eng
Выпуск #2/2011
И.Бородин, Ю.Шатов, В.Ширяев, И.Щеренкова.
Структура и свойства хромовых покрытий с наноалмазными упрочняющими частицами
Структура и свойства хромовых покрытий с наноалмазными упрочняющими частицами
Просмотры: 3120
Композиционные электрохимические покрытия на основе хрома (КЭП) с ультрадисперсными включениями алмаза (УДА) многократно увеличивают износостойкость поверхностей, работающих в условиях повышенного трения деталей, существенно превосходя по износостойкости твёрдый хром [1]. Частицы алмаза, равномерно распределяясь в объеме хрома, блокируют рост кристаллов, измельчают их, увеличивают плотность и твердость формирующегося покрытия. Перспективное направление использования КЭП такого вида – упрочнение инструмента, однако износостойкость КЭП определяется не только механическими свойствами компонентов и их соотношением, но и условиями работы пар трения, в частности, геометрией режущего инструмента.
Теги: composite electrochemical coatings ultradisperse diamond wear-resistant coatings износостойкие покрытия композиционные электрохимические покрытия ультрадисперсный алмаз
У дисковых ножей для резки листового проката характерным является износ по цилиндрической и боковой поверхностям. Испытания образцов таких изделий должны быть максимально приближены к реальным условиям эксплуатации режущего инструмента.
Авторами проведены исследования износостойкости КЭП с УДА на плоских и цилиндрических образцах. При совместном осаждении хрома с УДА увеличивается число активных центров зарождения кристаллов. В дальнейшем адсорбированные на поверхности зародыши УДА препятствуют росту частиц. Совокупность этих факторов обусловливает мелкодисперсную структуру КЭП, что благоприятно влияет на его износостойкость. В [2] сообщается о повышении износостойкости твердых сплавов с субмикродисперсными зернами карбида вольфрама, достигаемое легированием материала специальными добавками. Размер карбидного зерна составляет 0,5–0,7 мкм, твердость повышается на 25%, износостойкость возрастает в 3–4 раза. Преимущество мелкозернистых сплавов связывается с эффектом Холла–Петча, т.е. с ролью границ зерен, как зон торможения, на пути распространения дислокаций.
Электрохимические покрытия наносились на плоские образцы из низкоуглеродистой стали размером 22×22 мм и толщиной 15 мм и на цилиндрические образцы диаметром 40 мм и толщиной 10 мм. Для получения покрытий использовался универсальный саморегулирующийся электролит сульфатного типа. Концентрация дисперсного наполнителя менялась от 4 до 42 г/л. Толщина покрытий составила 60–70 мкм.
Испытания плоских образцов на износ проводились на установке «Шлиф-2». В качестве контртела использовался круг из электрокорунда 14А на вулканитовой основе. Истирание образцов осуществлялось по боковой поверхности круга. Испытания проводились под нагрузкой 7 Н со скоростью 5,5 м/с.
Цилиндрические образцы испытывались на износ на установке «СМЦ-2». В качестве контртела использовался закаленный цилиндрический образец из высокоуглеродистой стали. Истирание образца проводилось по схеме «диск по диску» с проскальзыванием 10% под нагрузкой 40 Н со скоростью 2,1 м/с.
Алмазный порошок готовился методом детонационного синтеза. С помощью рентгенографического анализа установлено, что наряду с основной массой в порошке присутствует неалмазный конденсированный углерод в различной форме, который образуется при детонации и последующем разлете синтезированных продуктов, когда алмазная фаза подвергается частичной графитизации [1]. Следует отметить, что наличие небольшого количества неалмазного углерода может оказать положительное влияние на износостойкость вследствие снижения коэффициента трения КЭП. Кроме того, он может быть одной из причин образования агломерированных включений, обнаруживаемых в исходном алмазном порошке.
Исследование структуры наноалмазных частиц после сепарации порошка позволило выявить наличие агломерированных скоплений размером 200–800 нм. Известно, что крупные включения трудно внедряются в электролитический хром, поэтому предусматривались меры по разагрегированию частиц посредством барботажа суспензии сжатым воздухом и применения импульсного тока.
Измерение в КЭП размера наноалмазных частиц и их распределение по фракциям выполнялось на электронном микроскопе с помощью реплик (рис.1, 2). Полученные результаты представлены в виде гистограммы (рис.3).
Анализ гистограммы дает основание считать, что в покрытии преимущественно присутствуют частицы размером до 70 нм. Крупных фрагментов в КЭП не выявлено. Плотность распределения включений УДА составила 27 · 109 см-2.
На рис.4, 5 показано изменение износостойкости покрытий в зависимости от длины пути изнашивания плоских (рис.4) и цилиндрических (рис.5) образцов, полученных с применением электролитов с различной концентрацией УДА.
На представленных графиках просматривается существенное влияние создания напряженного состояния на износостойкость покрытия, причем композиционные покрытия, по сравнению с твердым хромом, демонстрируют лучшие результаты. При этом износ электролитического хрома на цилиндрических образцах более чем в два раза превышает аналогичный показатель на плоских образцах. Для композиционных покрытий влияние схемы напряженного состояния проявляется в значительно меньшей степени. Так, при содержании 10 г/л УДА в электролите износостойкость цилиндрических и плоских образцов примерно одинакова. Наивысшая износостойкость достигается при увеличении концентрации УДА до 20 г/л, что связано с резким улучшением структуры электролитических хромовых покрытий при введении УДА.
Анализ полученных графических зависимостей на плоских образцах проводился с использованием математической модели изнашивания. Для аппроксимации зависимостей потерь массы была выбрана модель:
DM(L) = (m0 + I·L)(1 – exp(-L/L0)),
где DM – потеря массы на единицу площади образца, г/м2; L – длина пути, км; m0, I, L0 – коэффициенты.
В таблице приведены расчетные коэффициенты математической модели для каждого образца. С доверительной вероятностью 0,95 модель адекватно описывает зависимость потери массы от длины пути изнашивания для всех образцов.
Анализ влияния концентрации УДА в электролите с помощью модели показал, что износостойкость резко возрастает при увеличении концентрации электролита до 20%. Дальнейшее ее увеличение менее эффективно. К тому же с увеличением внедренных частиц возрастают внутренние напряжения, приводящие к растрескиванию КЭП.
На основании полученных результатов разработана технология упрочнения дисковых ножей для резки листового проката. Суть ее заключается в нанесении комплексного электрохимического покрытия с концентрацией УДА 20 г/л.
Партия упрочненных ножей испытана в условиях ЗАО "ТД "Сплав" (г. Гай, Оренбургская обл.). Ножи применялись для резки металлических лент на никелевой основе, к которым предъявляются особые требования по качеству реза. Испытания проводились в течение двух месяцев также как и ножи, изготовленные из такой же стали, но без подобного покрытия. Брак по истечении этого срока в опытной партии обнаружен не был, в то время как у ножей без покрытия выявлены такие дефекты, как заусенцы, зазубрины, желоба.
Литература
Попов В.А., Детков П. Я., Кириченко А.Н., Ковальчук М.Н. Исследования структуры хром-алмазных покрытий. – Известия РАН. Серия физиков, 2005, т.69, №4. с. 520–523.
Андриевский Р.А. Порошковое материаловедение. – М.:Металлургия, 1991.
Авторами проведены исследования износостойкости КЭП с УДА на плоских и цилиндрических образцах. При совместном осаждении хрома с УДА увеличивается число активных центров зарождения кристаллов. В дальнейшем адсорбированные на поверхности зародыши УДА препятствуют росту частиц. Совокупность этих факторов обусловливает мелкодисперсную структуру КЭП, что благоприятно влияет на его износостойкость. В [2] сообщается о повышении износостойкости твердых сплавов с субмикродисперсными зернами карбида вольфрама, достигаемое легированием материала специальными добавками. Размер карбидного зерна составляет 0,5–0,7 мкм, твердость повышается на 25%, износостойкость возрастает в 3–4 раза. Преимущество мелкозернистых сплавов связывается с эффектом Холла–Петча, т.е. с ролью границ зерен, как зон торможения, на пути распространения дислокаций.
Электрохимические покрытия наносились на плоские образцы из низкоуглеродистой стали размером 22×22 мм и толщиной 15 мм и на цилиндрические образцы диаметром 40 мм и толщиной 10 мм. Для получения покрытий использовался универсальный саморегулирующийся электролит сульфатного типа. Концентрация дисперсного наполнителя менялась от 4 до 42 г/л. Толщина покрытий составила 60–70 мкм.
Испытания плоских образцов на износ проводились на установке «Шлиф-2». В качестве контртела использовался круг из электрокорунда 14А на вулканитовой основе. Истирание образцов осуществлялось по боковой поверхности круга. Испытания проводились под нагрузкой 7 Н со скоростью 5,5 м/с.
Цилиндрические образцы испытывались на износ на установке «СМЦ-2». В качестве контртела использовался закаленный цилиндрический образец из высокоуглеродистой стали. Истирание образца проводилось по схеме «диск по диску» с проскальзыванием 10% под нагрузкой 40 Н со скоростью 2,1 м/с.
Алмазный порошок готовился методом детонационного синтеза. С помощью рентгенографического анализа установлено, что наряду с основной массой в порошке присутствует неалмазный конденсированный углерод в различной форме, который образуется при детонации и последующем разлете синтезированных продуктов, когда алмазная фаза подвергается частичной графитизации [1]. Следует отметить, что наличие небольшого количества неалмазного углерода может оказать положительное влияние на износостойкость вследствие снижения коэффициента трения КЭП. Кроме того, он может быть одной из причин образования агломерированных включений, обнаруживаемых в исходном алмазном порошке.
Исследование структуры наноалмазных частиц после сепарации порошка позволило выявить наличие агломерированных скоплений размером 200–800 нм. Известно, что крупные включения трудно внедряются в электролитический хром, поэтому предусматривались меры по разагрегированию частиц посредством барботажа суспензии сжатым воздухом и применения импульсного тока.
Измерение в КЭП размера наноалмазных частиц и их распределение по фракциям выполнялось на электронном микроскопе с помощью реплик (рис.1, 2). Полученные результаты представлены в виде гистограммы (рис.3).
Анализ гистограммы дает основание считать, что в покрытии преимущественно присутствуют частицы размером до 70 нм. Крупных фрагментов в КЭП не выявлено. Плотность распределения включений УДА составила 27 · 109 см-2.
На рис.4, 5 показано изменение износостойкости покрытий в зависимости от длины пути изнашивания плоских (рис.4) и цилиндрических (рис.5) образцов, полученных с применением электролитов с различной концентрацией УДА.
На представленных графиках просматривается существенное влияние создания напряженного состояния на износостойкость покрытия, причем композиционные покрытия, по сравнению с твердым хромом, демонстрируют лучшие результаты. При этом износ электролитического хрома на цилиндрических образцах более чем в два раза превышает аналогичный показатель на плоских образцах. Для композиционных покрытий влияние схемы напряженного состояния проявляется в значительно меньшей степени. Так, при содержании 10 г/л УДА в электролите износостойкость цилиндрических и плоских образцов примерно одинакова. Наивысшая износостойкость достигается при увеличении концентрации УДА до 20 г/л, что связано с резким улучшением структуры электролитических хромовых покрытий при введении УДА.
Анализ полученных графических зависимостей на плоских образцах проводился с использованием математической модели изнашивания. Для аппроксимации зависимостей потерь массы была выбрана модель:
DM(L) = (m0 + I·L)(1 – exp(-L/L0)),
где DM – потеря массы на единицу площади образца, г/м2; L – длина пути, км; m0, I, L0 – коэффициенты.
В таблице приведены расчетные коэффициенты математической модели для каждого образца. С доверительной вероятностью 0,95 модель адекватно описывает зависимость потери массы от длины пути изнашивания для всех образцов.
Анализ влияния концентрации УДА в электролите с помощью модели показал, что износостойкость резко возрастает при увеличении концентрации электролита до 20%. Дальнейшее ее увеличение менее эффективно. К тому же с увеличением внедренных частиц возрастают внутренние напряжения, приводящие к растрескиванию КЭП.
На основании полученных результатов разработана технология упрочнения дисковых ножей для резки листового проката. Суть ее заключается в нанесении комплексного электрохимического покрытия с концентрацией УДА 20 г/л.
Партия упрочненных ножей испытана в условиях ЗАО "ТД "Сплав" (г. Гай, Оренбургская обл.). Ножи применялись для резки металлических лент на никелевой основе, к которым предъявляются особые требования по качеству реза. Испытания проводились в течение двух месяцев также как и ножи, изготовленные из такой же стали, но без подобного покрытия. Брак по истечении этого срока в опытной партии обнаружен не был, в то время как у ножей без покрытия выявлены такие дефекты, как заусенцы, зазубрины, желоба.
Литература
Попов В.А., Детков П. Я., Кириченко А.Н., Ковальчук М.Н. Исследования структуры хром-алмазных покрытий. – Известия РАН. Серия физиков, 2005, т.69, №4. с. 520–523.
Андриевский Р.А. Порошковое материаловедение. – М.:Металлургия, 1991.
Отзывы читателей
