автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Влияние термической обработки на прочность сцепления электроосажденных покрытий с металлической основой

ВВЕДЕНИЕ.

1. ХАРАКТЕРИСТИКА И ПОЛУЧЕНИЕ ИССЛЕДУЕМЫХ ПОКРЫТИЙ.

1.1. Хромистые покрытия.

1.2. Никелевые покрытия.

1.3. Железные покрытия.

1.4. Медные покрытия.

1.5. Получение покрытий.

1.6. Факторы, влияющие на прочность сцепления покрытия с основой.

1.7. Постановка задач исследования.

2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ.

2.1. Испытания покрытий на прочность сцепления с основой.

2.1.1. Качественные методы определения прочности сцепления.

2.1.2. Количественные методы определения прочности сцепления

2.1.3. Модернизация методов определения прочности сцепления

2.2. Определение твердости покрытий.

2.3. Структурные методы исследования.

3. ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРНОГО СОСТОЯНИЯ

ИССЛЕДОВАННЫХ ПОКРЫТИЙ.

3.1. Дефектность кристаллической структуры гальванических покрытий.

3.1.1. Точечные дефекты.

3.1.2. Линейные дефекты.

3.1.3. Поверхностные дефекты.

3.2. Макроскопические дефекты.

3.3. Влияние условий электрокристаллизации на структуру покрытия.

Выводы по главе.

4. ВЛИЯНИЕ ТЕРМООБРАБОТКИ НА ФОРМИРОВАНИЕ ТОНКОЙ СТРУКТУРЫ И НА ПРОЧНОСТЬ СЦЕПЛЕНИЯ ПОКРЫТИЯ С МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ОСНОВОЙ.

4.1. Модельный эксперимент в системе Ni-Bi.

4.2. Исследования прочности сцепления никелевых и хромистых покрытий после низкотемпературного отжига.

4.3. Механизм повышения прочности сцепления покрытий.

4.3.1. Роль равновесных вакансий в диффузии атомов кристаллов

4.3.2. Схема диффузионных потоков на границе раздела "основной металл - покрытие".

4.3.3. Влияние сверхравновесных вакансий на диффузионный процесс.

4.3.4. Расчет коэффициентов диффузии при низкотемпературном отжиге покрытий.

Выводы по главе.

5. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ТЕРМООБРАБОТКИ, ПОВЫШАЮЩЕЙ ПРОЧНОСТЬ СЦЕПЛЕНИЯ ПОКРЫТИЯ С

ОСНОВОЙ.

5.1. Влияние режимов электрокристаллизации и термообработки на прочность сцепления промышленных покрытий.

5.1.1. Плотность тока при электрокристаллизации.

5.1.2. Температура и продолжительность отжига.

5.1.3. Температура закалки металлической основы.

5.2. Технология термической обработки для получения прочносцепленных гальванических покрытий и ее промышленная апробация.

Выводы по главе.

Проблема экономии материальных и энергетических ресурсов всегда была и остается актуальной (особенно в период рыночных отношений). Она связана с обеспечением надежности и повышением работоспособности оборудования, сокращением трудозатрат. Учитывая особую роль поверхностных слоев в контакте двух соприкасающихся деталей или изделия с эксплуатационной средой, необходимо повышать физико-химические характеристики именно поверхности действующих узлов и агрегатов. Одним из таких способов является электролитическое нанесение функциональных металлических покрытий, причем эту операцию можно осуществлять как при изготовлении новых, так и при восстановлении изношенных деталей.

Современные технологии позволяют получать широкий спектр покрытий не только из чистых металлов, но и их сочетаний между собой и с металлоидами. Получающиеся при этом элетроосажденные материалы отличаются в лучшую сторону по свойствам от аналогичных композиций, изготовленных традиционным пирометаллургическим способом. Возможно также нанесение аморфных и нанокристаллических покрытий с уникальным комплексом физико-химических характеристик.

Широкое применение гальванических покрытий обусловлено относительной простотой технологии электроосаждения, низкими себестоимостью и материалоемкостью, достаточно высокой производительностью, доступностью контроля и автоматизации, практически неограниченными возможностями варьирования свойств получаемых материалов. Однако в процессе эксплуатации очень важно сохранение этих поверхностных слоев с повышенными физико-химическими характеристиками на изделии, т.е. весьма значимой становится проблема прочности сцепления покрытий с металлической основой детали. Механизм адгезии весьма сложен, фундаментальных работ в этой области практически нет, а различные исследователи обращают внимание на отдельные аспекты этой проблемы. Помимо технологических "сложностей", которые легко устранимы при соблюдении режимов получения покрытий, необходимо учитывать внутренние напряжения в осаждаемых материалах, фазовые и структурные превращения в процессе нанесения, термообработки и эксплуатации поверхностных слоев, структурное состояние металлической основы детали и т.д.

Настоящая работа посвящена комплексному изучению процесса формирования диффузионной переходной зоны покрытия с металлической основой при отжиге. Особое внимание уделено структурному состоянию электроосажденного и основного металлов, роли дефектов кристаллического строения и выяснению механизма получения прочносцепленных электролитических покрытий.

Работа выполнена при поддержке грантов Министерства образования Российской Федерации и Губернатора Тюменской области.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Установлено, что определяющим фактором, обусловливающим получение прочносцепленных покрытий с металлической основой, является способность компонентов контактирующих материалов к взаимной диффузии и образованию твердых растворов.

2. Показано, что взаимная диффузия компонентов покрытия и основы активизируется при отжиге за счет создания в контактирующих материалах повышенной концентрации вакансий: в металлической основе - при закалке с высоких температур, в покрытии - при жестких режимах электрокристаллизации.

3. Предложена модель диффузионных потоков на границе раздела "основной металл - покрытие" и выведено уравнение коэффициентов диффузии элементов контактирующих фаз с учетом концентрации вакансий.

4. Показано, что повышение адгезионной прочности достигается за счет расширения диффузионной зоны, и предложена технология получения прочносцепленных покрытий, включающая предварительную закалку металлической основы с температур (0,75-0,85) температуры солидуса материала, нанесение покрытия и последующий низкотемпературный отжиг изделия с покрытием в диапазоне полигонизации в течение 0,5-1,0 часа.

5. В рамках реализации технологии получения прочносцепленных покрытий разработаны и запатентованы режимы термической обработки, обеспечивающие одновременное повышение твердости и пластичности электроосажденных металлов.

В заключение хочу сердечно поблагодарить научного руководителя, профессора, доктора технических наук И.М. Ковенского, а также коллектив кафедры "Материаловедение и технология конструкционных материалов" Тюменского государственного нефтегазового университета за постоянное внимание и помощь в работе и особенно доктора технических наук, профессора Виктора Николаевича Кускова за консультации и ценные замечания по вопросам диффузии.

1. Гальванические покрытия в машиностроении: Справочник: В 2 т./ Под ред. М.А. Шлугера. М.: Машиностроение, 1985. Т. 1. 240 е.; Т. 2. 248 с.

2. Лобанов С.А. Практические советы гальванику. М.: Машиностроение, 1983. 248 с.

3. Михайлов А.А. Обработка деталей с гальваническими покрытиями. М.: Машиностроение, 1981. 143 с.

4. Манаенко В.П. Исследование возвратно-струйного хромирования применительно к восстановлению и упрочнению автотракторных деталей. Кишинев: КСХИ, 1973. 19 с.

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

6. Хасуй А. Техника напыления. М.: Машиностроение, 1975. 236 с.

7. Груев И.Д., Матвеев Н.И., Сергеева Н.Г. Электрохимические покрытия изделий радиоэлектронной аппаратуры. М.: "Радио и связь", 1988. 124 с.

8. Кудинов В.В. Плазменные покрытия. М.: Наука, 1977. 184 с.

9. Дружинин Л.К., Кудинов В.В. Получение покрытий высокотемпературным распылением / В кн.: Получение покрытий высокотемпературным напылением. М.: Атомиздат, 1973. С. 7-59.

10. Авторское свидетельство СССР № 714246, кл. G 01 N 19/04. БИ. 1980. № 5 от 08.02.80.

11. Патент № 02117930 РФ, кл. 6 G 01 N 19/04. БИ. 1998. № 3 от 20.08.98.

12. Авторское свидетельство СССР № 913179, кл. G 01 N 19/04. БИ. 1982. № 10 от 18.03.82.

13. Авторское свидетельство СССР № 979963, кл. G 01 N 19/04. БИ. 1982. №45 от 07.12.82.

14. Авторское свидетельство СССР № 957070, кл. G 01 N 19/04. БИ. 1982. №33 от 07.09.82.

15. Авторское свидетельство СССР № 1821690, кл. G 01 N 19/04. БИ. 1993. №22 от 15.06.93.

16. Патент № 2145073 РФ, кл. 7 G 01 N 19/04. БИ. 2000. № 3 от 27.01.2000.

17. Авторское свидетельство СССР № 945760, кл. G 01 N 19/04. БИ.1982.

18. Авторское свидетельство СССР № 1208497, кл. G 01 N 19/04. БИ.1986.

19. Авторское свидетельство СССР № 1479259, кл. В 24 В 1/00. БИ.1989.

20. Плеханов И.Ф. Расчет и конструирование устройств для нанесения гальванических покрытий. М.: Машиностроение, 1998. 224 с.

21. Вячеславов П.М., Шмелева Н.М. Контроль электролитов и покрытий. Л.: Машиностроение, 1985. 96 с.23.3ибуц Ю.А., Матвиенко J1.A., Каминская А.И. Оценка микротвердости упрочняющих покрытий // Заводская лаборатория. 1991. № 3. С. 40-41

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

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

24. Металловедение и термическая обработка стали. Справочник. Т. 1. Под ред. Бернштейна M.JL, Рахштадта А.Г. М.: Металлургия, 1984. ,352 с.

25. Избранные методы исследования в металловедении / Под ред. Г.-Й. Хунгера. М.: металлургия, 1985. 416 с.

26. Поветкин В.В., Ковенский И.М. Особенности структуры электролитических сплавов Fe-Ni // Известия АН СССР. Металлы. 1987. № 3. С. 136-139.

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

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

29. Kovenskii I.M., Povetkin V.V. Mossbauer study of electrodrodeposited iron-based alloys // J. Hyperfme Interactions. 1990. № 52. P. 367-371.

30. Ковенский И.М., Поветкин B.B. Особенности структуры электроосажденных сплавов железо-кобальт // Ядерно-спектроскопические исследования сверхтонких взаимодействий. М.: МГУ, 1990. С. 79-83.

31. Поветкин В.В., Ковенский И.М. Структурная и химическая неоднородность электролитических сплавов железо-кобальт // Электрохимия. 1991. Т. 27. № 7. С. 912-914.

32. Полукаров Ю.М., Гамбург Ю.Д., Каратеева В.И. Субструктура и свойства осадков серебра из железистосинеродистороданистого электролита //Электрохимия, 1982. Т. 18. № 11. С. 1553-1556.

33. Макогина Е.И., Юдин В.В., Коварский Н.Я., Родзик И.Г. Исследование процессов формирования электролитических осадков меди методом растровой микроскопии // Электрохимия, 1986. Т. 22. № 5. С. 589594.

34. Ковенский И.М., Кузнецов П.В., Поветкин В.В., Махмудов Н.А. Исследование точечных дефектов в электролитических осадках методом аннигиляции позитронов // Электрохимия, 1991. Т. 27. № 10. С. 1369-1371.

35. 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. 1218-12-24.

36. Farr J.P., McNeil A.J.S. // Faraday Samp. Chem. Soc. 1977. № 12. P. 145-162.

37. Ваграмян A.T., Петрова Ю.С. Физико-механические свойства электролитических осадков. М.: Изд. АН СССР, 1960. 206 с.

38. Мамонтов Е.А., Козлов В.М., Курбатова JI.A. Образование тонкой структуры при электрокристаллизации металлов // Поверхность. Физика, химия, механика, 1982. № ю. С. 128-132.

39. Cusminsky J. // Scripta Metal. 1976. V. 10. № 12. P. 1071-1073.

40. Поветкин B.B., Устиновщиков Ю.И., Захаров М.С. Электронно-микроскопическое исследование структуры электроосажденных железо-никелевых сплавов // Физика и химия обработки материалов, 1976. № 6. С. 116-119.

41. Ковенский И.М., Поветкин В.В., Матвеев Н.И. Об изменении структуры электроосажденных металлов при отжиге // Известия АН СССР. Металлы. 1989. № 2. С. 97-103.

42. Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. М.: Металлургия, 1978. 392 с.

43. Горелик С.С. Рекристаллизация металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1978. 586 с.

44. Диаграммы состояния двойных металлических систем. Справочник в 3-х т.: Т. 1 / Под общ. ред. Н.П. Лякишева. М.: Машиностроение, 1996. 992 с.

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

46. Диаграммы состояния двойных металлических систем. Справочник в 3-х т.: Т. 2 / Под общ. ред. Н.П. Лякишева. М.: Машиностроение, 1997. 1024 с.

47. Методы анализа поверхностей / Под ред. А. Зандерны. М.: Мир, 1979. 584 с.

48. Уманский Я.С., Скаков Ю.А. Физика металлов. М.: Атомиздат, 1978.352 с.

49. Adda Y., Philibert J. La diffusion dans les Solides. Saclay. France. 1996. T. 1,2. 1268 p. Presses Universitaires de France.

50. Бокштейн Б.С. Исследование дефектов структуры и электронного строения примесных атомов в связи с диффузионной подвижностью в металлах. Дисс. на соиск. уч. степ. докт. физ.-мат. наук. М., 1970.

51. Бокштейн Б.С., Бокштейн С.З., Жуховицкий А.А. Термодинимика и кинетика диффузии в твердых телах. М.: Металлургия, 1974. 280 с.

52. Смитлз К. Дж. Металлы: Пер. с англ. М.: Металлургия, 1980. 447 с.

53. Гальванотехника. Справочник / Под ред. A.M. Гинберга, А.Ф. Иванова, JI.JI. Кравченко. М.: Металлургия, 1937. 736 с.

54. Мелков М.П., Швецов А.Н., Мелкова И.М. Восстановление автомобильных деталей твердым железом. М.: Транспорт, 1982. 198 с.

55. Гологан В.Ф., Аджер В.В., Жавгуряну В.Н. Повышение долговечности деталей машин износостойкими покрытиями. Кишинев: Штиинца, 1979. 112 с.

56. Schwartz В.К., Bradley W.S. Low-temperature annealing behavior of electroplated nickel \\ Thim Solid Films. 1976. Vol. 39. № 1-3. P. 279-286.

57. Заблудовский B.A., Костин H.A., Кривуша Ю.В. Рентгеноструктурное исследование влияния изотермического отжига на структурное состояние блестящих осадков никеля, полученных вимпульсном режиме // Физика и химия обработки материалов, 1960. № 3. С. 56-58.

58. Заблудовский В.А., Кривуша Ю.В., Костин Н.А. Получение высококачественных никелевых покрытий при импульсном электролизе // Изв. АН СССР. Металлы, 1982. № 3. С. 53-61.

59. Гамбург К.Д., Орленко В.В., Полукаров Ю.М. Состояние кристаллической решетки меди, электролитически осажденной из пирофосфатных растворов // Электрохимия, 1972. Т. 3. № 3. С. 468-470.

60. Мамонтов В.А., Викарчук А,А., Гусликов В.М. Гидроокись и старение электролитической меди // Электрохимия, 1980. Т. 16. № 8. С. 12101213.

61. Гусликов В.М., Мамонтов Е.А. К вопросу о включении гидроокиси в электролитические осадки меди // Электрохимия, 1978. Т. 14. № 7. С. 1130.

62. Фаличева А.И., Гранкин Э.А. Влияние условий электроосаждения на внутреннее трение осадков хрома и никеля // Электрохимия, 1973. Т. 9. № 11. С. 1641-1643.

63. Вартанова Г.А., Суров Ю.И., Ловпаче К.Г. О роли водорода в формировании структуры электролитических осадков рения // Рений. Химия, технология, анализ. М.; Наука, 1976. С. 97-99.

64. Stoebe Т. G., Hammad F. Н., Rudee M.L Transmision electron-microscope observations of the structure of electrolyically deposited copper and its annealing behaviour // Electrochim. acta. 1964 .Vol. 9. № 4. P. 925-928.

65. Викарчук A.A., Гусликов B.M., Лесковский A.M. Изменение структуры в процессе ползучести композиционных материалов на основе электролитической меди // Влияние дефектов на свойства твердых тел. Куйбышев: Куйбышев, ун-т, 1981. С. 73-80.

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

67. Петров Ю.Н., Мамонтов Е.А., Козлов В.М. Рентгенографическое исследование рекристаллизации электролитического железа // Физика металлов и металловедение, 1966. Т. 22. № 5. С. 716-720.

68. Katz J.D., Pickering H.W., Bitler W.R. Low-temperature recrystallization kinetic in nickel electrode-posits // Plating and Surface Finishing. 1980. Vol. 67. № 11. P. 45-49.

69. Козлов В.М. Влияние отжига на структуру и микротвердость электролитической меди // Физика металлов и металловедение, 1978. Т. 45. №6. С. 1322-1323.

70. Гусликов В.М., Мамонтов Е.А. Высокотемпературный фон внутреннего трения электролитической меди // Физика структуры и свойств твердых тел. Куйбышев: Куйбышев, ун-т, 1979. Т. 3. С.75-80.

71. Гусликов В.М. Внутреннее трение электролитических осадков меди // Диффузионные процессы в металлах. Тула: Тул. политех, ин-т. 1960. С. 9398.

72. Гусликов В.М. Особенности зернограничной релаксации в электролитических осадках меди // Влияние дефектов на свойства твердых тел. Куйбышев: Куйбышев, ун-т, 1991. С. 64-67. v

73. Нагирный В.М., Чайковская В.М., Найденова Т.П. Изменение структуры и некоторых свойств электролитического никеля при нагреве // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 1975. Т. 18. № 7. С. 1105-1107.

74. Нагирный В.М., Чайковская В.М. Структурные и механические характеристики толстослойных осадков никеля и некоторых его сплавов по толщине // Журн. прикл. химии, 1984. Т. 17. № 5. С. 1016-1019.

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

76. Патент № 2051205 РФ, кл. 6 С25 D5/34, 5/50, C22F 1/00. БИ. 1995. №36 от 27.12.95.

77. Ковенский И.М., Поветкин В.В. Металловедение покрытий.

78. Учебник для вузов. М.: Интермет Инжиниринг, 1999. 296 с

79. Ковенский И.М., Поветкин В.В., Матвеев Н.И. Упрочнение электроосажденных металлов при отжиге // Известия АН СССР. Металлы, 1990. №2. С. 54-56.

80. Патент № 2183697 РФ, кл. 7 С 25 D 5/34, 5/50, С 22 F 1/00. БИ. 2002. № 17 от 20.06.02.1. АКТ ВНЕДРЕНИЯрезультатов научно-исследовательских работ

81. Настоящий акт составлен в том, что результаты работы

82. ИсполнителиПлеханов В.И., аспирант

83. Апробация и научная новизнапатент РФ № 2145073

84. Опытно-промышленные испытания показалиповышениеадгезионной прочности в 1,4 раза, износостойкости в 1,4 раза Экономический эффект в расчете на год78 600 руб.1. От вуза:1. От предприятия: