Разработка электроосажденных железо-титановых сплавов и их термическая обработка для восстановления и упрочнения деталей машин

На правах рукописи

Барабаш Михаил Анатольевич

Разработка электроосажденных железо-титановых сплавов и их термическая обработка для восстановления и упрочнения деталей машин

05.16.01 – металловедение и термическая

обработка металлов и сплавов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Курск – 2010

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Курская государственная сельскохозяйственная академия им. проф. И.И. Иванова»

Научный руководитель:	доктор технических наук, профессор Серебровский Владимир Исаевич
Официальные оппоненты:	доктор технических наук, профессор Борсяков Анатолий Сергеевич
	кандидат технических наук, доцент Сафронов Руслан Игоревич
Ведущая организация:	Орловский государственный технический университет

Защита состоится «1» апреля 2010 года в 1200 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.105.01 при Курском государственном техническом университете по адресу: 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Курского государственного технического университета.

Автореферат разослан « » февраля 2010 г.

Ученый секретарь совета

по защите докторских и

кандидатских диссертаций Лушников Б.В.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Повышение эксплуатационной надежности и улучшение функциональных возможностей машин в условиях их эксплуатации является важнейшей проблемой современного машиностроения. Одним из основных путей решения этой проблемы является использование для изготовления деталей высокопрочных износостойких материалов и покрытий, хорошо сопротивляющихся вредным внешним воздействиям. Не менее острой является проблема обеспечения техники запасными частями для поддержания их работоспособности.

Большие возможности повышения долговечности деталей, в том числе и восстановленных запасных частей открывают технологии нанесения на их поверхности упрочняющих покрытий, в том числе получаемых методами электроосаждения.

В настоящее время предприятия широко используют способ нанесения на стальные поверхности твердого электролитического железа. Простота способа, недефицитность применяемых материалов и экономичность обусловили его распространение во многих отраслях, а главным образом, в ремонтном производстве. Однако чистое электролитическое железо во многих случаях по прочности и износостойкости не отвечает требованиям, предъявляемым к высоконагруженным деталям современных машин.

Поэтому повышение физико-механических и эксплуатационных свойств электроосажденного железа, которое в настоящей работе предполагается реализовать путем легирования его в процессе осаждения титаном, является весьма актуальным.

Исследования проводились в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ Курской ГСХА (тема 11, номер государственной регистрации 01.9.20.006.402) и координационным планом научно-технических программ Центрально-Черноземного района.

Цель работы. Научное обоснование и разработка электролитических железо-титановых сплавов и технологии их нанесения на поверхности стальных деталей для их восстановления и упрочнения и, в конечном счете, для повышения надежности машин и оборудования.

Для реализации названной цели в работе были поставлены следующие задачи:

- проанализировать условия и особенности электроосаждения двухкомпонентных гальванических сплавов на основе железа и, на этой базе, наметить направления и методы исследования;

- изучить влияние условий электроосаждения железных покрытий с различным содержанием титана, выявить закономерности влияния состава электролита и режимов электролиза на состав и структуру электроосажденных железо-титановых сплавов;

- исследовать физико-механические и эксплуатационные свойства железо-титановых сплавов в зависимости от режимов их электроосаждения;

- установить закономерности влияния структуры и фазового состава железо-титановых сплавов в исходном состоянии и после термической обработки на усталостную прочность, оналиностойкость и износостойкость сплавов;

- разработать технологию нанесения железо-титановых покрытий на поверхности деталей для их восстановления и упрочнения и определить технико-экономическую эффективность восстановления деталей электроосажденными железо-титановыми сплавами.

Научная новизна:

1. Получены новые данные о кинетике и механизме формирования гальванических осадков из электролита на основе солей железа и щавелевокислого титана (ранее не исследованного состава) с использованием периодического электролизного тока.

2. Установлены закономерности влияния структуры и фазового состава электроосажденных железо-титановых сплавов на их механические и эксплуатационные свойства (микротвердость, прочность сцепления с основой, внутренние напряжения, износостойкость и коррозионную стойкость).

3. Определены закономерности влияния отжига на фазовый состав железо-титановых электролитических осадков и показан механизм упрочняющего действия высокодисперсных включений интерметаллидов титаната железа.

4. Установлены закономерности формирования структуры электроосажденных железо-титановых покрытий при оптимизации режимов технологических операций их нанесения для повышения надежности восстанавливаемых и вновь выпускаемых деталей.

Объект исследования. Объектом исследования являлись электроосажденные сплавы системы железо-титан, с различным содержанием титана.

Методы исследования: химический, микроскопический, количественный микроструктурный, фазовый рентгеноструктурный; измерение внутренних напряжений, определение прочности сцепления покрытий с основой, измерение твердости (HRC и HV) и микротвердости, испытания на разгаростойкость и износостойкость, математическое планирование экспериментов.

Достоверность результатов, основных положений и выводов основана на использовании стандартных методик экспериментальных исследований и современного исследовательского металлофизического оборудования, согласованностью выводов теоретического анализа с экспериментальными результатами, а также непротиворечием полученных результатов работам других исследователей. Достоверность выводов диссертационной работы подтверждается также объективными данными наблюдений, полученными в условиях производственной эксплуатации деталей с железо-титановыми покрытиями.

Практическая значимость исследования состоит в разработке научно-обоснованных технологических рекомендаций по восстановлению и поверхностному упрочнению деталей электроосажденными железо-титановыми покрытиями, позволяющими заметно повысить их износостойкость. Производственные испытания показали, что детали автомобилей, восстановленные разработанным в диссертации методом имеют в 1,4…2,5 раза большую долговечность по сравнению с новыми серийно выпускающимися деталями. Годовой экономический эффект от внедрения железо-титановых покрытий для восстановления поршневых пальцев автотракторных двигателей составляет в Курском ремонтно-техническом предприятии 138650 руб.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены, обсуждены и получили положительную оценку на научно-технических конференциях и семинарах: Российские научно-технические конференции с международным участием «Материалы и упрочняющие технологии» (Курск 2006, 2007, 2008 и 2009 гг.); «Современные инструментальные материалы, информационные технологии и инновации – 2005» (Курск 2005); «Совершенствование технологии восстановления деталей и ремонта машин в АПК» (Курск 2006, 2007 гг.); международная научная конференция «Современные проблемы развития технического сервиса в АПК» (Москва, 2007); международная научная конференция «Вклад молодых ученых в развитие аграрной науки XXI века» (Рязань, 2008 г.); научно-техническая конференция аспирантов и сотрудников Курской государственной сельскохозяйственной академии (Курск, 2005, 2006, 2007, 2008 и 2009 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано шесть__ работ, из которых одна___ в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографического списка и приложений. Работа изложена на сто девяносто двух____ страницах машинописного текста, содержит _шестьдесят три__ рисунка и _двадцать четыре таблицы___ таблиц. Библиографический список включает ____ литературных источников.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, рассмотрена концепция проблемы и намечены пути ее решения.

В первой главе диссертации представлен аналитический обзор отечественной и зарубежной литературы по современному состоянию электроосаждения металлических покрытий при восстановлении изношенных деталей машин. Рассмотрены особенности получения многокомпонентных, в том числе бинарных гальванических осадков, а также особенности электроосаждения железных покрытий, легированных титаном.

.Традиционно для восстановления изношенных деталей на отечественных предприятиях используются электролитические хром и железо. Процесс хромирования применяется, в основном для компенсации относительно небольших износов (до 0,1 мм), а также для повышения поверхностной твердости, износостойкости и коррозионной стойкости дорогих и ответственных деталей.

Электролитическое железнение отличается от процесса хромирования гораздо более высокой производительностью (выход по току более 80%), значительно меньшим расходом электроэнергии и меньшей стоимостью расходных материалов, поэтому оно получило широкое распространение в ремонтной практике и область его использования все больше расширяется.

Осадки электролитического железа могут иметь большую толщину (до 3 мм и выше), хорошее сцепление с основным металлом, электролиты для железнения малоагрессивны, их компоненты доступны и дешевы, железные покрытия хорошо обрабатываются резанием. Недостатком железных покрытий является их недостаточная твердость и износостойкость.

Отечественными и зарубежными исследователями предпринимались многочисленные попытки повысить твердость железных покрытий однако все они не позволили решить эту проблему радикальным образом.

Улучшить физико-механические и эксплуатационные свойства осадков железа и получить покрытия с новыми, зачастую уникальными свойствами, возможно при осаждении не чистого железа, а бинарных и тройных сплавов (псевдосплавов) на его основе. Однако, приведенные в литературе многочисленные экспериментальные работы не дают общей ясной картины получения гальванических двухкомпонентных и многокомпонентных сплавов и каждый из них получается опытным путем и требует всестороннего исследования.

Титан, как легирующий элемент давно привлекает внимание исследователей благодаря своим уникальным свойствам: высокой удельной прочностью, повышенной коррозионной стойкостью и повышенной температурой плавления (по сравнению с железом). В металлургии титан широко используется для легирования конструкционных, инструментальных и других сталей для повышения их прочности, износостойкости, стойкости против межкристаллитной коррозии и для придания сталям наследственной мелкозернистости.

.Выделение чистого титана электролизом из водных растворов его солей практически невозможно из-за большой отрицательной величины нормального потенциала и высокого термодинамического барьера разряда ионов на катоде, а также из-за чрезвычайно сильной пассивации. В литературе имеются сведения о возможности получения титановых покрытий из неводных или комбинированных электролитов, например из растворов, содержащих хлористый титан, этанол и воду.

Получение сплавов железа с титаном практически не изучено. Имеется ряд работ, посвященных электроосаждению титана с другими металлами: никеля, кобальта, кадмия, хрома, серебра и др. Об осаждении железо-титановых покрытий имеется всего несколько упоминаний, сведения о структуре, фазовом составе отрывочны и малоинформативны.

Исходя из вышеизложенного, поисковые исследования в настоящей работе были направлены на получение железо-титановых гальванических покрытий, которые можно было бы использовать для восстановления деталей машин и для повышения их поверхностной прочности, а также на изучение физико-механических и эксплуатационных свойств.

Во второй главе представлена методика экспериментальных исследований, позволяющих решить задачи, поставленные в работе. С целью выявления эмпирических закономерностей процесса электроосаждения железо-титановых покрытий применялась методика математического планирования экспериментов, позволяющая при минимальном числе опытов наиболее полно охватить все сочетания авторов.

Для получения асимметричного электролизного тока использовалась специальная лабораторная установка, позволяющая варьировать ток по периодам и по амплитуде в широких пределах.

Перед нанесением электролитических осадков образцы обезжиривались венской известью, промывались в воде и подвергались анодному травлению в 30% растворе серной кислоты с добавлением 15…20 кг/м3 сернокислого железа. Время травления – 1…2 минуты при плотности тока 30…70 А/дм2.

.Микроструктура покрытий изучалась с использованием металлографических микроскопов МИМ-8 и ММР при различных увеличениях. Травление микрошлифов осуществлялось 5% раствором азотной кислоты в этаноле.

Рентгеноструктурные исследования электроосажденных железо-титановых покрытий проводились на рентгеновской установке УРС-60 и дифрактометре ДРОН-3. Расшифровка дифрактограмм проводилась с использованием стандартных методик.

Твердость покрытий определялась на твердомерах ТК и ТП (Роквелл и Виннерс) при пониженных нагрузках, микротвердость – на микротвердомере ПМТ-3 при нагрузках 0,49…1,96 Н.

Остаточные напряжения в гальванических осадках определяли по методу гибкого катода (Северина), в процессе осаждения на него железо-титанового сплава.

Оценка прочности сцепления электролитического осадка с основой производилась качественным и количественным методами. Качественная оценка проводилась на тонких (0,2 мм) образцах путем изгиба их на 180. Прочным считалось покрытие, которое не отслаивалось и не осыпалось. Количественная оценка – по усилию отрыва штифта от покрытия на специальном приспособлении при приложении нормальной нагрузки на разрывной машине УММ-5.

Испытание на оналиностойкость образцов с железо-титановыми покрытиями проводили путем нагрева в муфельной печи в нормальной воздушной атмосфере. Оналиностойкость оценивали по увеличению веса образцов с окисленными покрытиями. Окисление проводилось при температурах 500…900С при выдержках от 1 до 10 часов.

Износостойкость железо-титановых покрытий определяли на модернизированной машине СМЦ-2 по схеме «ролик-колодка», а также проводили испытания в условиях сухого трения по схеме «ролик-ролик». Перед началом испытаний образец и контртело прирабатывались до стабилизации момента трения. Величина износа оценивалась весовым методом с точностью до 0,1 мг.

Производственные испытания деталей с железо-титановыми покрытиями проводились на автомобилях в условиях рядовой эксплуатации.

Третья глава посвящена изучению влияния условий электроосаждения железо-титановых сплавов на содержание в них титана, а также на структуру и фазовый состав.

Были проведены поисковые исследования процесса электроосаждения железо-титановых сплавов из водных растворов, содержащих соли железа, соли титана и некоторые другие добавки. Осаждение проводилось на асимметричном переменном токе с показателем асимметрии =6, плотности тока 5…50 А/дм2 и температуре электролита 20…50 С.

Исследования влияния концентрации компонентов электролита на состав осадка и выход его по току (производительность процесса) показали, что при увеличении концентрации FeCl2 в растворе проводит к облегчению процесса выделения катионов на поверхности катода и улучшают их адсорбционную способность. Ионы хлора выступают своеобразными катализаторами электродного процесса, образуя на катоде промежуточный комплекс, облегчая осаждение ионов титана. С увеличением концентрации FeSO4 значительно возрастает выход осадка по току, но содержание титана в нем падает.

Наиболее легкое осаждение титана совместно с железом имеет место при использовании в качестве титансодержащего компонента в электролите соли титана щавелевокислого Ti(C2O4)2. Увеличение концентрации этой соли в растворе приводит к увеличению содержания титана в осадке, однако при этом заметно снижается выход по току.

Для повышения скорости осаждения железо-титанового покрытия с высоким содержанием в нем титана в электролит был добавлен сернокислый аммоний, который оказывает сильное ускоряющее влияния на процесс осаждения катионов металла, находящихся в электролите. Выход сплава железо-титан по току, как показали эксперименты прямо пропорционален концентрации (NH4)2SO4 в электролите.

Концентрация компонентов электролита, без ухудшения качества покрытий (отсутствие трещин, металлический блеск) и с хорошим сцеплением с основой (сталь 45), может изменяться в широких пределах (кг/м3): FeCl2 – 50…200; FeSO4 – 50…200; Ti(C2O4)2 – 10…50; (NH4)2SO4 – 50…150. Однако при этом значительно изменяется выход железо-титанового сплава по току и содержание в нем титана.

Скорость осаждения железо-титановых покрытий и их качество зависят не только от состава электролита, но и от режимов электролиза, причем эти факторы взаимосвязаны. В работе были проведены исследования зависимости качества покрытий от режимов электролиза и состава электролита и определены границы использования как концентраций солей, так и величины показателя асимметрии, плотности тока и температуры электролита, в которых могут быть получены качественные покрытия.

Оптимизация состава электролита и режимов электролиза, проведенная с использованием методов математического планирования, позволила получить адекватную математическую модель зависимости содержания титана в железо-титановом осадке от факторов осаждения

СTi = 0,628 – 0,213 QFe/Ti – 0,197 Dk + 0,108t, (1)

где СTi – содержание титана в гальваническом сплаве; QFe/Ti - относительная (по отношению к титану) концентрация железа в электролите; Dk – плотность катодного тока; t - температура электролита.