НАВОДОРОЖИВАНИЕ ОСНОВНОГО МЕТАЛЛА И ХРОМОВЫХ ПОКРЫТИЙ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ТРИБУНА МОЛОДЫХ УЧЁНЫХ

УДК 621 762

НАВОДОРОЖИВАНИЕ ОСНОВНОГО МЕТАЛЛА И ХРОМОВЫХ ПОКРЫТИЙ

АСТАНИН Владимир Константинович - д-р техн. наук, профессор кафедры эксплуатации транспортных и технологических машин, Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра 1,[email protected]

СТЕКОЛЬНИКОВ Юрий Александрович - канд. хим. наук, профессор кафедры химии и биологии, [email protected]

СТЕКОЛЬНИКОВА Наталья Юрьевна - аспирант кафедры химии и биологии, [email protected] Елецкий государственный университет им. И.А. Бунина

ЕМЦЕВ Виталий Валерьевич - аспирант кафедры эксплуатации транспортных и технологических машин, [email protected]

САННИКОВ Эдуард Михайлович - аспирант кафедры эксплуатации транспортных и технологических машин, [email protected]

Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра 1

Повысить эффективность технологий технического сервиса сельскохозяйственных машин, снизить эксплуатационные затраты можно при организации восстановления изношенных деталей. Технологические операции на основе прогрессивных процессов по устранению дефектов и износов позволят возобновить физико-механические свойства и геометрические размеры изношенных деталей. Осадки хрома обладают высокими физико-механическими свойствами и прочностными характеристиками, вследствие чего они широко распространены в технологии ремонта деталей. В практике ремонта используются экологически вредные стандартные электролиты хромирования на основе сг^1), которые приводят к значительному наводороживанию основы деталей и хромового покрытия, что приводит к появлению и развитию внутренних напряжений, трещин и снижает физико-механические свойства осадков и надежность отремонтированных деталей в условиях эксплуатации. Предложены малоконцентрированые электролиты хромирования, которые позволяют повысить выход хрома по току на 18-20% в сравнении со стандартным электролитов, уменьшить наводороживание основы и хромового покрытия в 2-3 раза, добиться более высокой микротвердости (в 1,3-1,8 раза) вследствие формирования мелкокристаллической структуры хромового осадка, что повышает предел выносливости хромируемых деталей. С этой целью в электролиты хромирования предложено вводить элементы 5-7 групп периодической системы Д.И. Менделеева, которые, изменяя процесс электрокристаллизации, увеличивают производительность процесса на 25-35%, износостойкость - в 1,5 раза, уменьшают внутренние напряжения в покрытиях. Показано, что количество поглощенного водорода зависит от кристаллической структуры легированного хромового покрытия, условий электролиза, механической обработки до нанесения покрытия, термической обработки после осаждения покрытия. Введение в малоконцентрированный электролит кристаллического фиолетового дополнительно позволяет снизить количество поглощенного водорода в несколько раз, что предотвращает хрупкое разрушение при статических нагрузках в условиях эксплуатации, а также в ряде случаев позволит отказаться от химико-термической обработки.

Ключевые слова: изношенные детали, ремонт хромированием, малоконцентрированные электролиты, наводороживание, вакуумная экстракция.

Введение водорода в кубическом хроме сравнительно низ-

При электроосаждении металлов происходит кое - до 150 см3 на 100г хрома. У гексогонального наводороживание покрытия и основы металла, что хрома основное количество выделяющегося при снижает механические свойства [3]. Количество включенного водорода зависит от кристаллической структуры покрытия и, следовательно, от условия электролиза. Гексогональная модификация хрома отличается высоким содержанием водорода (до 3000 см3 на 100 г покрытия). Содержание

нагревании водорода совпадает с точкой фазового перехода 150-2000С [2]. Содержание водорода в хромовых покрытиях может достигать 0,5-1% (в никелевых - до 0,1%, цинковых - до 0,01%) [5]. Необходимо отметить, что наряду с поглощением покрытием водорода происходит наводорожива-

© Астинин В. К., Стекольников Ю. А., Стекольникова Н. Ю., Емцев В. В., Санников Э. М., 2018 г.

ние основы металла. Водород внедряется активно в начальный период процесса до осаждения на катоде сплошного хромового покрытия, после чего процесс наводороживания замедляется. Диффузия водорода в основной металл зависит от структуры стали и степени ее неоднородности [6]. Под влиянием водорода происходит охрупчивание стали (водородная хрупкость), которое проявляется при температурах от -100 до +1000С и наиболее сильно при комнатной температуре, вызывая хрупкое разрушение при статическом нагружении. Низколегированные стали менее склонны к хрупкому разрушению, чем высоколегированные. Для устранения водородной хрупкости, как правило, применяют отпуск при 2000С в течение 2-3 часов после нанесения покрытия. Поскольку при осаждении гальванических покрытий наводорожива-ется не только осажденный хром, но и основной металл, различная механическая обработка деталей перед покрытием влияет на наводорожива-ние поверхностного слоя. На его величину влияет механическая обработка детали не только перед покрытием, но и механическая обработка самого покрытия. Показано, что наводороживание происходит, в основном, при грубой обработке деталей перед покрытием, при которой увеличивается число дислокаций, наклеп, остаточные напряжения, способствующие большей диффузии водорода в сталь, чем изменения шероховатости. При механической обработке покрытий происходит нагревание поверхностного слоя металла, что способствует удалению водорода; с ростом поперечной подачи увеличивается растрескивание хромового покрытия, что также способствует удалению водорода. Однако нельзя рекомендовать черновую механическую обработку для уменьшения количества водорода, так как в этом случае появляются шлифовочные трещины [10].

Отмечается, что наводороживание и внутренние напряжения в покрытиях возрастают с увеличением в осажденном металле содержания углерода, легирующих компонентов, а так же при повышении пластичной деформации. Внутренние напряжения на стали 40х больше, чем на стали 20. Следовательно, детали из высокопрочных и конструкционных сталей, а также изготовленных холодной штамповкой, прокаткой, прессованием, имеют наибольшую склонность к наводоро-живанию и росту внутренних напряжений [7,10]. В основном металле из нормализованной стали напряжения в 1,5 раза меньше, чем из проката и в 2 раза больше, чем после литья. На наводо-роживание и внутреннее напряжение в основном металле и покрытии значительное влияние оказывают механическая обработка поверхности детали. Из-за механического воздействия инструмента на металл перед хромированием (точение, шлифование, и т.п.) в основном металле происходят структурные изменения: дробление и деформация зерен, увеличение дислокаций, наклеп металла, что и способствует росту внутренних напряжений в основном покрытии. Чем грубее механическая обработка, тем значительнее структурные изме-

нения в основном металле. Шлифование в сравнении с точением снижает напряжение в основном металле в 1,2-1,5 раза, а шлифование с токарно-абразивной обработкой - в 2,2-2,5 раза. Следовательно, для снижения внутренних напряжений необходимо повышать частоту обработки поверхности основного металла. Наибольшие напряжения в покрытии возникают, когда размеры решетки основного металла и покрытия различаются в пределах 15%. Это достигается в покрытиях, наносимых на основной метал с ферритно-перлитной структурой с параметрами решетки, а=2,80*10-10 м; для хрома с кубической объемно-центрированной решеткой а=2,87*10"10 м [2].

Вместе с тем, дефектность структуры с покрытиями зависит от химического состава и степени неоднородности основного металла. Повышение степени неоднородности вызывает рост дефектности структуры осадков. Наиболее отрицательно на дефектность структуры покрытия сказывается наличие разных металлических включений, имеющих пониженное перенапряжение выделения водорода. Их наличие способствует интенсивному выделению водорода, затрудняет осаждение хрома. Самым опасным неметаллическим включением является S и Р [1]. При больших внутренних напряжениях образуются трещины, наблюдается шелушение, отслаивание покрытия. Поэтому при хромировании необходимо выбирать такие режимы, которые снижали бы внутренние напряжения водорода в тонком слое покрытий, т.е. в начальный момент осаждения.

Следовательно, структура хромового покрытия зависит от условий предварительной и последующей механической обработки детали и самого покрытия, условий осаждения, что отмечается в работах [6, 10]. Необходимо учитывать, что вышеуказанные процессы в той или иной мере способствуют как увеличению, так и уменьшению поглощенного количества водорода, что в конечном итоге определяет предел выносливости хромируемых деталей.

В научно-технической литературе рассматриваются технологии хромирования при восстановлении рабочих органов сельскохозяйственных машин без учета влияния наводороживания хромовых покрытий на эксплуатационные характеристики, которые можно повысить за счет удаления водорода органическими добавками и легирующими компонентами на стадии осаждения, что позволит повысить производительность машин за счет увеличения физико-химических свойств покрытий.

К научной новизне относятся режимы формирования легированных хромовых покрытий, которые вкупе с органическими добавками в электролите позволяют значительно снизить количество поглощенного водорода, что оказывает наибольшее влияние на эксплуатационные свойства деталей (микротвердость, износостойкость, остаточные напряжения, коррозионную стойкость, усталостную прочность).

Цель работы состояла в определении наводо-роживания в зависимости от легирования хромо-

вых покрытий в малоконцентрированых электролитах хромирования и наличия органических добавок

(1,5 г/л Н^04 + 150 г/л Сг03 + 1 г/л индиго (или 1г/л кристаллический фиолетовый)).

Методика исследований Содержание водорода в катодных осадках методом вакуумной экстракции исследовали наводо-роживание [8,9]. На покрытиях толщиной около 20 мкм, нанесенных на проволоку диаметром 2 мм и длиной 4-5 мм. Экстракцию проводили в течение 30 минут при температуре 200-400°С, измерения - в запаянных манометрических лампах ЛТ-2, а конечное значение давления фиксировали вакуумметром ВТ-3. Поглощенный объем водорода рассчитывался по формуле:

V

Н 2

(Р2 - РХ)УСК 273 760 (273 +0

где VH2 - количество экстрагируемого водорода, см3;

Р1 - начальное давление в системе, Па; Р2 - конечное давление в системе, Па; Vc - объем измерительной системы, см3 ; t - комнатная температура, °С; К - коэффициент (для водорода К=0,67). Объем экстрагируемого водорода, содержащегося в 100 г покрытия, и составлял наводоро-

живание. Определены эмпирические зависимости VH2 от плотности тока осаждения (ik). Изучалась температурная зависимость внутреннего трения на установке с электростатическим возбуждением колебаний. Методика изучения внутреннего трения, конструкция установки приведены в [13]. Внутреннее трение измерялось в амплитудно-независимой области деформаций.

Для исследования деформации в электролитических осадках используют структурно-чувствительный релаксационный метод изучения внутреннего трения [14].

Наличие водорода в осадках выявляют из максимумов температурной зависимости внутреннего трения, связанных с релаксационными процессами диффузии водорода при старении покрытий, а также последующей и предшествующей термообработках подложки, покрытой и непокрытой хромом. Это связано с количественным содержанием водорода (высотой пика), режимами электроосаждения, обуславливающими разные формы водорода в осадках [15,16].

Результаты и их обсуждение

В таблице 1 исследовано влияние органических добавок при разных потенциалах осаждения хрома из электролитов: (I) (2,5 г/л H2SO4 250 г/л CrO3), (II) (1,5 г/л H2SO4 + 150 г/л CrO3 + 1 г/л КФ), (III) 0,5 г/л H2SO4 + 150 г/л CrO3 + 1 г/л индиго), (IV) (1,5 г/л H2SO4 + 150 г/л CrO3

Таблица 1 - Влияние катализаторов на парциальные токи восстановления (%)

Состав -Е, мВ (I) (II) (III) (IV)

H2 Cr(3) H2 Cr(3) H2 Cr(3) H2 Cr(3)

400 10 89 8,5 90,5 7,3 91,7 6,5 92,2

420 8 90 7,0 90,2 6,8 90,4 6,1 91,1

450 7,2 91,2 6,0 90,4 5,8 92,6 5,2 93,3

500 6,5 92,1 4,2 96,3 4,0 96,5 3,6 96,9

1000 69 29 63 32 61,7 61,0 34,0 65,1

1200 65 32 55 42 52 45 46 51

Из таблицы 1 при сравнении парциальных токов восстановления ионов хрома следует, что введение органических добавок снижает сопутствующее паразитное выделение водорода (с 6569% без органических добавок до 46-52% при их использовании) и повышает выход по току хрома, так как выделение металлического хрома происходит дополнительно путем блокирования органических добавок выделяющегося на катоде паразитного водорода в условиях осаждения.

При невысоких плотностях тока осаждения хрома от 10 до 20 А/дм2 содержание водорода возрастает в основе детали от 20-25 до 80-90 см3/100 г, т.е. в 4-5 раз. В начале осаждения водород накапливается как в самой основе детали, так и по дефектам кристаллической решетки хромового покрытия и этот водород, по-видимому, находится в несвязанном молекулярном состоянии. Рост катодной плотности тока уменьшает размеры блоков кристаллитов, способствует возрастанию плотности вакансий дефектов, уменьшению плот-

ности упаковки атомов хрома на межзеренных границах в сравнении с объемом, что сопровождается резким увеличением поглощения водорода на этих границах (рис. 1). Увеличение плотности тока до 100 А/дм2 приводит к значительному увеличению степени наводороживания, при этом в малоконцентрированном электролите с добавками КФ и индиго объем поглощенного водорода в сопоставимых условиях в 2-3 раза меньше. Увеличение степени наводороживания можно связать и с образованием Сг(ОН)3 в связи с ростом кислотности прикатодного слоя при росте плотности тока и последующем включением гидроокиси хрома в кристаллическую решетку, что повышает содержание водорода за счет образования водородсодер-жащих химических соединений. Следовательно, наводороживание обусловлено несколькими причинами: влиянием температуры, плотности тока, кислотности, состава электролитов, легирующих компонентов.

Рис. 1 - Зависимость содержания водорода в осадках хрома в разбавленных электролитах от катодной плотности тока и температуры: кривые 1,2,3 - 100 г/л Сг03 + 1г/л Н^04; 4,5,6 - 100 г/л Сг03 + +1г/л Н^04 + 0,1 г/л индиго (или КФ); кривые 1,4 - 45оС; 2,5 - 55оС; 3,6 - 65оС.

Влияние плотности тока и температуры на наводороживание покрытий в разбавленном электролите показаны на рисунке 1. Рост плотности катодного тока повышает содержание водорода в электролитах с добавками индиго красителей (46) и без (рис. 1, кривые 1-3), но при их наличии общее количество водорода в покрытиях меньше. Рост температуры приводит к увеличению количества поглощенного водорода в покрытиях. В интервале температур 45°-65°С наблюдается разница в наводороживании из-за различия свойств поверхностных коллоидно-дисперсионных пленок и свойств комплексов хрома (III) зеленой (45оС) и фиолетовой (65°С) модификаций в растворах. В [5] показано, что перенапряжение выделения водорода с уменьшением температур растет, а наводороживание электроосажденных покрытий происходит путем внедрения во включения гидрооксида хрома (III) с последующими превращениями. Биполярный импульсный ток незначительно снижает наводороживание в исследованном интервале температур и плотностей тока. Однако и на этом режиме осаждения при введении красителя индиго снижается наводороживание, что позволяет уменьшить водородное охрупчивание как в стационарных, так и импульсных режимах поляризации.

Установлено, что легирование хромовых покрытий элементами 5-7 групп периодической системы Д.И. Менделеева, уменьшает степень наводороживания сплавов хрома с этими компонентами. При увеличении содержания легирующих компонентов в составе катодного осадка объем поглощенного водорода снижается в 3-7 раз, что можно объяснить увеличением выхода по току сплавов хрома и уменьшению выхода по току водорода при совместном осаждении. Легирующие компоненты при соосаждении с хромом могут образовывать твердые растворы, ß-фазы с решеткой объема центрированного куба, при

этом увеличиваются параметры кристаллической решетки, что также сказывается на степени поглощения водорода, на внутренних напряжениях покрытий и образовании сетки трещин [17]. В ряде исследований показано [8,17], что микротвердость хромовых покрытий не зависит от содержания в них водорода. Молекулярный водород удаляется из покрытий при 200-250 0С, химически связанный - при 500 0С, а его остаточный уровень очень мал, при этом оказалось, что микротвердость образцов не изменилась. Отметим, что самопроизвольный переход метастабильной гексагональной модификации хрома в стабильную модификацию объемно-центрированной кубической решетки сопровождается сокращением объема хромового покрытия и возникновению больших внутренних напряжений, что способствует снижению степени наводороживания. В работах [6,13] утверждается, что основным фактором, влияющим на микротвердость хромовых покрытий, является не наличие в нем водорода, а наличие кислорода и размер зерна. Влияние кислорода связано с распределением диспергированного Сг(ОН)3 в объеме хромового покрытия, что, по-видимому, обусловлено изменением микротвердости сплава при изменении кислотности от 0,45 до 0,85 при 60 А/дм2, что сопровождается изменением микротвердости от 7500 до 9450 ГПа. Влияние легирующих компонентов из ряда периодической системы Д.И. Менделеева приводит к возрастанию микротвердости (табл. 2).

Для исследования природы дефектов электрокристаллизации предложены структурно-чувствительные методы анализа взаимовлияний и взаимопревращений с учетом накопления молекулярного водорода или гидридов (хрома) по границам зерен. В [5] пики на температурных зависимостях внутреннего трения связаны с наличием сегрегированного на дислокациях водорода в хромовых покрытиях.

Таблица 2 - Составы электролитов хромирования при двух легирующих добавках

Компоненты электролитов, режим электролиза, свойства покрытий Концентрация компонентов электролита, (г/л)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Хромовый ангидрид, 250 80 80 80 80 80 80 80 80 80

Продолжение таблицы 2

Серная кислота 2,0 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8

Молибденовая кислота 20 60 60 60 - - - - - -

Индиго - 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1

Стронций хлористый - - 50 50 50 50 50 50 50 50

Ванадиевая кислота - - - 60 - - - - - -

Ниобиевая кислота - - - - 60 - - - - -

Танталовая кислота - - - - - 60 - - - -

Вольфрамовая кислота - - - - - - 60 - - -

Марганцевая кислота - - - - - - - 60 - -

Технециевая кислота - - - - - - - - 60 -

Рениевая кислота - - - - - - - - - 60

Выход хрома по току, % 32 35 32,5 29 38 33 35 39 26 37

Скорость осажд., мкм/ч 48 52 50 58 64 69 72 65 48 56

Ток пассивации, 105А/дм2 2,8 3,5 4,6 4,7 3,8 4,5 2,9 3,2 3,4 3,2

Микротвердость, кгс/мм2 1070 1280 1325 1600 1420 1570 1750 1600 1400 1370

Из рисунка 2 следует, что высоты пиков внутренних трений для разбавленных растворов меньше, чем для стандартных, из-за высокой мелкозернистости осадков. Уменьшение размеров блоков, увеличение микроискажений структуры хромовых покрытий [11, 12] увеличивают пики внутренних трений в стандартных электролитах, а также рост содержания диффузионного подвижного водорода из-за уменьшения образования гидридов водорода (т.е. связанных). Биполярный импульсный ток не повлиял на содержание поглощенного водорода, но увеличил выход хрома по току на 15^20%. Наводороживание осадков хрома при температуре отжига 900оС уменьшается на 25-30% как в стандартных, так и разбавленных электролитах из-за снижения доли диффузионного подвижного водорода, сегрегированного на дислокациях, что подтверждается спадом пиковых значений внутреннего трения водорода при термодиффузионном старении. Анализ зависимости внутреннего трения показал, что особенностями процессов хромирования в разбавленных электролитах с добавками органических катализаторов являются снижение содержания водорода и рост выхода хрома по току, что согласуется со смещением потенциалов в положительную сторону одновременного выделения водорода и хрома на 100^150 мВ на поляризационной катодной кривой. Технологические операции: пескоструйная и алмазная обработка поверхности деталей, термообработка, перехромирование сказываются на пределах прочности, текучести, выносливости и сцепляемости хромового покрытия с основой, циклической долговечности, наводороживании, восстанавливаемых в размер изношенных деталей машин сельскохозяйственной техники.

При практическом хромировании необходимо иметь в виду, что наиболее опасны при нанесении хрома на сталь низкие плотности осаждения, т.к. в этом случае при больших временах хромирования накапливаются большие объемы водорода в поверхностных слоях стали. Неравномерное рас-

пределение силовых линий при хромировании сложно-профилируемых деталей может привести к обильному поглощению водорода в тех местах, где хром не осаждается, что приведет к значительному наводороживанию основного металла детали. Наибольшее наводороживание стальной основы детали наблюдается в интервале температур 55-75 0С, что обусловлено увеличением диффузии водорода в 5-10 раз и изменениями структуры хромового покрытия и абсорбционной прочности электролитов. В режиме блестящих покрытий наводороживание сталей в 10-15 раз меньше, чем при нанесении молочного хрома. Отметим также, что наводороживание стали зависит от вида ее механической обработки перед хромированием. Упрочняющая обработка поверхности изменяет микрорельеф поверхности, который зависит от вида шлифования, виброупрочнения, алмазной и пескоструйной обработки. Степень поглощения водорода зависит от состава стали, ее природы, что в значительной мере определяет ее характеристики пластичности.

И -300 -200 -100 0 100 200 300 Температура, Т, "С

Рис. 2 - Зависимость внутренних трений электролитического хрома из универсальных (1) и разбавленных (2) растворов без добавок и с добавками КФ (3) и индиго (4) от температуры

Так, количество поглощенного хромовым покрытием водорода зависит от температуры последующего отжига. Высота пика внутреннего трения уменьшается при нагревании до температуры око-

ло 200 °С, что говорит об удалении из дислокаций водорода, который при 6000С удаляется полностью (на рисунке 2 не показано), что позволяет отказаться от термообработки при использовании кристаллического фиолетового и легирующих добавок. Водород из границ блоков, микротрещин из-за низкой подвижности можно удалить из покрытий при высоких температурах. В процессах релаксации этот водород не принимает участия. Рост времени термодиффузионной обработки и старения перераспределяет состояние водорода по толщине осадка (молекулярного и атомарного водорода, гидрооксидов хрома(Ш), гидридов хрома переменной валентности).

При хромировании штоков гидроцилиндров сельскохозяйственной техники из сталей 30ХГСА, 35, 40Х, 45 в малоконцентрированном электролите с органическими добавками при плотностях тока от 25 до 100 А/дм2 получается блестящее покрытие с хорошей степенью распределения осаждаемого металла по толщине покрытия, по диаметру и длине штока. Наблюдается высокая равномерность по толщине хромового покрытия при длине штока от 1000 до 4000 мм; отслоений, наплывов, вздутий, шелушений хромового покрытия нет, в том числе и на местах механического прижога.

Как вариант, хромовые покрытия толщиной до 250 мкм наносили по резьбе на отшлифованные штоки на стальную и хромированную поверхности с прерываниями процесса осаждения хрома для контроля поверхности. Если размер поверхности меньше, чем требуется по нормативно-технической документации, производилось доращивание поверхности до заданного размера. Сцепление покрытия с основой хорошее. Такие покрытия выдерживают механическую шлифовку, полировку, нарезание резьбы.

В промышленных условиях малоконцентрированный электролит показал более высокую рассеивающую и кроющую способность в сравнении с универсальным, что позволяло получать равномерные по толщине блестящие хромовые покрытия на крупногабаритных деталях сельско-

При восстановлении деталей сельскохозяйственной техники используется термообработка, перехромирование, пескоструйная и алмазная обработка поверхностей деталей, которые сказываются на пределах прочности и текучести, прочности сцепления хромового покрытия с основой, циклической долговечности, пределе выносливости, наводороживании, что требует проведения соответствующих исследований.

Хромирование изношенных деталей на толщину 50 мкм в условиях завода «Воронежсельмаш» в зависимости от плотности тока в малоконцентрированных и в универсальных электролитах показано в таблице 3.

хозяйственной техники сложной конфигурации. Малоконцентрированный раствор отличается экологичностью, меньшей трудоемкостью процесса хромирования, особенно на малогабаритных деталях, а на крупногабаритных наблюдался выигрыш во времени нанесения покрытия.

Обоснованы оптимальные режимы хромирования: 1к=50-70 А/дм2; То=55-570С; объемная плотность тока около 1,5 А/л. При этом выход хрома по току составил порядка 28 %; скорости нанесения покрытия: при 55 А/дм2 около 0,95-1 мкм/мин, при 75 А/дм2 - около 1,3 мкм/мин. Максимальная твердость при 60-70 А/дм2 (1028-1036 кг/мм2).

На основании изучения спектральных характеристик промышленного электролита после эксплуатации от 63,5 тыс. А.ч, до 120 тыс. А.ч оценен расход катализатора на 1 А.ч; эта величина составляет ~ 0,008 мг, что позволяет производить корректировку электролита. Анализ расхода катализатора проводили по графической зависимости оптической плотности от его концентрации в процессе электролиза.

Для практических целей производства необходимы сведения о влиянии многократного хромирования в малоконцентррованном электролите и режимов термообработки на механические свойства металлов (сталей 40Х, 65Х, Х18Н10Т, 30ХГСА, меди): предел текучести, прочности, сцепление хромового покрытия с основой, циклическую долговечность, предел выносливости (таблицы 4-7).

Таблица 3 - Покрытие деталей хромом толщиной 50 мкм

Изделие (сталь) Размеры (мм, 0, L) Количество (шт.) Дкат(А/дм2) разб. эл-т (станд.) Обработка в мин. малокон./станд.

Золотники ст.35 ст.40Х ст.45 020L100 0 200L320 0 80L200 40 40 40 8 8 8 ООО 50/150 50/150 50/150

Штоки гидроцилиндров ст.40Х 0 36L600 0 80L800 10 10 50 50 60/80 60/80

Штоки гидроцилиндров ст.30ХГСА 0160L800 0 200L750 0120L450 0120L650 25 25 25 25 35 35 35 35 120/140 120/140 120/140 120/140

Хромирование проводилось в малоконцентрированном электролите при 55°С и плотности тока 50 А/дм2 с режимами предшествующей и последу-

ющей термообработки (табл. 4). Хромовые покрытия с образцов удаляли под током в №ОН.

Таблица 4 - Термообработка до и после нанесения покрытия хромом

Марки металла Температуры (оС) и время термообработки (ч)

До нанесения После нанесения

40Х 400 (2,5 ч) 400 (3,5 ч)

65Г 420 (2,5 ч) 420 (2,5 ч)

30ХГСА 250 (3 ч) 250 (3 ч)

Х18Н10Т 250 (3 ч) 250 (3,5 ч)

Медь 550 (1,5-2 ч) 550 (2 ч)

Связь многократного хромирования и механических свойств (предел прочности Тр; предел текучести Т; относительное удлинение а; относительное сужение ф), прочность сцеплений хромовых покрытий со сталью и медью отражены в таблице 5.

Таблица 5 - Механические свойства сталей Х18Н10Т, 65Г, 40Х, 30ХГСА и меди при перехромировании

(толщина покрытия 200 мкм)

Состояние образца Тр, МПа Тэ, МПа а, % ф, % Прочность сцепления, МПа

Исходный 1050 1038 17 37,9 Сталь 40Х Медь

Хромированный 1047 1028 16,1 39,7 230 220

3-кратно хромированный 1067 1045 16,3 50,85 240 220

6-кратно хромированный 1077 1060 15,7 46,1 250 220

Из таблиц видно, что повторное хромирование в сравнении с однократным почти не сказывается на механических свойствах металлов, почти не изменяется прочность сцепления осадков хрома с основой на всех сталях.

Таблица 6 - Многократное хромиров;

Из таблицы 6 видно, что не наблюдается влияния многократного хромирования на циклическую долговечность металлов, которая незначительно отличается от уровня циклической долговечности однократно хромированных и исходных образцов.

ие и циклические долговечности сталей

Обработка образцов Циклическая долговечность, тыс. циклов

Уровни напряжения

Т =700 МПа тах Т =850 МПа тах

Исходные 37 40

Шлифование, пескоструйная обработка, хромирование 34-35 35

Шлифование, пескоструйная обработка, 3 кратное хромирование без промежуточной доводки 48-50 50-55

Шлифование, пескоструйная обработка, 3 кратное хромирование с промежуточной доводкой 40 40

Шлифование, пескоструйная обработка, 6 кратное хромирование без промежуточной доводки 33-34 36-37

Шлифование, пескоструйная обработка, 6 кратное хромирование с промежуточной доводки 45 48-50

Отметим повышение долговечности для варианта многократного хромирования с промежуточными доводками, что можно объяснить повышением сжимающего напряжения в поверхностных слоях при алмазной или пескоструйной обработках поверхностей (табл. 6); обработка блокирует распространение трещин, образовавшихся в покрытиях хрома при воздействии циклической на-

грузки на основу. Доводки проведены через 11 тыс. циклов для меди, 13 тыс. циклов - для сталей при Ттах = 850 МПа (условия термообработок до и после осаждения хрома даны в таблице 4). Количество циклов до разрушения после перехромирования составило 65 тыс. у всех сталей и 57 тыс. для меди.

Из таблицы 7 видно, что однократное хромиро-

вание незначительно (от 355 до 298,2) изменяет ровании изменяется предел прочности в сторону предел прочности стали, а трех- шестикратное уменьшения от 425 до 340 относительно одно-хромирование - от 420 до 323,4 для меди и от 425 кратного как у стали, так и у меди. до 335,75 для стали. При многократном хроми-

Таблица 7 - Предел прочности поверхностных слоев металлов при хромировании

Технологические операции Предел прочности, Тр(ост) МПа

Сталь Медь

Термическая обработка (закалка, отпуск), шлифование 127-137

Пескоструйная обработка 475-480

Активация 480

Хромирование, термообработка, удаление покрытия, термообработка 380-400

Пескоструйная обработка, хромирование, термообработка, доводка, удаление покрытия 357-363 350

Термообработка, пескоструйная обработка 440 430

Хромирование, термообработка, доводка, удаление покрытия 415-425 410

Термообработка, пескоструйная обработка, хромирование, термообработка, доводка, удаление покрытия, термообработка 355 350

Пескоструйная обработка 500 485

Хромирование, термообработка, доводка, удаление покрытия 425 420

Термообработка, хромирование, термообработка, доводка до разрушения 245-250 235

Проведенные исследования показывают, что многократное хромирование практически не сказывается на циклической долговечности и пределе выносливости сталей и может использоваться при восстановлении деталей сельскохозяйственной техники.

Восстановление хромированием деталей, имеющих износ свыше 0,3 мм, нецелесообразно по экономическим и техническим критериям. Используя железнение, можно компенсировать значительный износ детали, при этом слой осадка, контактирующий с металлом основы детали, может иметь твердость, равную твердости основы. По мере повышения толщины осадка твердость может увеличиваться. На восстановленную желез-нением поверхность детали после механической обработки наносили слой хрома 0,08-0,32 мм, который обеспечивает дополнительное повышение износостойкости детали.

Выводы

Известно, что удаление водорода из покрытий основного металла позволяет восстановить исходные физико-механические свойства металла и упрочнить покрытия хромом. Отметим при этом, что термообработка деталей проводится в интервале температур 200-250 0С в течение 2-3 часов. В начале термообработки происходит быстрое и значительное выделение водорода, через 1,5-2 часа скорость выделения замедляется и к концу 3-го часа выделяется основное количество водо-

рода; оставшийся водород практически не влияет на механические свойства самого металла. Использование кристаллического фиолетового и индиго в малоконцентрированных электролитах хромирования позволяет снизить количество поглощенного водорода в 3-4 раза, что позволяет в ряде случаев отказаться от последующей термической обработки. Введение кристаллического фиолетового и индиго увеличивает выход по току хрома за счет уменьшения выхода по току сопутствующий паразитной реакции выделения водорода.

Разработана технология процесса хромирования: получение на изношенных поверхностях деталей сельскохозяйственных машин гальваническим методом слоисто-блочных структур, обладающих улучшенными свойствами - повышенным усталостным износом, большей микротвердостью, лучшей сцепляемостью с металлом основы, меньшей шероховатостью поверхности из малоконцентрированных электролитов с органическими катализаторами и добавками солей переходных химических элементов (Мп, N V, ^ Sr, Мо) и порошков карбонитридов при переменно-токовых и импульсных режимах электролиза.

Список литературы

1. Аджиев Б.У. Влияние анионов и нестационарных режимов на процесс электрокристаллизации хрома.: автореф. канд. дис. / Б.У. Аджиев. - Москва, 1985. - 22с.

2. Архаров В.И. К вопросу о природе твердости электролитических покрытий / В.И. Архаров, С.А. Немненов // Журнал технической физики. -1938. - Т.8 - №12. - С. 48-56.

3. Богданович Е. Н. Технология восстановления системы сопряжения вал подшипник / Е. Н. Богданович, А. В. Звягинцева, Ю. Н. Шалимов // Технология машиностроения. - 2010. - №4. - С. 32-38.

4. Гордиенко В. О. Электроосаждение хромовых покрытий из сульфатно-карбамидных электролитов на основе Cr (III) / В. О. Гордиенко // Физ.-хим. мех. матер. - 2010. - №5. - С. 71-75.

5. Гранкин Э. А. Исследование температурной зависимости внутреннего трения в электролитических осадках хрома / Э. А. Гранкин, А. И. Фаличева, В. К. Алтухов // Электрохимия. - 1971. - № 8. - С. 1131-1133.

6. Исследование поглощения водорода электрохимическими металлами и сплавами / Ю. Н. Шалимов, Е. Н. Островская, Ю. В. Литвинов, Хар-ченко Е. Л. // Альтернативная энергетика и экология. - 2006. - №5. - С. 98-99.

7. Кутнегин В.Н. Влияние состава электролитов и режима электролиза на внутренние напряжения осадков хрома / В.Н. Кутнегин // Прикладная химия. - 1984. - №2. - С. 87-88.

8. Постников В. С. К вопросу о зерногранич-ной релаксации напряжений в чистых металлах / В. С. Постников, И. М. Шаршаков, Э. М. Масленников // Релаксационные явления в металлах и сплавах: труды IV Всесоюзной конф. - Москва: Металлургиздат, 1963. - С. 165-170.

9. Сафонов В. В. Нанокомпозиционное гальваническое хромирование. / В. В. Сафонов, С. А. Шишурин, В. С. Семочкин // Гальванический механик. - 2010. - №1. - С. 40-42.

10. Севостьянов Б.М. Снижение внутреннего

напряжения хромового покрытия / Б.М. Севостьянов, Л.И. Бондаренко // Технология и организация производства. - 1988. - №2. - С. 44-45.

11. Стекольников Ю.А. Износостойкость деталей, восстановленных хромированием на нестационарных режимах осаждения / Ю.А. Стекольников, В.К. Астанин, В.В. Емцев, Э.М. Санников // Вестник Мичуринского государственного аграрного университета. - 2017. - №2.

12. Стекольников Ю.А. Электролит хромирования (варианты). / Ю.А. Стекольников, В.Ф. Во-ржев, Н.М. Стекольникова // Патент на изобретение RUS 2392356 10.01.2008.

13. Токарева И. А. Особенности технологических процессов хромирования из электролитов на основе низковалентных соединений хрома / И. А. Токарева, Ю. Н. Шалимов // Технология машиностроения. - 2014. - №1. - С. 35-41.

14. Фаличева А. И. Экологические проблемы гальванического производства и альтернативные покрытия / А. И. Фаличева, Н. И. Глянцев, Ю. А. Стекольников // Техника машиностроения. - 1999. - №6. - С. 45-51.

15. Фаличева А. И. Экологические проблемы хромирования и альтернативного покрытия / А. И. Фаличева, Ю. А. Стекольников, Н. И. Глянцев // Вестник Тамбовского государственного университета. - 1999. - Вып. 2. - С. 256-257.

16. Цуканов О. В. Исследование хромирования в разбавленных электролитах для уменьшения экологической опосности : автореф. дис. ... канд. хим. наук : 02.00.04 / О. В. Цуканов. - Липецк, 2004. - 23 с.

17. Шалимов Ю. Н. Образование дефектов структуры при катодном восстановлении металлов. / Ю. Н. Шалимов, И. А. Токарева, Е. П. Евсеев // Технология машиностроения. - 2014. - №2. - С. 5-12.

THE EFFECT OF ALLOYING COMPONENTS AND ORGANIC ADDITIVES ON THE HYDROGEN

ABSORPTION IN CHROMIUM COATINGS

Astanin Vladimir K., doctor of technical Sciences, Professor of Department of exploitation of transport and technological machines, Voronezh state agrarian University named after Emperor Peter 1, astanin-vk@ mail.ru

Stekolnikov Yuri A., candidate of chemical Sciences, Professor, Department of biology and chemistry, Yelets state University n. a. I. A. Bunin, [email protected]

Stekolnikova Natalia Yu., postgraduate student of the Department of chemistry and biology, Yelets state University n. a. I. A. Bunin, [email protected]

Emtsev Vitaly V., graduate student of Department of exploitation of transport and technological machines, Voronezh state agrarian University named after Emperor Peter 1, [email protected]

Sannikov Eduard M., postgraduate student of Department of exploitation of transport and technological machines, Voronezh state agrarian University named after Emperor Peter 1, [email protected]

To increase efficiency of technologies of technical service of agricultural machines, it is possible to reduce operational costs at the organization of restoration of the worn-out details. Technological operations on the basis of progressive processes on elimination of defects and wear will allow to renew physical and mechanical properties and the geometrical sizes of the worn-out details. Precipitation chrome have high physical and mechanical properties and strength characteristics, so that they are widespread in the technology of repair parts. In the practice of the repair using environmentally harmful standard chromium plating electrolytes based on Cr(VI), which lead to significant hydrogen absorption, the basics of parts and a chrome coating, which leads to the emergence and development of internal stresses, cracks, and reduces the physico-mechanical properties of precipitation and reliability of the repaired parts under operating conditions. Low-concentrated chromium plating electrolytes are proposed, which allow to increase the chromium current output by 18-20%

in comparison with standard electrolytes, to reduce the base and chromium coating flooding by 2-3 times, to achieve high microhardness higher by 1.3-1.8 times due to the formation of a fine-crystalline structure of chromium sediment, which increases the endurance limit of chrome parts. To this end, it is proposed to introduce elements of 5-7 groups of the periodic System into chromium plating electrolytes. Mendeleev, which by changing the process of electrocrystallization increase the productivity of the process by 25-35%, wear resistance by 1.5 times, reduce the internal stresses in the coatings. It is shown that the amount of hydrogen absorbed depends on the crystal structure of the doped chromium coating, electrolysis conditions, machining before coating, heat treatment after deposition of the coating. The introduction of crystalline violet into a low-concentrated electrolyte further reduces the amount of hydrogen absorbed several times, which prevents brittle destruction at static loads under operating conditions, as well as in some cases will allow to abandon the chemical heat treatment.

Key words: worn parts, repair chrome, low-concentration electrolytes, hydrogen absorption, vacuum extraction.

Literatura

. 1. Adzhiev B.U. Vlijanie anionov i nestacionarnyh rezhimov na process jelektrokristallizacii hroma.: avtoref. kand. dis. /B.U. Adzhiev. - Moskva, 1985. - 22s.

2. Arharov V.I. K voprosu o prirode tverdostijelektroliticheskih pokrytij/V.I. Arharov, S.A. Nemnenov// ZHurnal tehnicheskoj fiziki. - 1938. - T.8 - №12. - S. 48-56.

3. Bogdanovich E. N. Tehnologija vosstanovlenija sistemy soprjazhenija val podshipnik / E. N. Bogdanovich, A. V. Zvjaginceva, JU. N. SHalimov// Tehnologija mashinostroenija. - 2010. - №4. - S. 32-38.

4. Gordienko V. O. JElektroosazhdenie hromovyh pokrytij iz sul'fatno-karbamidnyh jelektrolitov na osnove Cr (III) / V. O. Gordienko //Fiz.-him. meh. mater. - 2010. - №5. - S. 71-75.

5. Grankin JE. A. Issledovanie temperaturnojzavisimosti vnutrennego trenija vjelektroliticheskih osadkah hroma / JE. A. Grankin, A. I. Falicheva, V. K. Altuhov // JElektrohimija. - 1971. - № 8. - S. 1131-1133.

6. Issledovanie pogloshhenija vodoroda jelektrohimicheskimi metallami i splavami / JU. N. SHalimov, E. N. Ostrovskaja, JU. V. Litvinov, Harchenko E. L. // Al'ternativnaja jenergetika i jekologija. - 2006. - №5. - S. 98-99.

7. Kutnegin V.N. Vlijanie sostava jelektrolitov i rezhima jelektroliza na vnutrennie naprjazhenija osadkov hroma /V.N. Kutnegin // Prikladnaja himija. - 1984. - №2. - S. 87-88.

8. Postnikov V. S. K voprosu o zernogranichnoj relaksacii naprjazhenij v chistyh metallah / V. S. Postnikov, I. M. SHarshakov, JE. M. Maslennikov // Relaksacionnye javlenija v metallah i splavah: trudy IV Vsesojuznoj konf. - Moskva: Metallurgizdat, 1963. - S. 165-170.

9. Safonov V. V. Nanokompozicionnoe gal'vanicheskoe hromirovanie. / V. V. Safonov, S. A. SHishurin, V. S. Semochkin // Gal'vanicheskij mehanik. - 2010. - №1. - S. 40-42.

10. Sevostjanov B.M. Snizhenie vnutrennego naprjazhenija hromovogo pokrytija /B.M. Sevostjanov, L.I. Bondarenko // Tehnologija i organizacija proizvodstva. - 1988. - №2. - S. 44-45.

11. Stekol'nikov JU.A. Iznosostojkost' detalej, vosstanovlennyh hromirovaniem na nestacionarnyh rezhimah osazhdenija/JU.A. Stekol'nikov, V.K. Astanin, V.V. Emcev, JE.M. Sannikov//VestnikMichurinskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. - 2017. - №2.

12. Stekol'nikov JU.A. JElektrolit hromirovanija (varianty). / JU.A. Stekol'nikov, V.F. Vorzhev, N.M. Stekol'nikova //Patent na izobretenie RUS 2392356 10.01.2008.

13. Tokareva I. A. Osobennosti tehnologicheskih processov hromirovanija iz jelektrolitov na osnove nizkovalentnyh soedinenij hroma /1. A. Tokareva, JU. N. SHalimov //Tehnologija mashinostroenija. - 2014. -№1. - S. 35-41.

14. Falicheva A. I. JEkologicheskie problemy gal'vanicheskogo proizvodstva i al'ternativnye pokrytija / A. I. Falicheva, N. I. Gljancev, JU. A. Stekol'nikov// Tehnika mashinostroenija. - 1999. - №6. - S. 45-51.

15. Falicheva A. I. JEkologicheskie problemy hromirovanija i al'ternativnogo pokrytija/A. I. Falicheva, JU. A. Stekol'nikov, N. I. Gljancev // Vestnik Tambovskogo gosudarstvennogo universiteta. - 1999. - Vyp. 2. - S. 256-257.

16. Cukanov O. V. Issledovanie hromirovanija vrazbavlennyhjelektrolitah dlja umen'shenijajekologicheskoj oposnosti: avtoref. dis. ... kand. him. nauk: 02.00.04/O. V. Cukanov. - Lipeck, 2004. - 23 s.

17. SHalimov JU. N. Obrazovanie defektov struktury pri katodnom vosstanovlenii metallov. / JU. N. SHalimov, I. A. Tokareva, E. P. Evseev // Tehnologija mashinostroenija. - 2014. - №2. - S. 5-12.