Влияние индуктивно-емкостного устройства на структуру и износостойкость электролитических покрытий хрома Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ

В.Ф. Гологан, Ж.И. Бобанова, С.Х. Ивашку

ВЛИЯНИЕ ИНДУКТИВНО-ЕМКОСТНОГО УСТРОЙСТВА НА СТРУКТУРУ И ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИХ

ПОКРЫТИЙ ХРОМА

Институт прикладной физики Академии наук Республики Молдова, ул. Академией, 5, г. Кишинев, МБ-2028, Республика Молдова, [email protected]

Во многих работах показано, что условия электролиза в основном определяют кинетические особенности электрокристаллизации, а следовательно, и свойства гальванических покрытий [1, 2].

Ранее установлено, что изменение параметров индуктивно-емкостного устройства (индуктивность и емкость), подключенного последовательно к источнику питания, приводит к изменению в широких пределах (200 мВ) потенциала катода в процессе осаждения хрома. При наибольшем сдвиге потенциала катода в положительную область увеличивался выход по току, уменьшались шероховатость и неравномерность толщины покрытия [3].

Цель настоящей работы - исследование влияния параметров индуктивно-емкостного устройства (ИЕУ) на структуру и износостойкость хромовых покрытий и определение оптимальных условий электролиза.

Методика проведения исследований

Условия осаждения покрытий были выбраны с учетом результатов, полученных в [3]. Покрытия наносили на образцы в универсальном электролите хромирования следующего состава, г/л: хромовой ангидрид - 250; серная кислота - 2,5, при температуре раствора 4л = 55° С и катодной плотности тока 5,5-12,0 кА/м2.

Источником питания служил 3-фазный выпрямитель модели ВСЖ-303.

К источнику питания подключалось индуктивно-емкостное устройство, в котором индуктивность (L) изменялась в пределах 0,027-0,456 мГн, а емкость C составляла 0,024 Ф. Регулирование тока в цепи осуществлялось резистор-балластом модели РБ-302У2.

Для изучения морфологии, структуры и поверхности трения покрытий использовали оптические (NEOPHOT-2, ММ-6) и электронно-сканирующие (Stereoscan-150, Tesla BS-3 40) микроскопы. Микротвердость осадков определяли микротвердомером модели ПМТ-3 согласно ГОСТу 9450-76 при нагрузке на индентор 100 гс.

Шероховатость поверхности определялась профилометром-профилографом Form Talysurf In-tra Series 50 фирмы Taylor Hobson.

Методика испытания на трение и износ была выбрана с учетом результатов ранее выполненных исследований [4]. Опыты проводились на машине трения СМЦ-2 при скорости скольжения v = 0,785 м/с и давлении P = 0,198 ГПа в условиях сухого трения. Испытаниям подвергались покрытия на круглых образцах (диаметр ролика 50 мм), которые после шлифования обладали толщиной 0,32-0,35 мм и шероховатостью Ra = 0,32-0,16 мкм. В качестве контртела применялся чугун СЧ 24-44 с площадью контакта 1 см2. Температуру вблизи зоны трения измеряли при помощи термопары и самопишущего милливольтметра модели КСП-4, а величину момента трения регистрировали компенсационным самописцем модели ЛКС-4-003.

Результаты и их обсуждение

Исследования показали, что параметры ИЕУ оказывают существенное влияние на морфологию электролитических покрытий хрома.

У покрытий, полученных при стандартных условиях электролиза без подключения устройства при оптимальном режиме (/k = 5,5 кА/м2), на поверхности образовывались кристаллические агрегаты

© Гологан В.Ф., Бобанова Ж.И., Ивашку С.Х., Электронная обработка материалов, 2008, № 5, С. 15-21.

15

различной конфигурации и размеров, имевшие беспорядочное расположение и четко выраженные границы. Эти агрегаты состоят из более мелких элементов, которые также отличаются по своим размерам и конфигурации. В отдельных случаях наблюдаются агрегаты сфероидального вида (рис. 1,а).

Подключение ИЕУ с параметрами, сдвигающими потенциал катода в более отрицательную область по сравнению с его значением при осаждении без ИЕУ, приводит к появлению отдельных кристаллических образований более крупных размеров при одновременном измельчении остальных агрегатов (рис. 1,6, в).

В случае осаждения при оптимальных значениях индуктивности и емкости ИЕУ (Z0n = 0,119 мГн, Соп = 0,024 Ф) [3] происходит формирование более однородной и гладкой поверхности из-за отсутствия крупных кристаллических агрегатов. Кроме того, увеличивается количество более мелких составляющих, обеспечивающих срастание границ более крупных кристаллов (рис. 1,г).

При осаждении хрома в обычном режиме при плотности тока 8,5 кА/м2 на поверхности покрытия наблюдаются агрегаты различных размеров, многие из которых сфероидального типа (рис. 1,ô). По сравнению с покрытиями, полученными при 5,5 кА/м2 без подключения контура, рассматриваемая поверхность менее однородна, пространство между более крупными образованиями заполняется мелкими агрегатами, что приводит к увеличению количества макродефектов.

Подключение ИЕУ с оптимальными параметрами (Ьоп = 0,119 мГн, Соп = 0,024 Ф) обеспечивает получение гладкой и однородной поверхности покрытия при той же плотности тока (рис. 1,е). При тщательном рассмотрении видно, что на поверхности образуются активные центры, вокруг которых происходит разрастание покрытия, однако эти центры возвышаются незначительно и не приводят к образованию границ при их сопряжении.

Увеличение плотности тока (ik = 10,0-12,0 кА/м2) при тех же параметрах ИЕУ приводит к формированию более грубой поверхности по сравнению с предыдущей (рис. 1,ж, з). На поверхности образуются активные центры, которые в отличие от предыдущего случая (рис. 1,е) разрастаются до больших размеров, и их сопряжение обеспечивается образованием более мелких агрегатов различной ориентации (рис. 1,з), или же в местах сопряжения образуются четкие границы (рис. 1,ж).

Измерения шероховатости поверхности покрытий показали, что осадки, полученные с подключенным ИЕУ, более гладкие и сохраняли блеск до плотности тока 12,0 кА/м2 (табл. 1). Шероховатость поверхности покрытий, полученных в обычных условиях при плотности тока 5,5 кА/м2, была более высокой, чем у покрытий, осажденных с ИЕУ при оптимальных параметрах, то есть при плотностях тока 5,5-12,0 кА/м2.

Более шероховатыми оказались покрытия, полученные при ik = 5,5 кА/м2, с параметрами контура Ьоп = 0,456 мГн, Соп = 0,024 Ф (Ra = 0,86 мкм, Rz = 3,94 мкм). Однако наибольшая шероховатость обнаружена у покрытий, осажденных при ik = 8,5 кА/м2 без подключения устройства (Ra = 2,6 мкм, Rz = 8,68 мкм).

Наименьшей шероховатостью обладала поверхность покрытия, полученного при ik = 8,5 кА/м2, с подключением ИЕУ и оптимальными параметрами (Ra = 0,12мкм, Rz = 0,8 мкм).

Вышеописанные результаты оценки шероховатости поверхности хромовых покрытий хорошо согласуются с их морфологией (рис. 1,г).

Результаты исследования структуры покрытий на торцевом сечении также свидетельствуют о существенном влиянии параметров ИЕУ на процесс осаждения электролитического хрома (рис. 2).

Покрытия, осажденные без устройства при 5,5 и 8,5 кА/м2 , состояли из агрегатов различных размеров (рис. 2,а,б). При сопряжении крупных блоков (~ 5-10 мкм) во многих случаях образуются микродефекты в виде микротрещин и пор. Их количество уменьшалось при образовании на границах более мелких агрегатов, которые обеспечивают сплошность покрытия. Поэтому шероховатость поверхности шлифов, видимо, обусловлена тем, что при полировании образцов сами агрегаты не разрушались, а разделялись по своим границам. Как видно на представленных снимках, увеличение плотности тока (ik = 8,5 кА/м2) не привело к значительным изменениям в структуре осадка хрома.

Покрытия, полученные с применением ИЕУ при оптимальных значениях (£оп, Соп), также существенно отличались по своей структуре от вышеуказанных. Кристаллические агрегаты имеют вытянутую форму (рис. 2,б, г), расположены перпендикулярно к подложке, незначительно отличаясь по своим размерам (2-5 мкм в поперечном сечении). Благодаря уменьшению размеров кристаллических образований и их форме облегчается сопряжение агрегатов друг с другом. Как и в предыдущем случае, прочность самих элементов структуры более высокая, чем силы связи по их границам.

16

Покрытия, осажденные при ik = 8,5 кА/м2 (рис. 2,г), по сравнению с осадками, полученными при ik = 5,5 кА/м2 (рис. 2,6), являются более мелкодисперсными с идентичными размерами агрегатов, что и отразилось на формировании их морфологии и шероховатости поверхности (рис. 1,е, табл. 1), и, видимо, это стало возможным благодаря более равномерному распределению тока по покрываемой поверхности.

а

б

в

г

д

е

ж з

Рис. 1. Влияние условий осаждения покрытий на их морфологию (х500), C = 0,024 Ф: а - iK = 5,5 кА/м2, без устройства; б - iK = 5,5 кА/м2, с устройством (L=0,456 мГн); в - то же (L = 0,027мГн); г - то же (L = 0,199мГн); д - iK = 8,5 кА/м2, без устройства; е - iK = 8,5 кА/м2, с устройством (L = 0,199 мГн); ж - то же, iK = 10,0 кА/м2; з - то же, iK = 12,0 кА/м2

17

а

б

в г

Рис. 2. Влияние условий осаждения на структуру покрытий, C = 0,024 Ф: а - iK = 5,5 kA/м2, без устройства; б - iK= 5,5 кА/м2, с устройством (L = 0,199 мГн); в - iK= 8,5 кА/м2, без устройства;

г - iK = 8,5 кА/м2, с устройством (L = 0,199 мГн)

Таблица 1. Влияние параметров индуктивно-емкостного устройства на шероховатость покрытий

Условия осаждения Ra, мкм Rz, мкм

ik = 5,5 kA/м2 0,76 3,8

ik = 8,5 kA/м2 2,6 8,68

С подключением ИЕУ

(L = 0,456 мГн, С = 0,024 Ф): ik = 5,5 kA/м2 0,86 3,94

С подключением ИЕУ (L = 0,119 мГн, С = 0,024 Ф): 0,51 2,5

ik = 5,5 kA/м2 0,12 1,1

ik = 8,5 kA/м2 0,628 3,16

ik = 10,0 kA/м2 ik = 12,0 kA/м2 0,66 3,8

Изменение структуры хромовых покрытий при использовании ИЕУ оказало влияние и на их микротвердость (табл. 2).

У покрытий, осажденных при i k = 5,5 к A/м2, микротвердость возрастала с 9,3 до 10,5 ГПа при использования контура. Наибольшей твердостью обладали покрытия, полученные при ik = 8,5 кА/м2 с ИЕУ (H = 11,3 ГПа), и при дальнейшем повышении плотности тока Иц уменьшалась и при ik = 12,0 кА/м2 составила 9,6 ГПа.

18

Таблица 2. Влияние параметров индуктивно-емкостного устройства на микротвердость покрытий

Условия осаждения H ц 100 , ГПа

ik = 5,5 кА/м2 9,3

С подключением ИЕУ

(L = 0,119 мГн, С = 0,024 Ф):

ik = 5,5 кА/м2 10,5

ik = 8,5 кА/м2 11,3

ik = 10,0 kA/м2 10,7

ik = 12,0 kA/м2 9,6

Проведенные испытания на трение и износ показали, что при выбранных условиях опыта пара трения в основном прирабатывалась в течение ~ 20 минут и при увеличении времени испытания момент трения и температура в зоне трения уменьшались незначительно (рис. 3).

Периодическое взвешивание роликов показало, что их износ незначительно изменялся при переустановке образца, а скорость износа сохранялась практически постоянной при увеличении времени испытания.

В результате выполненных исследований установлено (табл. 3), что после 144 часов испытаний покрытия, осажденные с использованием ИЕУ, изнашивались меньше, чем полученные без такого контура при оптимальных условиях электролиза (ik = 5,5 кА/м2, 4л = 55° С ). Более износостойкими оказались осадки, полученные при плотностях тока 8,5-10,0 кА/м2.

Рис. 3. Влияние условий осаждения на момент трения (1 - 3), коэффициент трения (1'- 3') и температуру вблизи зоны трения (1" - 3’’): 1 - 1к = 5,5 кА/м2, без устройства; 2 - 1к = 5,5 кА/м2, с устройством (Соп Ьог); 3 - iK = 8,5 кА/м2, с устройством (Соп, Ьоп)

Определение величины износа контртела также показало, что оно меньше изнашивалось при трении с более износостойкими покрытиями.

Аналогичным образом изменялись коэффициент трения f и температура вблизи поверхности трения (табл. 3).

Изучение поверхности трения показало, что ее разрушение вызвано накоплением дефектов в поверхностном слое, которое в дальнейшем приводило к образованию продуктов износа. Глубина поражения поверхности, видимо, связана с размерами структурных элементов покрытия: более грубая поверхность трения наблюдалась у покрытий, полученных при ik = 5,5 кА/м2 без ИЕУ и ik = 12,0 кА/м2 с ИЕУ, и менее глубокие разрушения замечены на изношенных поверхностях покрытий, осажденных при ik = 8,5-10,0 кА/м2 с ИЕУ (рис. 4).

19

Таблица^ 3. Износ покрытий

Условия осаждения Износ покрытия, мг Износ чугуна, мг Коэффи- циент трения f Температура в зоне контакта t, °C

ik = 5,5 kA/м2 63,2 1391,9 0,42 62

С подключением ИЕУ

(L = 0,119 мГн, С = 0,024 Ф):

ik = 5,5 kA/м2 49,96 1085,3 0,38 58

ik = 8,5 kA/м2 27,2 725,6 0,31 52

ik = 10,0 kA/м2 33,8 991,7 0,33 55

ik = 12,0 kA/м2 46,6 1032,5 0,37 57

а

в

б

г

Рис. 4. Влияние условий осаждения на износ покрытий, C = 0,024 Ф: а - iK = 5,5 kA/м2, без устройства; б - iK= 5,5 кА/м2, с устройством (L = 0,199 мГн); в - то же, it, = 8,5 кА/м2; г - то же,

iK = 10,0 kA/м2

Приведенные данные также подтверждаются результатами измерения шероховатости этих поверхностей (табл. 4). Наименьшей шероховатостью обладали покрытия, полученные при 8,5 кА/м2 с ИЕУ (Ra = 0,09 мкм, Rz = 0,6 мкм).

Для испытания покрытий в производственных условиях были нанесены хромовые покрытия на изнашивающиеся поверхности вала шестеренчатого насоса ТВ-11-25А, установленного для приготовления эмульсии из отходов производства подсолнечного масла, содержащей до 3% клетчатки. Насос работал до полной потери работоспособности. В результате выполненных исследований установлено, что покрытия, полученные при 5,5 кА/м2 в обычном режиме, изнашивались в 1,5 раза больше, чем покрытия, осажденные при этой же плотности тока и с подключением ИЕУ, и быстрее в два раза по сравнению с покрытиями, полученными при 8,5 кА/м2 с ИЕУ (рис. 5).

Таким образом, выполненные исследования показали, что параметры индуктивно-емкостного устройства оказывают существенное влияние на структуру и износостойкость электролитического хрома. Несмотря на то что при оптимальных параметрах устройства потенциал катода сдвигался в более положительную область, структура покрытий формировалась из более мелких кристаллических

20

агрегатов, что, возможно, связано с особенностью распределения тока на поверхности, которая, видимо, приводит к образованию большего количество зародышей, и они не разрастаются до больших размеров. Аналогичные результаты были получены и при осаждения с ИЕУ медных и никелевых покрытий [5, 6].

Таблица 4. Влияние индуктивно-емкостного устройства на шероховатость изношенных поверхностей покрытий ___________________________________________

Условия осаждения Ra, мкм Rz, мкм

ik = 5,5 kA/м2 0,69 3,6

С подключением ИЕУ

(L = 0,119 мГн, С = 0,024 Ф):

ik = 5,5 kA/м2 0,47 2,2

ik = 8,5 kA/м2 0,09 0,6

ik = 10,0 kA/м2 0,57 3,2

ik = 12,0 kA/м2 0,67 3,8

Продолжительность работы насоса, ч 600 -----------------

400

200

0 1 2 3

Рис. 5. Результаты производственных испытаний покрытий, полученных при условиях электролиза: 1 - в обычном режиме, ik = 5,5 kA/м2; 2 - с ИЕУ, ik = 5,5 kA/м2; 3 - то же, ik = 8,5 kA/м2

Формообразование однородной структуры покрытия, полученной с применением индуктивно-емкостного устройства, приводит к повышению износостойкости электролитического хрома.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ваграмян А.Т., Жемагорцянц М. Электроосаждение металлов и ингибирующая адсорбция. M.: Наука, 1969. 197 с.

2. Поветкин В., Ковенский И. Структура электролитических покрытий. М.: Металлургия, 1989. 136 с.

3. Гологан В.Ф., Бобанова Ж.И., Ивашку С.Х. Особенности процесса хромирования при использовании индуктивно-емкостного устройства // Электронная обработка материалов. 2008. № 4. С. 9-16.

4. Гологан В.Ф., Аждер В.В., Жавгуряну В.Н. Повышение долговечности деталей машин износостойкими покрытиями. Кишинев: Штиинца, 1979. 111 с.

5. Гологан В.Ф., Бобанова Ж.И., Ивашку С.Х., Попов В.А., Мазур В.А. Особенности процесса гальванических покрытий в случае применения однофазного источника питания со встроенным индуктивно-емкостным устройством // Электронная обработка материалов. 2007. № 2. С. 12-16.

6. Гологан В.Ф., Бобанова Ж.И., Ивашку С.Х., Мазур В.А., Пушкашу Б.М. Особенности влияния параметров индуктивно-емкостного устройства на процесс никелирования // Электронная обработка материалов. № 5. 2007. С. 4-8.

Summary

Поступила 26.02.08

The experimental data received at various parameters of the inductance-capacitor device are presented by variation inductance L and capacity C under other identical conditions of electrolysis. It is possible to make essential impact on morphology, structure and wear resistance of plated chromium.

21