CC BY
100
ВЛИЯНИЕ ДИСУЛЬФИДА МОЛИБДЕНА НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА
Е.А. Афанасьев, В.И. Серебровский
Аннотация. Рассмотрено влияние дисульфида молибдена на физико-механические свойства композиционных электролитических покрытий на основе железа. Разработаны математические зависимости микротвердости и износа от концентраций легирующего элемента и дисперсной фазы. Определен оптимальный состав КЭП и режим для его получения.
Ключевые слова: композиционные электролитические покрытия, дисульфид молибдена, износ, микротвердость, оптимальный состав.
В проведенных ранее исследованиях нами рассматривался вопрос повышения износостойкости композиционных электролитических покрытий введением в электролит твердой смазки в виде дисульфида молибдена. Тем самым смогли добиться снижения коэффициента трения покрытия Fe-MoS2 на 50 % по сравнению с чистым электролитическим железом.
Но как показывает анализ литературных источников, для увеличения износостойкоти недостаточно только снижения коэффициента трения. По мнению авторов [1-3] для увеличения износостойкости необходимо добиться высокой твердости покрытий. Этого можно добиться измельчением структуры получаемого сплава. В композиционных покрытиях этот вопрос решается путем введения в электролит веществ более твердых чем матрица, на которую осуществляется осаждение покрытия. Наиболее распространенными веществами такого рода являются оксиды, карбиды, нитриды, бориды. Чаше всего применяется электрокорунд белый А12О3 [4-8]. В этом случае механизм упрочнения осуществляется следующим образом: ччастицы второй фазы, в процессе электролиза, препятствуют росту зерна за счет внедрения в матрицу из-за механического воздействия на растущие слои металла, создают вокруг себя дефектные зоны. Дисперсные частицы оказывают значительное влияние на изменение тонкой структуры или субмикроструктуры матрицы. Происходит уменьшение блоков мозаики, увеличение микроискажений и плотности дислокаций, что способствует росту микротвердости и как следствие износостойкости.
Но, наряду с этим возникают такие побочные явления как высокие внутренние напряжения, снижается сцепляемость покрытия с основным металлом и наблюдается растрескиваемость покрытий, что значительно снижает срок службы восстановленной детали.
Чтобы исключить эти недостатки мы предлагаем использовать для восстановления деталей композиционные покрытия железо-фосфор-дисульфид молибдена.
Дисульфид молибдена, в виду особенностей структуры, относится к числу мягких включений, которые в композиционных покрытиях не увеличивают микротвердости, т.к. он мягче чем металл матрицы и не оказывает сопротивления для появления несовершенств структуры, что влечет за собой упрочнение покрытий. Некоторые авторы указывают даже на незначительное снижение микротвердости.
Осаждение покрытия велось из электролита для получения железо-фосфорного сплава, разработанного в ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА», с добавлением дисульфида молибдена марки ДМ-7. Состав электролита: железо серно-кислое 350...400 г/л, соляная кислота 0,7...1,8 г/л, гипофосфид натрия 1-10 кг/м3 марок «ХЧ» и «ЧДА», дисульфид молибдена 5-30 кг/м3. Режимы
нанесения: катодная плотность тока 25-45 А/дм2,катодно-анодный показатель 2-10, температура электролита 20.. ,40°С, кислотность рН 0,8.1,0.
Так как за основу был взят электролит для получения электролитического сплава, то получившиеся покрытия имеют слоистую структуру, что является па-губдным свойством. Исследования проведенные [1,9] показывают, что бы избавится от слоистости покрытия необходимо провести термообработку. В результате термообработки наблюдается образование фосфидов железа, что влечет за собой практически полное исчезновение слоистости и увеличения микротвердости покрытия до значений 10000-13000 МПа.
В своих исследованиях мы проводили отжиг при температуре 400 0С в течении 1 часа. Данной температуры достаточно для образования фосфидов, и не происходить структурных изменений с дисульфидом молибдена, он сохраняет свои свойства как твердая смазка.
Нами получены значения микротвердости покрытий в зависимости от концентрации в покрытии фосфора и дисульфида молибдена. Так как известно, что Мо82 не влияет на увеличение микротвердости, сначала исследовали образцы с различным содержанием фосфора. При этом концентрацию дисульфида молибдена в покрытии взяли равную 4%, которая достигается при концентрации в электролите 20 кг/м3 (при данных показателях покрытие не растрескивается и не отслаивается). Параллельно с исследованиями на микротвердость, были проведены эксперименты по определению износа. Результаты представлены на рисунке 1
После проведенных экспериментов, мы зафиксировали концентрацию гипофосфида натрия в электролите на оптимальном значении, и провели исследования на образцах с разной концентрацией дисульфида молибдена. Также, проводились исследования по определению износа Результаты исследований представлены на рисунке 2.
\
5,2
4,2
3,2
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
РезР,%
Рисунок 1 - Зависимости микротвердости и износа покрытия от концентраций фосфора железо-дисульфид молибдена после отжига при 400 0С в течение 1 часа
Как видно, наибольшая микротвердость покрытия наблюдается при концентрации фосфора равной 2,4%, и составляет 11000 Мпа. Это объясняется образованием фосфидов железа. При повышении концентрации фосфора наблюдается снижение микротвердости. В.Я. Гладченко [9] объясняет это тем, что в соответствии с диаграммой состояния фаз, предел растворимости фосфора в железе составляет до 3%. При более низкой
концентрации фосфора в покрытии термообработка не приводит ни к каким изменениям. При большем содержании, твердый раствор становится пересыщенным, образуются микротрещины, и в следствие микротвердость уменьшается.
ния и уменьшения износа. Результаты сравнительных исследований по износу покрытий представлены на рисунке 3.
1 2 3 4 5 6
МО52, %
Рисунок 2 - Зависимость микротвердости и износа покрытия железо-фосфор-дисульфид молибдена от концентрации в покрытии дисульфида молибдена после отжига при 400 0С в течение 1 часа
Наибольшая микротвердость покрытия, при оптимальной концентрации фосфора в покрытии 2,4% наблюдается при концентрации дисульфида молибдена 4%, и составляет также 11000 МПа. Как и ожидалось, при других концентрациях микротвердость изменилась незначительно. Но при этом наблюдалось уменьшение трещиноватости и слоистости покрытия. Г.В. Гурьянов объясняет это тем, что в процессе отжига часть дисульфида молибдена выдавливается более прочными фосфидами на поверхность, из-за чего и происходит зара-щивание трещин, и структура покрытия становится более стабильной [6].
Результаты экспериментов по определению микротвердости представлены в таблице 1.
Таблица зависимости молибдена в
1 - Значение микротвердости покрытия в от концентраций фосфора и дисульфида
Концентрация фосфо- Микротвердость, в зави- Микротвердость, в зави- Концентрация MoS2 в
ра в покры- симости от симости от покрытии,
тии, % концентрации фосфора, МПа концентрации дисульфида молибдена, МПа %
0 4600 4600 0
0,6 8000 7900 1
1,8 10000 10100 2
2,4 11000 11000 4
3 11000 10500 6
Также нами были проведены исследования по определению износа исследуемого КЭП Fe-P-MoS2 (результаты представлены на рисунке - 1 и рисунке - 2).
Как и следовало ожидать наименьший износ соответствует покрытию с наибольшей микротвердостью. Наименьший износ наблюдается в покрытии с концентрацией фосфора 2,4% и концентрации дисульфида молибдена 4% равен 1,2 10-6 кг. Это значение ниже чем износ покрытия Fe-MoS2, который составляет 2 10-6 кг, и значительно меньше чем износ чистого электролитического покрытия - 10 10-6кг. Также необходимо обратить внимание на то, что износ электролитического сплава железо-фосфор после термообработки, равный 1,5 10-6кг, также выше износа КЭП Fe-P-MoS2. Это подтверждает правильность выбора технологии упрочне-
Рисунок 3 - Сравнительная диаграмма износа покрытий
Для описания квадратичной зависимости микротвердости композиционного покрытия от двух факторов (концентрация фосфора и молибденита), был спланирован и проведен эксперимент по схеме центрального композиционного рототабельного плана. В результате была получена квадратичная модель:
Н=6808,59+3194,02P-1226,56P2+702,155P•MoS2-
-228, \26MoSi; где Н^ - микротвердость покрытия;
х] - концентрация фосфора в покрытии; х2 - концентрация дисульфида молибдена в покрытии.
Эта модель позволила установить сочетание факторов, при которых микротвердость максимальная. А именно: при х]=2,3% и х2=3,6% микротвердость составляет 10523,7 МПа. Также установлено, что наибольшее влияние на упрочнение покрытия оказывает концентрация фосфора.
Установлено, что расчетные значения микротвердости отличаются от экспериментальных незначительно, т.к. максимальная абсолютная ошибка составляет 550,0756, что означает возможность использования модели для определения микротвердости без дополнительного проведения эксперимента, для различных сочетаний факторов
Для описания квадратичной зависимости износа от двух факторов (концентрация фосфида и молибденита), был спланирован и проведен эксперимент по схеме центральный композиционного рототабельного плана. В результате была получена квадратичная модель:
U=6,97293-3,64122P+0,693965P2+0,0466574P•MoS2+ +0,0296183MoS22-0,341716•MoS2;
где и - микротвердость покрытия;
х] - концентрация фосфора в покрытии; х2 - концентрация дисульфида молибдена в покрытии.
Эта модель также позволила установить сочетание факторов, при которых износ минимальный. А именно: при х1=2,5% и х2=3,8% износ составляет 1,810-6 кг. Также установлено, что наибольшее влияние на износ покрытия оказывает концентрация дисульфида молибдена в покрытии.
Установлено, что расчетные значения износа отличаются от экспериментальных незначительно, т.к. максимальная абсолютная ошибка составляет 0,05, что означает возможность использования модели для опреде-
ления износа без дополнительного проведения эксперимента, при различных сочетаний факторов.
Выводы:
1. Разработана технология получения КЭП железо -фосфор-дисульфид молибдена. За основу взят электролит для осаждения сплава железо-фосфор и добавляется вещество второй фазы MoS2 марки ДМ-7.
2. Проведены исследования по определению микротвердости и износа покрытия после отжига при температуре 400 0С в течение 1 часа, при различных концентрациях фосфора и дисульфида молибдена в покрытии. Определены оптимальные значения концентраций: Р-2,4%, MoS2-4%. Наибольшее значение микротвердости составляет 11000 МПа. Наименьший износ - 1,2 10-6кг.
3. Для описания квадратичных зависимостей микротвердости и износа композиционного покрытия от двух факторов (концентрация фосфора и молибденита), был спланирован и проведен эксперимент по схеме центрального композиционного рототабельного плана. В результате были получены квадратичные модель, из анализа которых определено, что на микротвердость оказывает наибольшее влияние концентрация фосфора, а на износ - концентрация дисульфида молибдена. Модели адекватно описывают процессы, т.к. расчетные и экспериментальные данные расходятся в пределах абсолютной ошибки.
Список использованных источников
1 Серебровский В.И. Упрочнение деталей машин электроосажденным сплавом железо-фосфор // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2003. - № 9. - С.33 - 35.
2 Мелков М.П., Швецов А.Н., Мелкова И.М. Восстановление автомобильных деталей твердым железом. -М.:Транспорт, 1982. - 198 с.
3 Петров Ю.Н. Повышение износостойкости электролитических железных покрытий // Восстановление деталей электролитическим железом. - Кишинев: Штиинца, 1987. -С.3-13.
4 Кисель Ю.Е. Повышение износостойкости быстроизнашиваемых деталей сельскохозяйственной техники композиционными электрохимическими покрытиями на основе сплавов железа: дис. канд. техн. наук. - М., 2001. - 187 с.
5 Шишурин С.А. Способ восстановления автотракторных деталей композиционным гальваническим хромированием (на примере плунжерной пары топливного насоса высокого давления): дис. канд. техн. наук. - Саратов, 2006. -184 с.
6 Гурьянов Г.В. Электроосаждение износостойких композиций. - Кишинев: Штиинца, 1985. - 240 с.
7 Бородин И.Н. Упрочнение деталей композиционными покрытиями. - М.: Машиностроение, 1982. - 141 с.
8 Валеев И.М. Электротехнология композиционных электрохимических покрытий в нестационарных режимах и комплекс для восстановления деталей машин: дис. д-ра техн. наук. - Чебоксары, 2003. - 241 с.
9 Гладченко В.Я. Исследование физико-механических свойств железо-фосфорного сплава, полученного из хлорид-ных электролитов, применительно к восстановлению автотракторных деталей: дис. канд. техн. наук. - Харьков, 1972. -152 с.
Информация об авторах
Афанасьев Евгений Андреевич, заместитель директора МЦИТО ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА».
Серебровский Владимир Исаевич, доктор технических наук, профессор, проректор по учебной работе ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА».
so
