Повышение износостойкости контактной поверхности гильз композитным покрытием на основе хрома

Increased durability of the contact surface of the casings with a chromium-based composite coating

 

Авторы:

Пеньков Н.А. 

кандидат технических наук, ВГТУ, г. Воронеж, Россия.

Penkov N.A.

Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia.

Гончарова Юлия Сергеевна

Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия.

E-mail: goncharovajulia2@bk.ru

Goncharova Y.S.

Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia.

E-mail: goncharovajulia2@bk.ru

Багно Оксана Петровна

научный сотрудник ВГТУ, г. Воронеж,Россия.

Bagno O.P.

Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia.

Плахотин Александр Александрович

младший научный сотрудник ВГТУ, г. Воронеж, Россия

Plahotin A.A.

Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia.

Власов В.К.

начальник учебного центра ВГТУ, г. Воронеж,Россия

Vlasov V.K.

Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia.

 

Аннотация: В статье представлены материалы исследования наводороживания стальной основы при нанесении гальванических хромовых покрытий методом гальваноконтактного осаждения. Показаны регрессионные уравнения, связывающее параметр наводороживания и шероховатости поверхности с режимными факторами процесса.

Abstract: The article presents the materials of the study of the rise of the steel base in the application of galvanic chromium coatings by galvanocontact deposition. The regression equations linking the surface and roughness of the surface with the process mode factors are shown.

Ключевые слова: повышение износостойкости, композитное покрытие.

Keywords: increased durability, composite coating.

Тематическая рубрика: Технические науки и технологии.

 

Как известно из литературных источников, выделяющийся при хромировании водород частично растворяется в стали. В результате этого возможно появление водородной хрупкости основного металла. Особенно чувствительны к наводороживанию стали с пределом прочности 800—1000 МПа и выше [1 – 3].

Насыщение водородом основного металла зависит от большого числа факторов: марки стали, степени ее загрязненности неметаллическими включениями, наличия и значений внутренних напряжений и наклепа, структуры, шероховатости поверхности и других [4].

Так, например, при хромировании через сталь марки У8 (диафрагма толщиной 0,3 мм) водорода проходит в три раза больше, чем через сталь марки ЗОХГСНА. Увеличение содержания в низколегированной стали фосфора с 0,002 до 0,039 повышает содержание водорода в стали в два раза. Поглощение водорода разными структурными слагающими углеродистой стали изменяется в широких пределах и составляет, см3/100 г: мартенсит — 6,9; троостит — 15,9; сорбит — 46,5 [4 – 6].

Особенно следует обратить внимание на большое влияние напряженного состояния стали на ее наводороживание. Низкоотпущенная сталь марки ЗОХГСНА с мартенситно-трооститной структурой способна в 10—100 раз увеличить поглощение водорода под влиянием внешней деформации. Упругопластическая деформация такой стали повышает содержание водорода в ней в три раза. Предварительный отпуск стали перед хромированием уменьшает содержание водорода в покрытии с 10,1 до 6.75 см3/100 г [1].

Такое разнообразие влияния элементов основного металла, неравномерность распределения водорода в покрытии и в основе, особенности разных методик определения содержания водорода усложняют анализ многочисленных опубликованных данных о наводороживании стали при хромировании и определение закономерностей этого процесса.

Нет установившегося мнения о роли наводороживания во влиянии хромирования на механические свойства основного металла. В связи с этим, были проведены исследования, направленные на выявление особенностей наводороживания стальных поверхностей при хромировании.

Наводороживание основы изучалось на образцах, представленных на рис. 1 или на серийных штоках, представленных на рис 2. Наружный диаметр образцов составлял 22 мм, длина 45-50 мм. Образцы термообрабатывались до sв = 1100 -1450 мПа, шлифовались до шероховатости поверхности Ra = 2,5 - 1,25 мкм, затем обезводороживались при температуре 200-220°С. Часть образцов упрочнялась дробеструйной обработкой. Кроме того, отдельная партия образцов термообработке не подвергалась. Серийные штоки проходили стандартные технологические операции перед хромированием.

В ходе проведения работы получено линейное уравнение, описывающее зависимость наводороживания от исследуемых факторов:

HZ = 15,13 + 0,44i – 0,31t – 0,32P   (1)

Корреляционный анализ позволил выявить, что зависимость наводороживания от исследуемых факторов линейная, а связь между ними довольно сильная - множественный коэффициент корреляции достигает значения 0,867.

Анализируя корреляционную матрицу, видно, что наибольшее значение на наводороживание оказывает температура электролита (частный коэффициент корреляции достигает значения – 0,71), и плотность тока и давление инструмента (частные коэффициенты корреляции составляют соответственно 0,5 и -0,05).

Анализ влияния исследуемых факторов на наводороживание основы, показывает, что с увеличением температуры электролита наводороживание основы уменьшается, что согласуется с характером влияния температуры электролита на наводороживание как при обычном хромировании, так и при гальвано контактном хромировании и объясняется, видимо увеличением пластичности хрома с повышением температуры электролита и, следовательно, более легким выходом водорода с поверхности.

Увеличение плотности тока приводит к незначительному увеличению наводороживания основы и объясняется, видимо, экстремальным характером зависимости наводороживания от плотности тока, когда при увеличении плотности тока растет количество водорода, выделяющегося при электролизе.

Однако увеличение давления приводит к уменьшению наводороживания основы, что объясняется, видимо, удалением пузырьков водорода с хромируемой поверхности в результате воздействия инструмента.

После проверки значимости коэффициентов регрессии по критерию Стьюдента, выяснилось, что коэффициенты при плотности тока и давлении инструмента оказались незначимыми. Поэтому в связи с вышеизложенным регрессионное уравнение, описывающее зависимость наводороживания от исследуемых режимных параметров осаждения можно записать в виде

HZ = 15,13 – 0,31t   (2)

Минимальное значение наводороживания основы при наращивании композитных покрытий на детали хромированием получается при температуре электролита 60 - 65 °С, что согласуется с рекомендованными значениями. Величина наводороживания основы в покрытиях, значительно ниже, чем в покрытиях, полученных традиционным методом, что позволяет надеяться на широкое применение метода ГКО для восстановления деталей хромированием.

Влияние метода нанесения композитных гальванических покрытий на шероховатость поверхности восстанавливаемой детали является важным параметром, характеризующим процесс. Так как процесс разрабатывался как финишный метод нанесения хромовых покрытий и восстановления изношенных поверхностей деталей, к шероховатости поверхности, полученной в результате использования данного метода, предъявляются особые требования.

Для изучения влияния режимных параметров на шероховатость поверхности применялось математическое планирование эксперимента. Был реализован полный факторный эксперимент 23. В качестве независимых переменных были выбраны: плотность тока, температура электролита, давление инструмента. Остальные параметры поддерживались на постоянном уровне. Шероховатость поверхности деталей до обработки составляла Ra = 2,5 мкм. Характеристики плана эксперимента выбирались из условий получения беспористых хромовых покрытий со сжимающими остаточными напряжениями

В результате получено линейное уравнение, описывающее зависимость шероховатости поверхности восстановленной методом ГКО от исследуемых факторов:

Ra = 0,126 + 0,0009i – 0,0012t – 0,013P  (3)

Корреляционный анализ позволил выявить, что зависимость шероховатости поверхности от исследуемых факторов линейная, а связь между ними довольно сильная - множественный коэффициент корреляции достигает значения 0,965.

Анализируя корреляционную матрицу, видно, что наибольшее значение на шероховатость поверхности оказывает давление инструмента, (частный коэффициент корреляции достигает значения – 0,673), и температура электролита (частный коэффициент корреляции достигает значения – 0,647), меньшее влияние оказывает плотность тока, (частный коэффициент корреляции составляют 0,251).

После проверки значимости коэффициентов регрессии по критерию Стьюдента, выяснилось, что коэффициент при плотности тока оказался незначимым. Поэтому в связи с вышеизложенным регрессионное уравнение, описывающее зависимость шероховатости получаемой поверхности от исследуемых режимных параметров осаждения можно записать в виде

Ra = 0,126 – 0,0012t – 0,013P  (4)

Таким образом, основываясь на теоретических выкладках, подтвержденных экспериментальными исследованиями, можно утверждать, что осаждение композитных хромовых покрытий на поверхности стальных деталей позволяет достигать чрезвычайно низких параметров шероховатости поверхности с Ra = 0,05 – 0,03 мкм и менее, что позволяет рекомендовать этот метод в качестве финишного метода обработки.