автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Восстановление и поверхностное упрочнение стальных деталей электролитическими сплавами на основе железа

На п^&^рукописи

Богомолов Сергей Александрович

ВОССТАНОВЛЕНИЕ И ПОВЕРХНОСТНОЕ УПРОЧНЕНИЕ СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИМИ СПЛАВАМИ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА

05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Курск - 2015 005569553

005569553

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Юго-Западный государственный университет"

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Серебровский Вадим Владимирович Официальные оппоненты: Юдин Владимир Михайлович доктор

технических наук, профессор, федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российский государственный аграрный заочный университет», заведующий кафедры надежности и ремонта машин им. И.С. Левитского

Квашнин Борис Николаевич кандидат технических наук, доцент, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Воронежский государственный университет инженерных технологий», доцент кафедры управления качеством и машиностроительных технологий Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет»

Защита диссертации состоится «10» апреля 2015 г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.105.01 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Юго-Западный государственный университет» по адресу: 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, д. 94, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на официальном сайте Юго-Западного государственного университета: www.swsu.ru

Автореферат разослан « » ____2015 года.

Ученый секретарь ^ /? Лушников

диссертационного совета Борис Владимирович

Д 212.105.01 ^(У

Актуальность работы. В современных условиях на первый план выдвигается задача нмпортозамещения и повышения конкурентоспособности продукции машиностроения, а также эффективная реновация техники. Традиционные конструкционные материалы, а также материалы, используемые для восстановления изношенных деталей, далеко не всегда обеспечивают требуемые характеристики работоспособности и надежности, которым должны отвечать детали современных мощных и высокопроизводительных машин. Поэтому весьма актуальной является задача создания новых материалов, совершенствования технологических процессов их упрочнения. Решение этой задачи, в первую очередь, связано с повышением уровня прочности поверхностных слоев тяжелонагруженных деталей, что может быть достигнуто нанесением на рабочие поверхности таких деталей металлических покрытий, отличающихся повышенной твердостью и износостойкостью.

Среди разнообразных покрытий, разработанных и используемых в настоящее время, особое место занимают электролитические покрытия, которые могут иметь самые различные свойства, главной особенностью которых является то, что они наносятся на стальные поверхности при низких темепературах, не вызывающих изменения структуры и свойств (прочности) материала основы. Электролитические покрытия широко используются в ремонтном производстве, так как их нанесете на изношенные поверхности деталей является наиболее экономичным способом восстановления их первоначальных размеров и работоспособности. Наиболее высокие свойства среди электролитических покрытий имеют электролитические сплавы, тоесть электролитические осадки двух или нескольких элементов. Электролитические сплавы, кроме высокой твердости и износостойкости, обладают рядом других ценных свойств, поэтому их использование как в ремонтном деле, так и в промышленности постояшю расширяется. Однако при этом возникают определенные трудности, связанные с недостаточной изученностью механизмов совместного осаждения различных металлов и формирования структуры свойств многокомпонентных осадков.

Поэтому настоящая работа, посвященная исследованию электроосаждения сплавов на основе железа и изучению металловедческих аспектов их повышенной прочности, износостойкости и других свойств, является актуальной.

Цель работы. Установление закономерностей процессов формирования структуры и свойств электролитических двухкомпонентных покрытий Ре-Сг, Ре-Мо, Ре-)У, Ре-"П и разработка на этой основе технологических процессов восстановления и упрочнения деталей машин, позволяющих повысить их износостойкость и другие служебные свойства.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- на основе анализа литературных данных в области нанесения электролитических покрытий на основе железа выявить наиболее перспективные легированные покрытия для восстановления и упрочнения высоконагруженных деталей машин;

- детально исследовать процессы в электролите и в прикатодном пространстве, происходящие при электрокрисгаллизащш двухкомпонентных сплавов на основе железа, и установить механизм формирования структуры покрытий при различных условиях электролиза;

- изучить особенности микро- и субструктуры электролитических легированных осадков на основе железа и установить влияние характеристик структуры на физико-механические свойства легированных железных покрытий;

- исследовать влияние легирования на эксплуатационные свойства покрытий на основе железа и провести сравнительные испытания покрытой Ре-Сг, Ре-Мо, Ре-У/, Ре-Т1 на усталостную прочность и износостойкость;

- на основе проведенных исследований разработать технологические рекомендации по восстановлению и упрочнению стальных деталей электролитическими

двухкомпонентными сплавами для повышения износостойкости и долговечности этих деталей.

Объект исследования. Электролитические покрытия на основе железа, легированные хромом, молибденом, вольфрамом или титаном.

Методы исследования. В работе использовались следующие методы исследования структуры и свойств электролитических покрытий: оптическая и электронная микроскопия, спектрометрический и рентгеноструктурный анализы; измерение твердости и микротвердости; определение плотности и прочности сцепления покрытий с основой; определение усталостной прочности и износостойкости легированных железных покрытий.

Научная новизна результатов работы и основные положения, выносимые на защиту:

Расширены представления о физико-химических процессах, происходящих при электроосаждении сплавов на основе железа, легированных Сг, Мо, и "П. Основной стадией процесса является реакция электро кристаллизации (формирование кристаллической решетки сплава на поверхности катода), проходящая при значительном перенапряжении на катоде. Это приводит к измельчению кристаллитов осадка (субзерен) и образованию большого количества дефектов (дислокаций), вокруг которых концентрируются примесные (легирующие) атомы, что сказывается на механических и других свойствах покрытий, что способствует наиболее рациональному выбору условий электроосаждения.

1. Получены новые закономерности влияния природы концентрационных характеристик электролитов на скорость осаждения легированных покрытий и на содержание в них легирующих элементов, а также на структуру электролитических осадков. При использовании универсального хлоридного железного электролига с добавлением в него соответствующих легирующих добавок удается получить следующие максимальные содержания в покрытиях легирующих элементов: ~9% Сг; ~7% "Л; ~3,5% Мо и ~3,5% \У. Это позволит получать более прочные покрытия с заданными свойствами.

2. Установлен характер влияния легирующих элементов на тонкую структуру электролитических осадков железа. Повышение содержания легирующих элементов приводит к изменению субзерен в электролитических осадках, повышению плотности дислокаций и искажению кристаллической решетки. Установлена связь между плотностью электролитического осадка, характеристиками его субсгрукгуры и степенью легирования, позволяющая оптимизировать основные эксплуатационные свойства покрытий.

3. Получены новые данные о влиянии легирования электролитических железных осадков на их твердость и внутренние напряжения и показана зависимость этих свойств от характеристик тонкой структуры и атомного строения легирующих элементов. Уточнен механизм влияния легирующих-элементов на твердость электроосажденных сплавов, что позволяет получать покрытия с прогнозируемыми физико-механическими свойствами.

4. Установлено влияние легирующих элементов на эксплуатационные свойства электролитических сплавов на основе железа. Все легирующие элементы повышают износостойкость электроосажденных сплавов, по сравнению с износостойкостью закаленной стали, при высокой стойкости против схватывания. При этом легирование V/ и Мо повышает износостойкость по сравнению с электроосажденным железом в 2...2,5 раза ив 1,5 раза по сравнению с закаленной сталью 45. Проведенные исследования подтвердили целесообразность применения легирующих элементов при электроосаждении покрытий на основе железа.

Достоверность полученных результатов и выводов по работе. Достоверность результатов обеспечена применением стандартных современных методик металл офизнческих исследований, проверенных приборов и оборудования, апробированных методов механических испытаний и определения служебных свойств металлических материалов. Достоверность подтверждается также непротиворечием

полученных результатов с результатами других исследователей, а также современными научными представлениями в области электролитического осаждения металлов и сплавов.

Практическая значимость работы. На основе результатов проведенных исследований разработаны технологические рекомендации по восстановлению и упрочнению изношенных деталей машин, легированных электролитическими покрытиями. Эта технология позволяет значительно повысить твердость и износостойкость покрытий н в 1,5...2 раза повысить послеремонтный ресурс деталей по сравнению с традиционным железнением.

Практическая ценность подтверждается полупромышленными испытаниями, проведенными на сельскохозяйственной технике на предприятиях: ЗАО «Агрокомплекс «Мансуровой и ОАО «Александровский кошплй завод №12» Курской области. Научные результаты работы используются в учебном процессе кафедры «Машиностроительные технологии и оборудование» ЮЗ ГУ.

Личный вклад автора состоит в определении научного направления исследований, постановке задач, выполнении основного -объема исследований, интерпретации и обобщении полученных результатов, формулировании научных положений и выводов, внедрении практических результатов в производство и учебную работу вуза.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были изложены на: 7-й Международной конференции «Покрытия и обработка поверхности» (2010 г.); Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Кадровое обеспечение развития инновационной деятельности в России» (2010 г.); Международной научно-практической конференции «Наука и инновации в сельском хозяйстве» (2011 г.); IV Международной научно-практической конференции «Молодежь и наука: реальность и будущее» (2011 г.); Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Модернизация АПК в контексте обеспечения продовольственной безопасности государства» (2010 г.); на заседании кафедры «Машиностроительных технологий и оборудования» (декабрь 2014г).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, in mix б в рецензируемых научных изданиях и журналах.

Структура н объем. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, библиографического списка из 153 наименований и приложений. Текст диссертации изложен на 231 страницах машинописного текста, содержит 80 рисунков, 12 таблиц.

Основное содержание работы

Введение. Обоснована актуальность работы и е5 значение для решения важной проблемы, стоящей перед отечественным народным хозяйством.

Глава 1 посвящена анализу состояния вопроса по электролитическим покрытиям, применяемым для восстановления деталей машин,' и методам их упрочнения. Рассмотрены условия электроосаждения твердого железа из водных растворов его солей и особенности электроосаждения многокомпонентных металлических сплавов. Кроме того, рассмотрены структура и свойства электролитических осадков и влияние на них условий электроосаждения.

На основании этого анализа сформированы цель и задачи исследования.

Глава 2 посвящена описанию методики экспериментальных исследований, которые проводились в работе. В качестве легирующих элементов выбраны хром, вольфрам, молибден и титан - металлы, наиболее часто используемые для легирования конструкционных и инструментальных сталей. Они, в той или иной creneim, растворяются в а-железе, образуя, как следует из соответствующих диаграмм состояния, твердые растворы замещения.

Для получения электролитических осадков железа с принятыми легирующими элементами был использован в качестве основы железный хлоридный электролит, в который вводились соли соответствующих металлов и некоторые добавки (табл. 1).

Электроосаждение проводили на переменном асимметричном токе с показателем асимметрии [5 = 6 без специального подогрева электролита.

Исследование микроструктуры легированных железных осадков проводилось с использованием металлографических микроскопов МИМ-8 и ММР-4, микрошлифы готовили механическим или электролитическим полированием, травили 4%-ным раствором НИОз в этаноле.

Таблица 1

Система Компоненты Концентрация Рабочая Кислотность,

легирования компонентов, температура, °C

электролита кг/м3 pH

FeCl2-4H20 300...350

Fe-Cr 20...30 0,8... 1,0

HCl 1,0... 1,5

FeCl2-4H20 300...350

(NH4)6Mot024-4H20 0...2.0

Fe-Mo 20...30 0,8... 1,0

СбН807Н20 4...5

HCl 1,0... 1,5

FeCl2-4H20 300...350

NaW04-4H20 0...5.0

Fe-W 20...30 0,8...1,0

СбН807Н20 4...6

HCl 1Д..1.5

FeCl2-4H20 50...200

FeS04 50...200

Fe-Ti 20...30 0,8... 1,0

Ti(C204b 10...50

(NH4)2S04 50... 150

Твердость образцов и изделий с легированными железными покрытиями определялась на твердомерах Виккерса (ТП-2) и Роквелла (ТК-2), микротвердосгь - на микротвердомерс ПМТ-3. Химический состав определяли спектрометрическим методом с использованием прибора ARC-MET900, плотность электроосаждешюго металла определяли гидростатическим методом по разнице весов (масс) образцов на воздухе и в жидкости.

Прочность сцепления электролитического покрытия с основой определяли по усилию отрыва торца штифта в специальном приспособлении от нанесенного на него электролитического сплава (методика М.П. Мелкова). Внутренние напряжения первого рода, возникающие при осаждении электролшических сплавов, определяли по методу разрезных колец (метод H.H. Давиденкова).

Фазовый состав и параметры субструиуры элекгроосажденных железных сплавов исследовали на рентгеновском дифракгометре ДРОН-3, съемкой в кобальтовом, железном и хромовом Ktf-излучениях в зависимости от задач исследования.

Испытания электролитических покрытий на износ проводили на машине трения СМЦ-2 по двум схемам «ролик-колодка» и «ролик-ролик», износ определяли весовым методом с точностью 0,0001 г. Усталостные характеристики образцов с легированными железными

покрытиями определяли неразрушающим вихретоковым методом с использованием эффекта изменения структурно-чувствительных магнитных свойств ферромагнетиков при их циклическом нагружении. Для проведения усталостных испытаний была использована лабораторная установка оригинальной конструкции с нагружающим устройством, вихретоковым датчиком и электронным блоком.

Глава 3. В данной главе рассмотрены процессы, происходящие в электролите и на поверхностях анода и катода при электроосавдении железных сплавов, а также рассмотрено влияние условий электролиза на состав и скорость осаждения легированных покрытий.

Особенностью процесса электроосаждения железа и железных сплавов является его стадийность, когда переход из начального состояния, при котором ионы металла находятся в растворе, в конечное состояние (металлическое) осуществляется через ряд последовательных электрохимических актов. Результирующей реакцией при выделении на катоде металла является разряд гидратированных ионов металла с последующим формированием кристаллической решетки. Поскольку легирующие элементы имеют атомные объемы, отличающиеся от железа, включение атомов легирующих элементов в кристаллическую решетку железного осадка увеличивает её напряженное состояние (повышает внутреннюю энергию системы). Для формирования такой решетки требуется дополнительное перенапряжение катода.

Другой характерной особенностью процесса электроосаждения сплавов является то, что их кристаллизация происходит по дислокационному механизму при низкой температуре, при которой дислокации весьма устойчивы. В дефектной кристаллической решетке атомы легирующих элементов (по сути, примесные атомы) не образуют равновесных твердых растворов, а размещаются главным образом в полях напряжения дислокаций, образуя так называемые атмосферы Копрелла - цепочки примесных атомов вдоль линии дислокации. Это имеет очень большое значение для повышения механических свойств электролитических сплавов, так как атмосферы Коттрелла блокируют дислокации и препятствуют их скольжению.

Экспериментальное исследование влияния легирующих элементов на процесс электроосаждения железных покрытий показывает, что повышение концентрации солей хрома, молибдена, вольфрама и титана в электролите приводит к повышению содержания соответствующих элементов в покрытиях и к уменьшению скорости осаждения этих покрытий (рис. 1).

Рис. 1. Скорость осаждения электролитических покрытий (а) и содержание легирующих элементов (б) с различными системами легирования (во всех случаях Ок= 30 А/дм2).

Наибольшая концентрация легирующего элемента в электролитическом осадке и наибольшая скорость осаждения покрытия (наибольший выход по току) наблюдается у железохромистых осадков. У железомолибденовых и железовольфрамовых осадков скорость осаждения примерно одинакова и несколько ниже, чем у железохромовых

осадков. При этом максимальное содержание молибдена и вольфрама в электролитических осадках намного ниже, чем в железохромовых. В наибольшей степени снижает выход по току электролитических железных покрытий титан, содержание же титана в покрытиях при этом достаточно велико - в 1,5...2 раза выше, чем содержание молибдена и вольфрама, достигаемое в результате электроосаждения сплавов на основе железа, но ниже, чем возможное максимальное содержание хрома. Различное влияние на процесс электроосаждения железных покрытий исследованных легирующих элементов, очевидно, связано с их различным атомным строением.

Глава 4 посвящена рассмотрению структуры и свойств электроосажденных сплавов железо-хром, железо-молибден, железо-вольфрам и железо-титан.

Электрокристаллизация железных осадков, в том числе и сплавов на железной основе, происходит при низкой температуре и при большом подводе энергии (перенапряжении на катоде), что предопределяет образование специфической структуры катодных осадков. Наши эксперименты показывают, что перенапряжение на катоде, проявлением которого является плотность катодного тока, оказывает значительное влияние не только на скорость осаждения сплавов, но и на морфологию их микроструктуры. Железным легированным покрытиям в той или иной степени присуще слоистое строение, при этом чем выше плотность катодного тока, тем более четко просматриваются слои в электроосажденных покрытиях (рис. 2).

Рис. 2. Микроструктуры (х200) железных покрытий (легированных 2,1% Сг), осажденных при различных плотностях катодного тока: а - Ок = 10 А/дм2; б - П)к = 20 А/дм2; в - Е>к = 30 А/дм2; г -= 40 А/дм2

Повышение содержания легирующих элементов в электроосажденных железных покрытиях приводит к некоторому уменьшению размеров зерен, что, по-видимому, объясняется повышением перенапряжения на катоде, которое требуется для электроосаждения высоколегированных сплавов. Это, в свою очередь, приводит к появлению большого количества центров кристаллизации.

Величина катодного тока коренным образом влияет и на тонкую структуру легированных железных осадков. При повышении катодного тока наблюдается резкое уменьшение размеров субзерен и увеличение плотности дислокаций. Легирующие элементы также заметно влияют на характеристики тонкой структуры электролитических сплавов (рис. 3).

Увеличение содержания легирующих элементов в электроосажденных покрытиях во всех случаях приводит к уменьшению величины субзерен, особенно сильно в этом направлении действует титан. Молибден, вольфрам, а также хром в меньшей степени уменьшают размер субзерен. В соответствии с уменьшением размеров субзерен в легированных осадках наблюдается рост плотности дислокаций, наибольшая плотность дислокаций обнаруживается в железотитановых сплавах, наименьшая - в железохромистых.

Непосредственно после электрокристаллизации, как известно, металлические осадки, в частности сплавы на основе железа, насыщены большим количеством

различных дефектов. Получаемая при этом так называемая неявнокристаллическая (невидимая в оптический микроскоп) структура как раз и определяет специфические свойства электрических осадков. Интегральной характеристикой этой структуры является плотность (удельная масса) электроосажденного металла.

г 200

х 150

Ре Ре-Сг Ре-Мо Ре-\Л/ Ре-П Система легирования

14 12 10 8 6 4 2 О

Ре Ре-Сг Ре-Мо РеЛЛ/ Ре-Т1 Система легирования

Рис. 3. Влияние легирующих элементов на характеристики тонкой структуры электролитических железных сплавов: а - размеры субзерен; б - плотность дислокаций

Наши эксперименты показали, что плотность осадков достаточно строго коррелирует с размерами блоков мозаики (субзерен), с плотностью дислокаций и с микроискажениями кристаллической решетки. Например, при уменьшении плотности железохромистого осадка от 7,8 до 7,4 г/см3 (примерно на 5%) величина субзерен уменьшается от 450 до 100 нм (более чем в 4 раза). При дальнейшем уменьшении плотности электролитического осадка, что имеет место при больших плотностях катодного тока, размеры субзерен уменьшаются незначительно, но зато резко (на порядок) повышается плотность дислокаций в структуре (до —1,5-Ю13 см"2). Микродеформации кристаллической решетки линейно увеличиваются при уменьшении плотности электролитических осадков.

Плотность электролитических сплавов, как и плотность чистого железа,

Рис. 4. Зависимости плотности электролитических сплавов на основе железа от плотности катодного тока (р = 6,1 = 30 °С): а - Ре + 2,44% Сг; б - Ре + 2,51% Мо; в - Ре + 2,54% г - Ре + 2,48% "Л (Пунктирные линии относятся к «чистому» электролитическому железу).

Электролитические легированные осадки на основе железа имеют повышенную твердость по сравнению с чистым электролитическим железом, осажденным на одинаковых режимах, хотя их структура практически идентична. Это специфика, как показали наши исследования, объясняется

особенностями субструктуры, которая зависит от системы и степени легирования железных сплавов (табл. 2).

Таблица 2

Влияние легирующих элементов на субструктуру и твердость сплавов на основе

железа

Система легирования Содержание легирующего элемента, % Величина субзерна Д, нм Плотность дислокаций р-Ю11, см"2 Микротвердость Нцмо, ГПа

Fe - 52 6,1 6,23

Fe-Cr 2,44 51 7,5 8,05

Fe-Mo 2,51 48 13,8 8,31

Fe-W 2,54 45 14,3 8,42

Fe-Ti 2,48 42 14,8 7,96

В наибольшей степени увеличивает твердость (микротвердость) железных покрытий легирование их вольфрамом и молибденом, при этом названные элементы обусловливают также наименьшие размеры субзерен и высокую плотность дислокаций в осадках. Осадки, легированные хромом, имеют большие размеры субзерен и меньшую плотность дислокаций, а, соответственно и меньшую твердость. Что касается титана, то его влияние на твердость железных покрытий несколько отклоняется от общей закономерности: при малых размерах субзерен в железотитановых сплавах и большой плотности дислокаций их твердость заметно ниже твердости других сплавов. Теоретический анализ влияния легирующих атомов на механические свойства железа с использованием дислокационной модели показал, что атомы титана, концентрирующиеся на дислокациях (атмосферы Котгрелла), слабо блокируют эти дислокации, поскольку модуль упругости титана Eti =112 ГПа значительно ниже модулей упругости других легирующих элементов (Ew = 352 ГПа; ЕМо = 332 ГПа; Есг = 254 ГПа) и даже ниже, чем модуль упругости железа (Efc = 210 ГПа). В связи с этим дислокации в сплавах Fe-Ti сдвигаются уже при относительно невысоких внешних напряжениях, что и проявляется в их пониженной твердости.

Легирование электролитического железа всеми исследованными легирующими элементами практически не влияет на прочность сцепления электроосажденных покрытий с основой. Эта прочность определяется, главным образом, режимами электроосаждения, в частности использованием так называемого разгонного цикла При этом прочность сцепления легированных покрытий с основой из стали 45 составляет 250...280 МПа.

Глава 5 посвящена исследованию эксплуатационных свойств изделий с электролитическими железными покрытиями, легированными хромом, молибденом, вольфрамом и титаном.

Экспериментальные исследования показывают, что все легирующие элементы в той или иной степени увеличивают внутренние напряжения растяжения в электролитических покрытиях. При большом содержании легирующих элементов и высокой плотности катодного тока внутренние напряжения достигают максимальных значений 320...340 МПа, причем эти значения одинаковы для сплавов со всеми легирующими элементами. Внутренние напряжения в электролитических сплавах коррелируют с твердостью и плотностью электролитических легированных сплавов. Напряженные осадки имеют повышенную твердость, причем рост напряжений, как и рост твердости, обусловливается изменением субструктуры сплавов.

Внутренние напряжения в электролитических осадках влияют на усталостную прочность изделий (образцов и деталей), на которые нанесены такие осадки. Все легирующие элементы снижают усталостную прочность образцов с железными

покрытиями, однако это снижение весьма невысоко. Пределы выносливости покрытий с небольшим содержанием Сг, Мо, \У или "Л (до -2%) практически не отличаются от предела выносливости чистого железного покрытия (214...218 МПа). Значительное повышение содержания легирующих элементов в покрытиях приводит к заметному уменьшению их пределов выносливости. Например, предел выносливости сплава с содержанием 5,81% Сг составляет 165 МПа (против 216 МПа при содержании 1,18% Сг). Таким образом, для восстановления деталей, работающих при знакопеременных нагрузках, можно использовать только покрытия с содержанием легирующих элементов не более 2% для сохранения удовлетворительной усталостной прочности. При необходимости использования покрытий с повышенным содержанием легирующих элементов, например для повышения коррозионной стойкости, требуется применять дополнительную упрочняющую обработку (цианирование, азотирование и т.п.).

Для изучения влияния легирующих элементов на износостойкость электролитических сплавов были проведены испытания их на изнашивание на машине трения СМЦ-2 в условиях граничного трения. Эксперимент показал, что повышение содержания легирующих элементов в электролитических осадках во всех случаях увеличивает их износостойкость При этом легирующие элементы влияют на эту характеристику по-разному (рис. 5).

Рис. 5. Относительная износостойкость легированных сплавов на основе железа в условиях граничного трения

Наивысшая износостойкость обеспечивается при легировании железного осадка вольфрамом и молибденом, несколько ниже - при легировании хромом и титаном, однако во всех случаях износостойкость легированных осадков более чем в 2 раза превосходит износостойкость чистого железа.

Полученные данные указывают на целесообразность легирования электролитического железа каждым из исследованных легирующих элементов, поскольку они значительно повышают износостойкость железных осадков. Также проводились эксперименты сухого трения, в которых после каждых двух минут работы (2000 оборотов шпинделя) повышалось давление на 0,25 МПа. Испытания показали, что сталь 45 практически мгновенно схватывалась с материалом конгртела (сталью 45) при давлении 0,25...0,5 МПа. Электролитические покрытия выдерживали без схватывания значительно большие шцрузки - 1,25... 1,5 МПа. При давлениях ниже 1,25 МПа схватывания не происходит, так как скорость роста окисных пленок превышает скорость их разрушения при трении. Твердость покрытий для обеспечения их максимальной износостойкости не должна превышать 8000 МПа, так как дальнейшее повышение не приводит к повышению износостойкости, по-видимому, это связано с охрупчиванием покрытий.

Основные результаты и выводы

На основе проведенных в настоящей работе исследований показана возможность решения проблемы повышения долговечности деталей, восстановленных электролитическими покрытиями, путем использования не чистого железа, а электролитических сплавов на основе железа, легированных хромом, молибденом, вольфрамом или титаном.

1. Анализ физико-химических процессов, происходящих в электролите и на поверхности электродов, при осаждении электролитических сплавов на основе железа позволил уточнить механизм и кинетику электроосаждения железа и его сплавов из водных растворов солей металлов. Электроосаждение сплавов - это стадийный процесс, происходящий с сильным перенапряжением на катоде. Лимитирующей стадией является реакция кристаллизации сплава на поверхности катода, требующая дополнительных затрат энергии на формирование кристаллической решетки из разнородных атомов.

2. Природа и концентрационные характеристики .электролита оказывают большое влияние на скорость осаждения легированных железных покрытий и на содержание в них легирующих элементов. При осаждении сплавов из хлоридного железного электролита с добавлением солей соответствующее металлов максимальное содержание хрома может быть получено около 9% (при добавке в электролит 50 кг/м3 хлорида хрома); максимальное содержание титана ~5% (при 50 кг/м3 щавелевокислого титана в электролите) и максимальное содержание молибдена и вольфрама по 3,5% (соответственно при введении в электролит по 5 кг/м3 молибдата аммония или вольфрамата натрия). Введение солей легирующих элементов в состав хлоридного железного электролита приводит к снижению выхода покрытий по току соответствующих сплавов (к снижению скорости осаждения легированных покрытий). Наиболее интенсивно действуют в этом направлеши вольфрам и молибден, а также несколько в меньшей степени титан. Хром практически не влияет на выход по току соответствующего электролитического покрытия.

3. Условия электролиза, в частности плотность катодного тока, оказывают заметное влияние на характеристики легированных покрытий на основе железа. Повышение плотности катодного тока ведет к увеличению содержания легирующих элементов в покрытиях. Кроме того, плотность катодного тока влияет на морфологию структуры и дефектность легированных осадков. Чем выше эта плотность, тем более слоистой получается структура элекгроосажденных покрытий. При высоких плотностях катодного тока (более 30 А/дм2) в структуре легированных покрытий появляются, наряду со слоями, параллельными подложке, дефекты, перпендикулярные этим слоям. Наиболее рациональной плотностью тока для получения всех легированных осадков является значение Е>к = 30...35 А/дм2. При таком режиме получаются покрытия без трещин с плотной структурой.

4. Величина катодного тока влияет радикальным образом на тонкую структуру элекгроосажденных сплавов на основе железа. Повышение плотности катодного тока от 10...20 А/дм2, при прочих равных условиях, приводит к уменьшению размеров субзерен в электролитических осадках от 300 до 80 им (в 3,5 раза), при дальнейшем повышении плотности катодного тока размеры субзерен практически не изменяются. Плотность дислокаций в легированных осадках повышается при увеличении силы катодного тока от 1,5-1012 см'2 (при 10...20 А/дм2) до 0,8-Ю13 см'2 (при 35...40 А/дм2). Повышение плотности катодного тока более 40 А/дм2 не приводит к увеличению количества дислокаций в покрытии, а приводит к образованию трещин, свидетельствующих о начале его разрушения. Повышение плотности катодного тока приводит к монотонному увеличению микроискажений кристаллической решетки в электролитических железных сплавах.

5. Легирующие элементы, вводимые в состав электролитических осадков, наряду с плотностью катодного тока, оказывают заметное влияние на размеры субзерен и другие характеристики субмикроструктуры: они уменьшают величину субзерен и увеличивают плотность дислокаций и микроискажения кристаллической решетки легированных осадков. Особенно сильно в этом направлении действует титан, меньше — молибден и вольфрам, и еще меньше — хром. Легирование железных осадков названными элементами приводит к снижению их плотности, что является проявлением увеличения дефектности субмикроструктуры. Наименьший эффект наблюдается у сплавов, легированных хромом. Легирование молибденом, вольфрамом и особенно титаном приводит к значительно большему снижению плотности электролитических железных осадков.

6. Легирование железных электролитических осадков хромом, молибденом, вольфрамом и титаном приводит к повышению их твердости. В наибольшей степени твердость увеличивается при легировании электролитического осадка вольфрамом, в несколько меньшей степени - молибденом. Эти элементы способствуют значительному уменьшению размеров субзерен (и зерен) и увеличению плотности дислокаций в легированных осадках. Заметно меньшую твердость обеспечивает хром и еще меньшую — титан. Теоретический анализ показывает, что роль легирующих элементов в повышении твердости железных осадков сводится, главным образом, к блокированию дислокаций примесными (легирующими) атмосферами Коттрелла. Максимальная твердость, которая может быть достигнута в результате легирования железных осадков, составляет ~8,5 ГПа, что примерно в 1,5 раза выше твердости чистого электролитического железа.

7. Прочность сцепления с основой электролитических сплавов, при содержании в этих сплавах относительно небольших количеств легирующих элементов (до 2...3%), практически не отличается от прочности сцепления чистого электролитического железа Сплавы с более высоким содержанием легирующих элементов (7...8% Сг или 4...5% Т1) имеют заметно меньшую прочность сцепления с основным металлом (190...210 МПа против 250...280 МПа).

8. Все исследованные легирующие элементы (Сг, Мо, \У и Т1) в той или иной степени увеличивают внутренние напряжения в электролитических сплавах. Однако наибольшее влияние на интенсивность увеличения внутренних напряжений оказывает плотность катодного тока. При высокой плотности катодного тока и большом содержании легирующих элементов внутренние напряжения достигают максимальных значений 320...340 МПа, причем эти значения одинаковы для сплавов со всеми легирующими элементами. Внутрешше напряжения в электролитических сплавах коррелируют с твердостью этих сплавов и с плотностью электролитических легированных осадков, что свидетельствует о том, что легирующие элементы влияют на внутренние напряжения в электролитических осадках постольку, поскольку они влияют на их тонкую структуру.

9. Все легированные электролитические покрытия (Ре-Ст, Ре-Мо, Ре-Ш и Ре-Т1), наносимые на поверхности стальных изделий, снижают усталостную прочность. При одинаковом (-2%) содержании легирующих элементов в электролитических железных покрытиях снижение предела выносливости образцов с покрытиями практически одинаково и не зависит от системы легирования. Пределы выносливости покрытий, легированных хромом, молибденом, вольфрамом и титаном, примерно такие же, как и предел выносливости чистого электролитического железа - 214...218 МПа. Покрытия с высоким содержанием легирующих элементов значительно снижают пределы выносливости изделий, на которые они наносятся.

10. Легирование железных осадков положительно влияет на повышение износостойкости (в 2,1...2,4 раза выше, чем износостойкость чистого электролитического железа). Разница в износостойкости сплавов объясняется, главным образом, различием в их твердости. Электролитические сплавы имеют повышенную износостойкость и по отношению к закалешюй стали 45 (в 1,3 раза). При граничном трении на трущихся

поверхностях образуются окисные пленки, которые являются объектами разрушения при трении. Легирующие элементы, присутствующие в электролитических сплавах, входят в состав этих пленок, увеличивая их прочность, и, таким образом, повышают износостойкость. Легированные покрытия имеют повышенную износостойкость и в условиях сухого трения.

Таким образом, использование легированных электролитических покрытий вместо традиционного железнения позволит значительно повысить долговечность восстановленных детален (увеличить их послеремонтные ресурсы) и поднять рентабельность ремонтного производства. Это позволит решить важную народнохозяйственную задачу - импортозамещение дорогостоящих запчастей и повышение эффективности реновации отечественной и зарубежной техники.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах: Публикации в рецензируемых научных журналах

1. Богомолов, С.А. Особенности использования легирующих элементов при нанесении гальванопокрытий [Текст] / С.А. Богомолов, Е.А. Афанасьев, В.В. Серебровский [и др.] // Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии. - 2010. - № 4. - С. 79-81.

2. Серебровский, В.В. Упрочнение сульфоцианированием деталей, восстановленных железомолибденовым покрытием [Текст] / В.В. Серебровский, В.И. Серебровский, С.А. Богомолов [и др.] // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия Управление, вычислительная техника, информатика. Медицинское приборостроение. - 2012. - №2. - ч.1. - С. 129-132.

3. Серебровский, В.В. Применение нитроцементации для у прочисти деталей машин [Текст] / В.В. Серебровский, В.И. Серебровский, С.А. Богомолов [и др.] // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия Управление, вычислительная техника, информатика. Медицинское приборостроение. - 2012. - №2. -ч.2.-С. 10-12.

4. Серебровский, В.В. Повышение прочности электролитического железа легирующими добавками молибдена [Текст] / В.В. Серебровский, В.И. Серебровский, С.А. Богомолов [и др.] // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия Управление, вычислительная техника, информатика. Медицинское приборостроение. -2012. - №2, ч.2. - С. 143-145.

5. Серебровский, В.И. О возможности электроосаждения двухкомпонентных износостойких железомолибденовых и железовольфрамовых сплавов из хлористого железного электролига [Текст] / В.И. Серебровский, С.А. Богомолов, Е.С. Калуцкий // Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии.-2014. - № 5. - С. 7778.

6. Серебровский, В.В. Оптимизация условий электроосаждения железовольфрамовых и железомолибденовых покрытий для получения износостойких покрытий при восстановлении изношенных деталей машин [Текст] / В.В. Серебровский, С.А. Богомолов, А.Ю. Молодкин // Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии. - 2014. - № 5. - С. 78-80.

Статьи и материалы конференции:

7. Серебровский, В.В. Влияние содержания ванадата натрия в электролите на микроструктуру сплава железо-ванадий [Текст] / В.В. Серебровский, Р.В. Степашов, С.А. Богомолов [и др.] // Покрытия и обработка поверхности: тезисы докладов 7-ой Международной конференции (Москва 17-19 марта 2010г.). - М., 2010. - С. 82-83.

8. Серебровский, В.В. Повышение физико-механических свойств покрытий для увеличения ресурса деталей, восстановленных электролитическим способом [Текст] /В.В.

Серебровский, Р.В. Степашов, С.А. Богомолов [и др.] // Кадровое обеспечение развития инновационной деятельности в России: тезисы докладов Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи (Ершово, 26-29 октября 2010 г.). - М., 2010. -С. 12-14.

9. Серебровский, В.В. Система хранения и прогнозирования результатов экспериментов в области гальванотехники [Текст] / В.В. Серебровский, Е.А. Афанасьев, С.А. Богомолов [и др.] // Модернизация АПК в контексте обеспечения продовольственной безопасности государства: материалы Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, 8-10 декабря 2010 г. - Курск: Изд-во КГСХА, 2011.-С. 190-191.

10. Серебровский, В.В. Исследование микротвердости легированных железовольфрамовых покрытий [Текст] / В.В. Серебровский, Р.В. Степашов, С.А. Богомолов [и др.] // Наука и инновации в сельском хозяйстве: материалы Международной научно-практической конференции (Курск, 26-28 января 2011г.). - Курск: Изд-во КГСХА, 2011.-Ч.1-С. 246-248.

11. Серебровский, В.В. Применение легированных электролитических покрытий на основе железа для восстановления изношенных автотракторных деталей [Текст] / В.В. Серебровский, Е.А. Афанасьев, С.А. Богомолов [и др.] // Молодежь и наука: реальность и будущее: материалы IV Международной научно-практической конференции. -Невинномысск: Изд-во Невинномысского института экономики, управления и права, 2011.-С. 357-358.

Формат 60x84 1/16. Бумага для множительных аппаратов.

Печать на копировальном аппарате КГСХА. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 39.