CC BY
40
12
Влияние высокочастотного электромагнитного поля на свойства хромовых покрытий
А. Г. Анисовича, В. В. Ажаронокс, В. Ф. Г ологань,
М. К. Бологаь, Л. В. Бисюка , Ж. И. Бобановаь, С. Х. Ивашкуь, Л. Е. Кратькос
aФизико-технический институт НАН Беларуси, ул. Купревича, 10, г. Минск, 220141, Республика Беларусь, ьИнститут прикладной физики АН Молдовы, ул. Академией, 5, MD-2028, г. Кишинев, Республика Молдова, e-mail: vsolosan@,mail. ru
cИнститут физики НАН Беларуси, пр. Независимости, 68, г. Минск, 220072, Республика Беларусь
Представлены результаты влияния высокочастотной магнитно-импульсной обработки гальванических хромовых покрытий на их структуру. Показано, что степень влияния магнитноимпульсного воздействия зависит от условий осаждения покрытий, благодаря которым происходит существенное изменение исходной структуры и микротвердости покрытий.
УДК 621.35+621.9.047
Электролитическое хромирование широко распространено в промышленности благодаря высокому сопротивлению износу и коррозион-ностойкости осадков. Обладая повышенной твердостью, осадки хрома являются хрупким материалом, и в процессе трения на их поверхности возникают микротрещины, по краям которых происходят сколы покрытия. Интенсивность процесса зависит от условий трения [1]. Такие материалы можно отнести к полухрупким, поскольку образование микротрещин сопровождается незначительной пластической деформацией при вдавливании индентора [2]. Покрытия упрочняются незначительно, и в случае достижения номинального наклепа мельчайшие частицы хрома отделяются с поверхности [3]. Поэтому основной эффект от применения поверхностно упрочняющих технологий, например алмазного выглаживания, обеспечивается главным образом за счет формирования благоприятной шероховатости поверхности [4]. Эти свойства осадков обусловлены мелкокристаллической структурой, наличием остаточных напряжений и высокой плотностью дислокаций. Свойства покрытий, формируемых при электролизе, могут быть изменены в результате магнитно-импульсного воздействия, которое оказывает существенное влияние на структуру и физико-механические характеристики материалов [5, 6].
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Для определения степени воздействия магнитно-импульсной обработки (МИО) образцов из стали Ст3 (диаметром 20 мм и высотой 10 мм) полированный торец покрывался в течение семи часов в универсальном электролите хромирования (CrO3 - 250 г/л, H2SO4 - 2,5 г/л, температура
электролита - 550С). Использовали однофазный с двухполупериодным выпрямлением и трехфазный источники питания мощностью 60 Вт, к ним подключалось последовательно в гальваническую цепь индуктивно-емкостное устройство (ИЕУ) (индуктивность L - 6,3 Гн, емкость С -17600 мкФ), параметры которого выбраны на основе предварительных исследований. Покрытия осаждали при плотностях тока 55 и 85 А/дм2. Высокочастотную магнитно-импульсную обработку проводили на экспериментальной установке Института физики НАН Беларуси в модулированном по амплитуде синусоидальном электромагнитном поле с частотой f = 5,28 МГц, амплитудные значения напряженностей магнитной и электрической составляющих поля достигали 17960 В/м и 835 А/м соответственно. Обработку проводили при двух импульсах (условия выбраны по результатам предварительных исследований) согласно циклограмме [7]. Образец размещали в рабочей зоне индуктора покрытием вверх. Морфологию и структуру покрытий изучали на металлографическом микроскопе МИК-РО-200, электронной модели TESCAN, а также рентгеновских установках PDF-2 и DRON-3. Для определения микротвердости применяли микротвердомер ПМТ-3.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Изучение морфологии покрытий, осажденных при использовании однофазного источника питания при плотности тока 55 А/дм2 (I = = 1,65 А), показало, что на поверхности покрытия формируются сфероидальные агрегаты, количество которых при подключении ИЕУ увеличивается, что свидетельствует о возрастании количества центров кристаллизации, с преоблада-
© Анисович А.Г., Ажаронок В.В., Гологан В.Ф., Болога М.К., Бисюк Л.В., Бобанова Ж.И., Ивашку С.Х., Кратько Л.Е., Электронная обработка материалов, 2013, 49(2), 12-17.
13
HV: 20.0JtV DAT£: D7/0liMD ittpiri VegaCTMcan
UTM
(в)
Рис. 1. Влияние условий осаждения на морфологию хромовых покрытий (однофазный источник питания): (a) - без ИЕУ, ik- 5,5 кА/м2 (обр. 1); (б) - с ИЕУ, ik- 5,5 кА/м2 (обр. 3); (в) - с ИЕУ, ik - 8,5 кА/м2 (обр. 4, табл. 1).
(в) (г)
Рис. 2. Морфология осадков хрома (трехфазный источник питания): (a) - ik - 5,5 кА/м2 (обр. 5); (б) (в) - с ИЕУ, ik - 5,5 кА/м2 (обр. 7); г - с ИЕУ, ik - 8,5 кА/м2 (обр. 8).
ik - 8,5 кА/м2 (обр. 6);
14
Таблица 1. Влияние условий осаждения и МИО на микротвердость покрытий
№ Образца Условия электролиза Микротвердость, МПа
Однофазный источник питания Трехфазный источник питания После МИО
1 ik 5,5 кА/м2 5320 4300
2 ik 5,5 кА/м2 4л 400С 4300 4650
3 ik 5,5 кА/м2, ИЕУ 6270 3900
4 ik 8,5 кА/м2, ИЕУ 4660 3100
5 ik 5,5 кА/м2 6330 6200
6 ik 8,5 кА/м2 7120 6700
7 ik 5,5 кА/м2, ИЕУ 9200 7300
8 ik 8,5 кА/м2, ИЕУ 8770 7000
1
3
2
4
Рис. 3. Влияние МИО на границу раздела композиции сталь-покрытие: 1 - исходное состояние (обр. 2); 2, 3 - после МИО (обр. 2); 4 - после МИО (обр. 4).
(а) (б)
Рис. 4. Структура осадков хрома (обр. 4, х312): (а) - исходное состояние; (б) - после МИО.
15
Таблица 2. Остаточные напряжения в покрытиях
№ образца Остаточные напряжения, МПа
Исходные значения После МИО
По линии {200} По линии {211} По линии {200} По линии {211}
5 1270,5 534,7 1270,5 -675,9
6 1546,7 -675,9 1546,7 -272,4
7 2375,3 -1079,5 1270,5 131,1
8 718,1 -272,4 1546,7 -474,1
Таблица 3. Размеры высоты линий
№ (110) Н, мм (200) Н, мм (211) Н, мм
образца Исход. сост. После МИО Исход. сост. После МИО Исход. сост. После МИО
5 - - 26 26 10 7
6 7,7 - 32 27 23 18
7 7,7 - 38 30 24 23
8 5,0 4 33 32 29 21
Рис. 5. Распределение хрома на границе подложка-покрытие в исходном состоянии (а), после МИО (б). Таблица 4. Содержание элементов в стали на расстоянии 10 мкм от зоны раздела основа-покрытие
Элементы Массовые % в исходном состоянии Массовые % после МИО
Cr 20,0 2,11
Fe 75,27 97,89
Таблица 5. Параметры решетки
№ образца Исходные значения После МИО
Параметры решетки Объем элементарной ячейки Параметры решетки Объем элементарной ячейки
По линии (200)
5 2,8802 23,892 2,8802 23,892
6 2,8786 23,8525 2,8786 23,8525
7 2,8786 23,8525 2,8802 23,892
8 2,8786 23,8525 2,8794 23,8722
По линии (211)
5 2,8825 23,9506 2,886 24,0377
6 - - 2,8848 24,0086
7 2,886 24,0377 - -
8 2,8831 23,9651 2,8854 24,0232
нием меньших размеров агрегатов (поверхность менее шероховатая). У покрытий, осажденных при ik = 85 А/дм2 (I = 2,58 А) с ИЕУ, формируются более четкие агрегаты со скругленными гранями (рис. 1).
При осаждении покрытий с использованием трехфазного источника тока морфология осадков существенно отличалась от вышерассмотренных
(рис. 2). Более однородное формирование покрытия установлено при плотности тока 55 А/дм2 с ИЕУ (рис. 2в). Наименьшие размеры агрегатов наблюдались на поверхности покрытий, осажденных при 85 А/дм2 с ИЕУ (рис. 2г). У покрытий, полученных при ik-5,5 кА/м2 без ИЕУ, образуются микротрещины между отдельными полосами осаждения хрома (рис. 2а).
16
Выбранные условия электролиза оказали существенное влияние на микротвердость покрытий (табл. 1). Большей микротвердостью обладают покрытия, полученные с использованием трехфазного источника питания, что, видимо, связано с величинами пульсаций после выпрямления и амплитудно-частотными характеристиками переменных составляющих тока [8].
В результате МИО поверхность покрытий, видимая в растровом электронном микроскопе, не претерпела существенных изменений. Измерение микротвердости в середине образца показало, что только у покрытий с наименьшей исходной твердостью (Нц = 4300 МПа) произошло их упрочнение (Нц = 4650 МПа), у остальных она уменьшалась. Наибольшее влияние МИО оказывает на покрытия, которые в исходном состоянии обладали большей микротвердостью (обр. 3, 7, 8, табл. 1), что, возможно, вызвано отрывом дислокаций от точек их закрепления, и это сказалось на пластических свойствах осадков хрома [9].
Изучение структуры поперечных шлифов показало, что после МИО поверхность пограничной зоны из-за низкой твердости стали Ст3 деформировалась неравномерно, что приводило к образованию трещин в покрытии, выдавливанию подложки в образовавшиеся трещины, а также вдавливанию покрытия в основу (рис. 3). Для устранения деформаций основа должна обладать большей твердостью, так как деформационные изменения в зоне раздела покрытие-основа оказывают существенное влияние на циклическую прочность композиции [10].
Существенно изменяется структура покрытия после МИО (рис. 4). В исходном состоянии покрытия обладали большим количеством микротрещин и других дефектов (рис. 4а), а после обработки образуются поры, которые свидетельствуют о значительной пластической деформации покрытия. Возникновения пор можно избежать подбором условий МИО. С учетом полученных результатов влияния МИО на структуру осадков стало целесообразным определение напряженного состояния покрытий.
Макронапряжения определяли по формуле [11]:
E
G = E ctg0A0,
4
где Е и ц - модуль Юнга и коэффициент Пуассона; 0 - положение максимума линии (град.); A0 - смещение максимума относительно эталона (град.). В нашем случае Е = 250000 МПа; ц = 0,25, положение линии на эталонном спектре (град.) - 64,578 (справочные данные) [11]; излучение - меди.
Оказалось, что остаточные напряжения существенно изменяются в зависимости от условий осаждения и МИО (табл. 2). Значительное отличие наблюдается по линиям {200} и {211}, что может быть связано с текстурой покрытий [12].
Фазовый анализ показал, что при осаждении получена aCr фаза, которая сохранилась и после МИО. Однако дифрактограммы заметно отличаются у покрытий, полученных при выбранных условиях электролиза: высота линий (110), (200), (211) изменяется, а в отдельных образцах отсутствует линия (110) (табл. 3). Микрохиманализ покрытий свидетельствует о присутствии в покрытии кислорода, что, видимо, вызвано включением в осадок окиси хрома Cr2O3 из коллоидной пленки [13]. В зоне раздела установлено изменение концентрации хрома в стали Ст3 в результате диффузии в сталь (рис. 5). На глубине 10 мкм МИО способствует значительному уменьшению количества хрома (табл. 4).
В результате определения параметров решетки и объема элементарной ячейки установлено, что условия электролиза и МИО не оказывают существенного влияния на их значения (табл. 5).
Таким образом, установлено, что при выбранных условиях экспериментов магнитноимпульсная обработка заметно влияет на структуру, микротвердость и остаточные напряжения покрытий. Благодаря эффекту электропластичности в процессе воздействия МИО происходит деформация покрытия, которая вызывает ликвидацию микротрещин и других микродефектов, а также формирование пористого покрытия. При МИО мягкая подложка претерпевает изменения в зоне раздела основа-покрытие. В основе, вблизи границы раздела, также изменяется концентрация хрома, продиффундировавшего при электролизе.
Об изменении структуры покрытия свидетельствует и фазовый анализ осадков. Однако влияние МИО на параметры решетки не установлено. Выполненные исследования свидетельствуют, что магнитно-импульсная обработка влияет в основном на факторы, которые играют роль при пластической деформации покрытия и связаны с формированием осадка при электролизе. В зависимости от исходной микротвердости после МИО она может увеличиваться или уменьшаться. Поэтому варьированием условиями электролиза и МИО можно обеспечить формирование новой структуры и физико-механи-ч е с ких свойств осадков, существенно отличающихся от свойств исходных покрытий.
Исследования профинансированы по гранту в рамках Программы сотрудничества «БРФФИ-АНМ».
17
ЛИТЕРАТУРА
1. Gologan V.F., Eyre T.S. Friction and Wear of Some Engineering Materials Against Hard Chromium Plating. Wear. 1974, 28(1), 107-114.
2. Гологан В.Ф. Влияние условий электролиза на физико-механические свойства твердых износостойких покрытий. Электронная обработка материалов. 1982, (5), 37-40.
3. Гаркунов Д.Н. Старосельский А.А. Свойства электролитического хрома и области его применения. Твердые износостойкие электролитические покрытия в машиностроении и при ремонтных работах. М.: МДНТП, 1966. Т.1, 13-16.
4. Хворостухин Л.А., Машков В.Д., Торбачев В.А., Ильин Н.Н. Обработка металлопокрытий выглаживанием. М.: Машиностроение, 1980. 64 с.
5. Спицин В.И., Троицкий О.А. Электропластическая деформация металлов. М.: Наука, 1985. 159 с.
6. Анисович А.Г. Закономерности процессов структурообразования и термодинамический аспект организации структуры металлов нестационарного энергетического воздействия. Автореферат дисс. докт. физ.-мат. наук. Минск, 2005. 32 с.
7. Анисович А.Г., Румянцева И.Н., Марукович Е.И., Ажаронок В.В., Гончарук С.В. Изменение структуры чугуна С4-35 в модульном по амплитуде высокочастотном магнитном поле. Электронная обработка материалов. 2009, 45(2), 7-36.
8. Gologan V.F., Bobanova Zh.I., Bukar’ S.V., Ivashku
S.V., Unguryanu V.N. The Use of Induction-capacitance Devices in Electrotechnical Processes. Surf. Eng. Applied Electrochem. 2011, 47(3), 284-289.
9. Загуляев Д.В., Коновалов С.В., Громов В.Е. Изменение микротвердости технически чистого алюминия А85 в импульсном магнитном поле. Вестник Челябинского государственного университета. 2010, 12(7), 21-22.
10. Гологан В.Ф., Ейре Т.С., Дутта К.К. Особенности влияния гальванических покрытий железа и сплава железо-никель на прочность стали 45 при статических и циклических нагружениях. Электронная обработка материалов. 1981, (3), 33-37.
11. Горелик С.С. и др. Рентгеноструктурный и электронно-оптический анализ. М.: Металлургия, 1977. 584 с.
12. Кочергин С.М., Леонтьев А.В. Образование текстуры при электрокристаллизации металлов. М.: Металлургия, 1973. 184 с.
13. Шлугер М.А., Тока Л.Д. Гальванические покрытия в машиностроении. Справочник. Т.1. М.: Ma-шиностроение, 1985. 240 с.
Поступила 19.03.12
Summary
The results of the effect of high-frequency magnetic-pulse treatment of galvanic chromium coatings on their structure are presented. It is shown that the degree of the influence of magnetic-pulse action depends on the conditions of deposition of coatings: a substantial change in the initial structure and microhardness of the coatings occur.
