин В.В., Венедиктов Н.Л. Вязкость разрушения гальваничеок/х покрытий // Гальванотехника л обработка поверхности. 1994. Т. 3. № 1. С. 35-38.

10. Ковенский И.М. ,11оветкин В.З., Венедиктоз Н.Л. Оптимизация технологических реяимов термообработки гальванических покрытий // П собрание металловедов России:. Тезисы докладов, Пенза, 1994. С. 77.

11. Венедиктоз Н.Л.^ Ковенский И.М. Вязкость разрушения (трещиностойкость) покрытий // В кн.: Ковенский И.М., Повет-кин В.В. "Методы исследования электролитических покрытий". Наука, 1994. С. 2С-30. '.

Подписано к .печати 03.ОЗ..95 Заказ 116.

Объем 1,0 п.л. Тираж 100 окз.

Ротапринт■ ТюмГНГУ, 6Е5000, Тюмень. Володарского, 38