Разработка комбинированной технологии обработки поверхности стальных изделий электролитно-плазменным упрочнением и электроосаждением упрочняющих покрытий

Работы по проекту можно условно разделить на первый год реализации в котором проводятся испытания на основе оптимальных режимов обработки полученных на основе литературных данных о миктротвердости поверхности (ему посвящен текущий отчет) и второго года реализации (еще не начавшийся этап проекта), где в некоторых пределах этих параметров идет оптимизация под конкретные функциональные свойства (износостойкость и коррозионное поведение) и проводится полное сравнение с эталонным покрытием (хромовым из стандартного электролита хромирования). План работы на первый год реализации можно условно разделить на -Литературный анализ посвященный диффузионному насыщению (выбор электролитов и условий для насыщения поверхности) -Литературный анализ посвященный гальваническому нанесению (выбор электролитов и условий для получения покрытий) -Изучению коррозионной стойкости и износостойкости покрытий полученных, при отобранных с точки зрения максимальной миктротвердости параметрах осаждения. В полученном периоде были достигнуты конкретные научные результаты: По направлению диффузионное насыщение: Были отобраны составы электролитов и режимы для анодной электролитно-плазменной цементации малоуглеродистых сталей, азотирования и борирования среднеуглеродистых сталей, показавшие лучшие результаты насыщающей способности и упрочнению обрабатываемой поверхности. Для проведения азотирования был выбран состав: нитрат аммония (5 %), хлорид аммония (10%), обеспечивающий долговременную работу электролита для диффузионного насыщения в связи с отсутствием легко испаряющегося аммиака (источника азота). Температура обработки 750 градусов, что обеспечивает при 5минутах обработки диффузионно упрочненный слой порядка 50мкм. Для проведения борирования был выбран состав: борная кислота (3%), хлорид аммония (10%) обеспечивающий значение микротвердости порядка 1500HV в поверхностном слое и толщину упрочненного слоя порядка 100мкм за 5минут обработки при 850 градусах. Для проведения цементации был выбран состав: глицерин (10 %), хлорид аммония (15%), обеспечивающий толщину упрочнённого слоя порядка 100мкм за 5 минут обработки при 900 градусах Цельсия. Эффективный коэффициент диффузии глицерина (при электролитно-плазменной обработке) немного меньше, чем ацетона (донора углерода), но в связи с летучестью ацетона, поддерживать его постоянную концентрацию проблематично, а в связи с его горючестью и просто опасно, поэтому в качестве источника углерода при проведении обработки и был выбран глицерин, как наиболее технологичный состав. А концентрация хлорида аммония была выбрана 15% для снижения напряжения при обработке, а следовательно повышения ее энергоэффективности и снижению нагрева электролита. В качестве электролита для электролитно-плазменной полировки на основе литературных данных были выбраны растворы хлорида и сульфата аммония концентраций 5%. Время полировки варьируется от толщины получаемого при насыщении оксидного слоя. По направлению гальваническое осаждение: Были проанализированы глюконатные, гликолятные, малатные, тартартные электролиты как с добавками, так и без. Цитрат как комплексообразователь был выбран вследствие его большей устойчивости чем глюконат или гликолят при температурах близких к кипению, высокой константе устойчивости цитратных комплексов и довольно большой распространенности упоминания в литературных источниках. Особое преимущество было обнаружено у гликолятного электролита для осаждения Fe-W сплавов, связанное с тем, что железо в таком электролите находится в виде трехвалентных комплексов, которые устойчивы, в отличие от цитратных комплексов, в которых железо находится как в двухвалентной форме, так и трех валентной. Но в связи с очень высокой стоимостью электролита, его промышленное применение кажется менее жизнеспособным в отличии от цитратного электролита. Следует также заметить, что отобранные электролиты уже довольно давно изучаются молдавской школой члена-корр АНМ Дикусара А.И. и по ним получен довольно большой массив данных по параметрам осаждения и их корреляции с миктротвердостью покрытий. По направлению функциональных свойств комбинированных покрытий Испытания Co-W покрытий, полученных при оптимальных условиях, выбранных на основе литературных данных (2А/дм2, 80С, рН 6,7) показали максимальное значение объемного износа при скорости трения 0,1м/с. Что объяснялось увеличением контактного износа за счет меньшего оксидирования поверхности. При увеличении скорости трения до 0,1-0,5м/с скорость износа резко уменьшилась по сравнения с 0,1 м/с и была максимальной при 0,4-0,5м/с. Для выбора конкретного значения скорости износа для дальнейших испытаний было выбрано значение 0,4м/с так как разброс значений массового износа оказался наименьшим при этой скорости трения. Результаты испытаний Fe-W покрытий показали схожие результаты, но в целом износостойкость Fe-W покрытий была больше, чем Co-W что объясняется образованием в наших условиях оксидного промежуточного слоя, играющего роль «смазки» уменьшающего контактный износ, за счет более легкого окисления железа чем кобальта. Именно эта особенность Fe-W сплавов оказавшая положительный эффект на износостойкость покрытий, негативно повлияла на коррозионную стойкость Fe-W покрытий. При изучении коррозионных свойств в качестве коррозионной среды применялся раствор 1Н сульфата натрия, как среда (на основании литературных данных по изучению скорости коррозии диффузионно упрочненных покрытий). Коррозионная стойкость углеродистых сталей в такой среде практически не зависит от концентрации углерода в стали. При переходе от 0,2 до 0,8 процентов углерода в стали, ток коррозии изменяется порядка 20%, что находится в пределах точности самого метода измерения скорости коррозии. В данный коррозионной среде, вне зависимости от компонента для диффузионного насыщения, с учетом достижения максимальных прочностных свойств покрытий скорость коррозии диффузионно-насыщенной поверхности обычно ниже (особенно после азотирования), чем у поверхности без обработки. Это связано с наличием плотного оксидного слоя и напряженным состоянием поверхности после насыщения. Таким образом при измерении токов коррозии на анализируемой поверхности оксида железа значения тока коррозии больше зависят от пористости оксидного слоя чем от насыщающего компонента. Но вследствие того, что оксидный слой довольно тонок (1-50мкм) оценка тока коррозии упрочненной поверхности некорректна, так как само измерения проходит вне упрочненной поверхности, а на поверхности оксидного слоя. Электролитно-плазменная полировка за счет удаления оксидного слоя с поверхности увеличивает ток коррозии, но в целом значения скорости коррозии немного выше необработанной поверхности и значительной корреляции с составом упрочненного покрытия не наблюдается. Коррозионная стойкость Fe-W и Co-W покрытий в разы больше (ток коррозии до 5 раз меньше) чем токи коррозии необработанной поверхности и не зависит от того, каким образом проводилось диффузионное насыщение поверхности перед гальваническим осаждением. Это факт говорит о малой пористости поверхности и довольно малой зависимости тока коррозии от состава насыщающего компонента. Износостойкость поверхности комбинированного покрытия в пределах 10% не зависит от типа диффузионного покрытия и толщины слоя (изученные толщины диффузионного слоя 20-100мкм) и определяется в основном только параметрами нанесения гальванического покрытия. Таким образом, в результате работы появились отправные точки для дальнейшего исследования, как коррозионной стойкости, так и износостойкости, ведь параметры осаждения покрытий были выбраны на основании максимальной микротвердости, а не всегда микротвердость коррелирует с износостойкостью, и нет значимой корреляции с коррозионной стойкостью. Что позволяет надеяться, что варьирование режимов обработки с учетом именно функциональных свойств, позволит получить более полный ответ о свойствах комбинированных покрытий и полноценно сравнить данный вид покрытий с хромовыми (эталоном износостойких гальванических покрытий).