Розроблення двошарових композиційних електрохімічних покриттів системи Ni–B–Cr для підвищення зносо- та корозійної тривкості виробів з вуглецевих сталей

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ФІЗИКО-МЕХАНІЧНИЙ ІНСТИТУТ ім. Г.В. КАРПЕНКА

05. 02. 01 - матеріалознавство

УДК 621. 357. 7: 621. 785

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

андидата технічних наук

РОЗРОБЛЕННЯ ДВОШАРОВИХ КОМПОЗИЦІЙНИХ ЕЛЕКТРОХІМІЧНИХ ПОКРИТТІВ СИСТЕМИ Ni-B-Cr ДЛЯ ПІДВИЩЕННЯ ЗНОСО- ТА КОРОЗІЙНОЇ ТРИВКОСТІ ВИРОБІВ З ВУГЛЕЦЕВИХ СТАЛЕЙ

Мардаревич

Роман Сильвестрович

Львів

2010



ДИСЕРТАЦІЄЮ Є РУКОПИС

Робота виконана у Фізико-механічному інституті ім. Г.В. Карпенка НАН України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор,

член-кореспондент НАН України

Похмурський Василь Іванович,

Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України (Львів), заступник директора з НДР Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Голубець Володимир Михайлович,

Національний лісотехнічний університет (Львів), завідувач кафедри технології матеріалів кандидат технічних наук, доцент Кондир Анатолій Іванович,

Національний університет "Львівська політехніка" (Львів),

доцент кафедри інженерного матеріалознавства і прикладної фізики

Захист відбудеться " 27 " жовтня 2010 р. о 16 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.226.02 у Фізико-механічному інституті ім. Г.В. Карпенка НАН України за адресою: 79601, Львів, МСП, вул. Наукова, 5.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Фізико-механічного інституту ім. Г.В. Карпенка НАН України за адресою: 79601, Львів, МСП, вул. Наукова, 5.

Автореферат розіслано " 24 " вересня 2010 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради

І.М. Погрелюк



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Для поверхневого захисту виробів, надання їм декоративного вигляду чи певних функціональних властивостей у промисловості широко використовують гальванічні покриття нікелем, хромом, їх сплавами і багатошаровими композиціями цих металів. Деякі недоліки гальванічних покриттів, зокрема наводнювання основи, виникнення залишкових напружень розтягу у поверхневих шарах виробів, зниження їх циклічної міцності і твердості під час нагрівання, є причиною недостатньої їх ефективності за умов одночасної дії динамічних навантажень, підвищених температур чи агресивних середовищ.

Властивості гальванопокриттів можна суттєво поліпшити введенням у їх склад дисперсних частинок - наповнювачів різної природи і призначення. За рахунок ефекту дисперсного зміцнення структури такі композиційні покриття (КЕП) володіють вищою твердістю, зносотривкістю та жароміцністю, ніж традиційні гальванічні. Перспективним напрямком поліпшення властивостей КЕП, що містять частинки бору, вуглецю, кремнію тощо, які здатні взаємодіяти з матрицею при нагріванні, є термічна обробка. Започатковані школою акад. І.М.Федорченка роботи в цьому напрямку на прикладах систем Ni-B і Fe-B показали ефективність комбінованого методу формування композиційних боридних покриттів триботехнічного призначення. Однак осадження КЕП Ni-B і вплив технологічних параметрів та хімічного складу боровмісних електролітів-суспензій на перебіг катодного процесу і особливості електрокристалізації детально не вивчали, а інформація про вміст бору в покриттях часто неоднозначна. Недостатньо даних про кінетику твердофазної взаємодії компонентів покриття під час відпалу, не розглядалися можливість і перспективи формування пошарових композицій. Вплив температурно-часових параметрів дифузійного відпалу і морфологічних особливостей структури на триботехнічні характеристики, опір втомному руйнуванню і корозійну тривкість залишаються мало вивченими, що не дає можливості повніше використовувати резерв властивостей, закладений у таких покриттях. Виходячи з цього, робота, яка присвячена створенню нових композиційних покриттів та оптимізації їх хімічного складу і структури з метою досягнення високих механічних і фізико-хімічних характеристик, є актуальна.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. У роботі узагальнено результати досліджень, виконаних автором у рамках науково-дослідних завдань у Фізико-механічному інституті ім. Г.В. Карпенка згідно з тематичними планами Національної академії наук України та госпдоговорами, в яких здобувач був виконавцем окремих етапів:

- "Вивчення механізму корозії активованих механічними напруженнями легких сплавів з поверхнево модифікованими шарами та покриттями" (№ держреєстрації 0105U004303, 2005-2007 рр.);

- г/д № 125 (від 3.09.2005р.) "Нанесення зносостійких та захисно-декоративних гальванічних композиційних покриттів на деталі екструдерів і адгезиметрів". Замовник - ДПІЦ " Техно-Ресурс ";

- г/д № 149 (від 18.12.2003р.) "Відновлення силових електричних контактів і деталей ходової частини трамвайних вагонів". Замовник - "Львівелектротранс ";

- г/д № 88 (від 14.04.2007р.) "Нанесення двошарових композиційних покриттів на ролики клеючих машин". Замовник - АТ "Галичфарм".

Мета і завдання дослідження. Мета роботи - розроблення нових композиційних покриттів на основі нікелю, бору та хрому для підвищення роботоздатності вуглецевих сталей в умовах дії напружень, агресивних середовищ і підвищених температур.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі основні задачі:

– Вивчити умови і закономірності електрохімічного формування двошарового композиційного покриття Ni-B-Cr та вплив технологічних параметрів процесу на його хімічний склад та структуру .

– Встановити особливості структурно-фазових перетворень у покриттях у результаті їх термічної обробки.

– Дослідити механічні властивості та зносотривкість вуглецевої сталі з нанесеними покриттями.

– Вивчити електрохімічні характеристики та корозійну тривкість компози-ційних покриттів в агресивних розчинах та стійкість до високотемпературного окиснення.

– Дослідити витривалість вуглецевої сталі з композиційними покриттями в умовах кімнатної та підвищеної температур.

– Оптимізувати режими електролізу та термічної обробки двошарових композиційних покриттів, розробити технологічні рекомендації для поверхневого зміцнення виробів з вуглецевих сталей.

Об'єктом дослідження є процес електрохімічного осадження і термічної обробки двошарового композиційного покриття Ni-B-Cr та його властивості.

Предметом дослідження є закономірності електроосадження двошарових композиційних покриттів, зміни їх структурно-фазового стану та властивостей у результаті термічної обробки.

Методи дослідження - оптична та електронна мікроскопія, фазовий рентгеноструктурний, мікрорентгеноспектральний, диференціально-термічний та хімічний методи аналізу, потенціодинамічна вольтамперометрія, механічні, втомні, триботехнічні і корозійні випробування.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що здобувачем вперше встановлено таке:

- розраховано та експериментально підтверджено, що якісні високонаповнені покриття стабільного складу формуються за швидкості потоку суспензії 0,15...0,2 м/с;

- для осадження КЕП Ni-B заевтектичного складу з регульованим вмістом дисперсної фази застосовано домішки поверхнево-активних речовин (ПАР) різної природи, оптимальні концентрації яких становлять

(1,6…2,0)10^-3г C₈H₁₇SO₄Na та

(5…9)10^-4 г C₁₆H₃₃(C₅H₅N)Cl

на 1г бору в суспензії;

- визначено мінімальні температури (420 та 490°С) протікання твердофазних реакцій при нагріванні двошарових композицій, вплив параметрів відпалу на дифузійний перерозподіл компонентів покриття та особливості формування боридних фаз

Ni₃B, Ni₂B,

Cr₅B₃ і CrB

у двошарових покриттях з різним вмістом бору;

- встановлено значне підвищення триботехнічних характеристик, витривалості за підвищених температур, корозійної тривкості та стійкості до окиснення вуглецевої сталі з КЕП Ni-B-Cr порівняно з гальванічними хромовим, нікелевим і композиційним Ni-B покриттями та нержавіючою сталлю 08Х18Н10Т.

Практичне значення одержаних результатів:

- розроблено технологію формування двошарових КЕП системи нікель-бор-хром триботехнічного призначення, зносотривкість яких в умовах тертя без змащувального матеріалу за навантажень 0,5…2,0 МПа у 1,5 - 5,3 рази є вищою, ніж гальванічного хромового покриття чи гартованої вуглецевої сталі.

- показано, що покриття Ni-B-Cr за швидкістю корозії у 26%-му розчині сульфатної кислоти відповідають другому балу (за 10-бальною шкалою) і відносяться до групи дуже стійких матеріалів та перевищують корозійну тривкість сталі 08Х18Н10Т. Жаротривкість покриттів у повітрі за температур 700…900°С близька до жаротривкості нікельхромових сплавів. Покриття підвищують циклічну довговічність вуглецевих сталей при підвищених (500…700°С ) температурах на 50…75%;

- розроблено технологічні рекомендації формування КЕП для поверхневого зміцнення деталей металізаторів, екструдерів, ливарних форм тощо, які використані під час виконання госпдоговірної тематики інституту.

Особистий внесок здобувача. Основні результати та положення, які виносяться на захист дисертаційної роботи, отримані автором самостійно. У публікаціях, написаних у співавторстві, здобувачеві належать: в [1] - реалізація експерименту, металографічні дослідження та аналіз результатів; [2] - схема технологічного процесу; [4, 10] - дослідження корозійно-електрохімічних властивостей покриттів; [5] - формування покриттів, виконання експериментів, аналіз результатів мікрорентгеноспектральних і рентгеноструктурних досліджень; [7, 8] - дослідження жаротривкості і втомної довговічності, аналіз результатів; [11] - спосіб формування покриття, виконання експерименту.

Формулювання задач, аналіз і трактування основних результатів та наукових висновків виконувалися спільно з науковим керівником.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідались і обговорювалися на таких конференціях і семінарах:

- VI, VII, VIII, ІХ Міжнародні конференції-виставки "Проблеми корозії і протикорозійного захисту матеріалів" (Львів, 2002, 2004, 2006, 2008 рр.);

- International conference "Modern Elektroplating Processes" (Szklarska Poremba, Poland, 2004 р.);

- 6 Industriefachtagung „Oberflдchen- und Wдrmebehandlungtechnik" und das 8 Werkstofftechnisches Kolloquium (Chemnitz, Germany, 2005);

- 10 Werkstofftechnische Kolloquium und 7 Industriefachtagung „Oberflдchen- und Wдrmebehandlungstechnik" (Chemnitz, Germany, 2007);

- IV,V Українські з'їзди з електрохімії (Алушта, 2005 р.; Чернівці, 2008 р.);

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 11 статей, з яких 9 - у фахових виданнях, отримано патент України.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку літератури та додатків. Загальний обсяг дисертації становить 162 сторінки, в т.ч. 70 рисунків, 16 таблиць, списку використаних літературних джерел (132 найменування) і 2 додатки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету і завдання досліджень, визначено об'єкт, предмет і методи досліджень, показано наукову новизну, практичне значення та апробацію результатів роботи.

Перший розділ містить огляд літератури за темою дисертації, в якому проаналізовано науково-технічну інформацію про методи нанесення, режими, природу і склади електролітів-суспензій для отримання зносо- і корозійнотривких, композиційних електрохімічних покриттів на основі нікелю з твердими, тугоплавкими частинками дисперсної фази, їх структуру та властивості. Також детально розглянуто композиційні системи з активною щодо матриці дисперсною фазою під час термічної обробки, зокрема КЕП нікель-бор. Показано структурно-фазові перетворення в покриттях за різних режимів дифузійного відпалу та їх триботехнічні, корозійні і експлуатаційні властивості. Відзначено, що на сьогодні відсутні відомості про використання "стимуляторів формування КЕП" для осадження високонаповнених структур з боровмісних електролітів-суспензій та вплив гідродинамічних режимів електролізу на співосадження частинок з матричним металом.

Проаналізовано сучасний стан і перспективи створення двошарових покриттів нікель-хром, зроблено висновок про доцільність формування на їх основі боридних покриттів з поліпшеними експлуатаційними властивостями та визначено основні напрямки досліджень.

У другому розділі описано використані матеріали, методику виконання експериментів та технічну апаратуру. Матеріалом основи для осадження покриттів служила сталь 45. Для приготування розчинів підготовчих операцій та електролітів для осадження покриттів використовували реактиви кваліфікації "х.ч." та "ч.д.а.":

NaOH, Na₂CO₃,

Na₃PO₄12H₂O,

Na₂SiO₃9H₂O,

H₂SO₄,

HCl,

NiSO₄7H₂O,

NiCl₂6H₂O, H₃BO₃,

C₈H₁₇SO₄Na,

C₁₆H₃₃(C₅H₅N)Cl,

СrO₃,

бор аморфний. КЕП

Ni-B

осаджували в електролізері циліндричної форми, обладнаному перемішувальним пристроєм. Основні співвідношення розмірів ванни і мішалки, частоту обертання та швидкість потоку розраховували на основі критеріальних залежностей моделі "комбінованого вихору". Вплив концентрації поверхнево-активних речовин (ПАР) і бору у суспензії на катодну поляризацію під час електролізу досліджували у потенціодинамічному режимі на потенціостаті ПИ-50-1. Вміст бору в КЕП нікель-бор визначали ваговим, а нікелю - об'ємним комплексонометричним методами хімічного аналізу.

Зразки з нанесеними покриттями відпалювали в електропечі у герметичному контейнері з пропусканням інертного газу. Температури фазових перетворень та інтенсивність тепловиділення у покритті визначали методом диференціального термічного аналізу на дериватографі Q-1500. Розподіл елементів по товщині двошарового покриття після відпалу визначали на мікроаналізаторі Super Probe-733, а їх вміст в мікрооб'ємах - за допомогою енергодисперсійного рентгенівського спектрометра INCA Energy 350. Для металографічних і фрактографічних досліджень використовували оптичний мікроскоп Neophot-2 та сканівний електронний CARL ZEISS EVO 40 XVP у режимах "SEM" і "BSD" зображень. Фазовий склад покриттів визначали пошаровим рентгеноструктурним аналізом, застостовуючи прилад ДРОН-3. Мікротвердість покриттів вимірювали мікротвердоміром ПМТ-3.

Характеристики механічних властивостей зразків з покриттями визначали на випробувальній машині УМЭ-10ТМ, витривалість за кімнатної та підвищеної температур - на установці ИМА-5Т. Триботехнічні характеристики досліджували на установці СМЦ-2. Корозійну тривкість композиційних покриттів в 26%-му розчині H₂SO₄ та їх стійкість до окиснення за температур 500, 700 і 900С оцінювали масометричним методом.

Третій розділ присвячений вивченню основних закономірностей електроосадження нікель-бор і хромового шарів та дифузійної взаємодії компонентів покриття під час термічної обробки. Наведені результати експериментальних досліджень впливу параметрів електролізу та складу електроліт-суспензії на співосадження дисперсної фази з матрицею.

Встановлено, що з підвищенням концентрації суспензії до 100 г/л пропорційно збільшується вміст частинок бору в покритті, з подальшим зростанням концентрації суспензії (до 250 г/л) характер залежності наближається до насичення, рівного 3,8…5,3 мас. % бору. Дослідження впливу катодної густини струму в межах 5…20 А/дм² на вміст частинок показали, що для малоконцентрованих (5…25 г/л) суспензій густина струму на вміст дисперсної фази практично не впливає. У суспензіях з концентрацією бору 100 г/л і більше з підвищенням густини струму до 20 А/дм² помітно знижується вміст частинок в КЕП.

Умовою отримання композиційних покриттів стабільного складу є повне суспендування і рівномірний розподіл всіх частинок в об'ємі електролізера, чого досягають лише за турбулентних режимів перемішування суспензії. Розрахована мінімальна швидкість потоку ( 0,022 м/с), за якої дисперсна фаза не седиментує, та критична швидкість потоку ( 0,26 м/с), яка відповідає умові розвинутого турбулентного режиму. Експериментально встановлені концентраційні залежності свідчать, що швидкості 0,15...0,2 м/с є оптимальними у межах турбулентного переносу для отримання високонаповнених покриттів у суспензіях з концентрацією бору 50 г/л і більше (рис. 1). Перевищення критичної швидкості потоку призводить до змивання значної кількості частинок з поверхні катода та помітного зменшення їх вмісту у покритті .

Рис. 1. Залежність вмісту частинок бору в покритті від швидкості потоку суспензії різної концентрації, г/л:

1 - 10; 2 - 25; 3 - 50; 4 - 100; 5 - 200 (густина струму 10 А/дм² ).

Досліджували можливість зміни характеру включення частинок шляхом модифікації їх поверхневих властивостей за допомогою ПАР. Після введення в електроліт-супензію аніоноактивної речовини - октилсульфату натрію в кількості 0,4 г/л - покриття, отримані зі суспензій з концентрацією частинок до 100 г/л, містять їх меншу кількість, ніж осаджувані з суспензії без домішок ПАР (рис. 2).

Рис. 2. Вплив концентрації суспензії з додатком 0,4 г/л октилсульфату натрію на вміст частинок бору в покритті за катодних густин струму, А/дм²: 1 - 5; 2 - 10;

3 - 15; 4 - 20.

Під час електролізу високонцентрованих (200 і 250 г/л) суспензій в покриття вже включається більше частинок, ніж у першому випадку, причому, ділянки насичення на концентраційних кривих відсутні. Зміна складу покриття зумовлена утворенням адсорбційних шарів аніонів ПАР на поверхні частинок бору, що запобігає їх агрегуванню, і підвищує седиментаційну стійкість висококонцентрованої суспензії в прикатодному шарі, сприяючи тим самим електроосадженню дисперсної фази. Для суспензій з концентрацією бору до 100 г/л за рахунок більшої щільності і товщини адсорбційних шарів зростають сили розклинювального тиску, які погіршують умови контакту і адгезії частинок до катодної поверхні та їх заростання у покриття. За даних умов електролізу найбільше наповнення покриття частинками досягається співвідношенням у суспензії (1,6...2,0)·10^-3 г C₈H₁₇SO₄Na на 1 г бору.

Покриття, отримані зі суспензій з домішками цетилпіридинійхлориду, містять максимальну кількість бору - понад 11 мас. %, що свідчить про значний стимулюючий вплив ПАР катіонної природи на включення дисперсної фази. Для встановлення оптимального співвідношення концентрацій бору і цетилпіридинійхлориду у суспензії, досліджували покриття, отримані із суспензій з концентрацією бору 50 і 200 г/л при концентраціях ПАР 0,025…0,2 г/л. В обидвох випадках графіки залежності вмісту бору в покритті мають екстремум, що відповідає співвідношенню

(5…9)10^-4 г

C₁₆H₃₃(C₅H₅N)Cl

на 1 г бору. Перевищення даного відношення призводить до зменшення вмісту бору в покритті. Для концентрації суспензії 50 г/л бору концентрація ПАР 0,15 г/л є граничною, з перевищенням якої значно збільшуються внутрішні напруження та розтріскується покриття.

Рис. 3. Вплив концентрації цетилпіридинійхлориду на вміст бору в покритті для суспензій з концентрацією бору, г/л: 1 - 50; 2 - 200 (катодна густина струму - 10 А/дм²).

Металографічними дослідженнями встановлено, що покриття, отримані зі суспензій з концентрацією 50...100 г/л за густин струму 5…10 А/дм², відзначаються високою якістю, містять переважно дрібні фракції частинок, рівномірно розміщених у матриці в кількості 3,6…4,3 мас. %. (рис. 4 а, б).

абв

Рис. 4. Мікроструктура КЕП Ni-B (х 800), осаджених за катодної густини струму, А/дм²: а - 5; б - 10; в - 20 (концентрація бору у суспензії 50 г/л, вміст бору у покритті 4,30; 3,71; 3,64 мас. %, відповідно а, б, в).

Зі збільшенням густини струму до 20 А/дм² зростає схильність до активнішого захоплення "пакетами" росту покриття крупних агрегатів частинок та їх нерівномірного розподілу, через що якість покриття погіршується (рис. 4 в). Збільшення концентрації електроліту-суспензії до 200 г/л не призводить до помітного підвищення вмісту бору у покритті через швидку коагуляцію частинок у прикатодній зоні. Конгломерати частинок осаджуються нерівномірно по перерізу покриття, ступінь якої збільшується з підвищенням густини струму. Незважаючи на інтенсивний режим перемішування (х = 0,1…0,25 м/с) об'єму суспензії, у пристінній зоні катода турбулентні пульсації і швидкість потоку зменшуються, суспензія стає седиментаційно нестійкою, що негативно впливає на стабільність складу покриття.

Для покриттів, осаджених у присутності катіонної ПАР, характерне утворення на поверхні дуже дрібних (0,5…2,0 мкм) кристалів сфероїдальної форми (рис. 5 а).



а) х 3864б) х 800в) х 800

Рис. 5. Мікрофотографія поверхні (а) і мікроструктура (б, в) КЕП Ni-B, осаджених за катодної густини струму, А/дм²: а - 15; б - 5; в - 20 (концентрація бору у суспензії 50, цетилпіридинійхлориду - 0,025 г/л, вміст бору у покритті 11,34; 9,17 і 11,53 мас. % відповідно а, б, в).

Формування такого рельєфу пов'язане з додатковим гальмуванням росту кристалів не тільки через включення частинок, а також внаслідок блокування площин росту катіонами ПАР, що узгоджується із дослідженням катодної поляризації. Підвищення ступеня дисперсності структури та набуті катіонні властивості дисперсної фази сприяють включенню значної кількості дрібних і середніх фракцій частинок із суспензії з відносно невисокою (50 г/л) концентрацією бору. Якісні покриття з шорсткістю R_a=1,25…2,5 і рівномірним розподілом частинок формуються в широкому діапазоні густини струму (рис. 5 б, в).

Аналогічні якісні високонаповнені структури покриттів утворюються під час електролізу із висококонцентрованих (200…250 г/л) суспензій, які містять домішки аніоноактивної речовини. В цьому випадку аніони октилсульфату натрію, виконуючи функцію стабілізатора суспензії, підвищують її агрегативну стійкість і сприяють зарощуванню значної кількості частинок дисперсної фази.

Щоб створити сприятливі умови для дифузійної взаємодії шарів під час подальшої термічної обробки покриття, хромовий шар осаджували за режимів, які забезпечують його максимальну пористість і високу дисперсність зерен (800…1000 площадок на 1 мм²). Утворенню пор у хромовому шарі сприяють також численні частинки бору на поверхні підшару. Осаджені шари хрому товщиною 10…30 мкм і мікротвердістю 9,0…10,2 ГПа володіють достатньою адгезією до шару нікель-бор, рівномірні по товщині і мають напівблискучий зовнішній вигляд.

Відпал двошарового покриття нікель-бор-хром, сформованого за запропонованим методом, передбачає дифузійну взаємодію компонентів або шарів, що суттєво ускладнює перерозподіл елементів, утворення нових фаз і структур. Ймовірність протікання тих чи інших реакцій взаємодії компонентів з метою прогнозування кінцевого фазового складу покриття оцінювали шляхом термодинамічного аналізу твердофазних реакцій утворення боридів у системі нікель-бор-хром. Аналіз розрахованих змін енергії Гіббса термохімічних реакцій у системі нікель-бор-хром вказує на те, що термодинамічно найбільш ймовірні реакції утворення боридів хрому, відносно менша ймовірність формування боридів нікелю (рис. 6). Більший нахил графіків зміни вільної енергії боридних фаз нікелю в бік позитивних значень свідчить про їх схильність до термічного розкладу зі зростанням температури.

Таким чином, відпал нанесеного на сталеву підкладку двошарового покриття, що містить бор у нікелевому шарі, повинен супроводжуватися дифузійним потоком атомів бору в хромовий шар і частково в сталеву основу, рушійною силою якого є градієнт хімічного потенціалу за бором між шарами покриття і підкладкою.

Рис. 6. Зміна вільної енергії утворення боридних фаз у системі нікель-бор-хром.



Взаємодія компонентів покриття нікель-бор-хром з утворенням боридів хрому і нікелю відбувається за типом реакційної дифузії з властивими їй певними значеннями теплових ефектів реакцій. Для дослідження температурних інтервалів термохімічних реакцій і відповідних фазових перетворень у покритті, виконували повний дериватографічний аналіз порошків покриття нікель-бор-хром, двошарового покриття нікель-хром і одношарового покриття нікель-бор товщиною 110 мкм.

У двошаровому електрохімічному покритті нікель-хром під час його нагрівання до 950С фазові перетворення не відбуваються. Нагрівання КЕП нікель-бор супроводжується фазовими перетвореннями, про що свідчить поява екзотермічних піків різної величини на температурній кривій і диференціальній термограмі при температурах 487 і 629С, що зумовлено протіканням твердофазних реакцій утворення боридів нікелю. Під час нагрівання покриття нікель-бор-хром до 488С екзотермічний ефект найбільш значний - перегрівання становить більше, ніж 200С. Таке інтенсивне тепловиділення викликане твердофазною взаємодією хромового шару і бору та утворенням боридів хрому (див. таблицю).

Зміна фазового складу КЕП Ni-B і Ni-B--Cr після нагрівання

Температура нагрівання, С	Покриття
	нікель-бор	нікель-бор-хром
20	Ni	Ni, Cr
260	Ni	Ni, Cr
420	Ni, (Ni3B)*
435		Ni, Cr, (Ni3B)
490	Ni, Ni3B	Ni, Cr, Ni3B,(Cr5B3)
630	Ni, Ni3B

· у дужках фази, що містяться в дуже малій кількості.

Таким чином, електроосаджені композиційні системи нікель-бор і нікель-бор-хром володіють підвищеною реакційною здатністю, яка проявляється за відносно низьких (450…500С) температур відпалу. Це свідчить про низьку енергію активації термодифузійних реакцій у КЕП, зумовлену нерівноважним станом метастабільної структури електроосадженого металу і відсутністю оксидних плівок на поверхні поділу частинка-матриця. Значну роль в активації дифузійних процесів відіграє адсорбований покриттям та підкладкою водень, вміст якого в нікелевому та хромовому шарах згідно з літературними даними може становити 0,01 і 0,06 мас.% відповідно. Значна частина електролітичного водню десорбується з покриттів за температур нагрівання 350…400С. При 800…850С створюються умови для повного виходу водню з покриття, що супроводжується підвищенням дефектності його макро- і мікроструктури та сприяє інтенсифікації дифузійних процесів.

У результаті відпалу структура і фазовий склад покриття набувають якісних змін, помітних у першу чергу в шарі нікель-бор. Взаємодія між частинками бору та нікелевою матрицею за типом реакційної дифузії, призводить до їх поступового розсмоктування , розповсюдження фазових зон від поверхні частинок у матрицю з утворенням зерен бориду нікелю. На характер і ступінь структурно-фазових перетворень у шарі суттєво впливають кількісний вміст у ньому частинок бору, їх дисперсність і температурно-часові параметри відпалу. У шарі нікель-бор з вмістом 4,0…4,3 мас.% бору, що відповідає евтектичному нікельборидному сплаву на діаграмі стану, вже на початковій стадії відпалу при 850С довкола частинок бору формуються оболонки боридних зерен. При цьому розвинута поверхня частинок бору вихідної структури поступово набуває кулястої форми внаслідок "розчинення" гострих кутів і виступів у матриці. Підвищення температури до 1000С призводить до укрупнення боридних зерен, зменшення товщини прошарків нікелевої матриці між ними і розмірів непрореагованих частинок бору. Двогодинна витримка за цієї температури забезпечує практично повне "розчинення" всіх частинок бору і нікельборидний шар представляє собою двофазну композиційну структуру - бориди нікелю, що розміщені у нікелевій матриці (рис. 7 а). Збільшення витримки до 5 год призводить до коагуляції боридних зерен і утворення каркасної боридної структури з невеликою кількістю матричного складника.

	-Cr Cr5B3; CrB
	+ тв. розчин
	-Ni Ni3B; СrB
	-Ni Ni3B; Ni2B
	-Ni Ni3B;	б Рис. 7. Мікроструктура та фазовий склад КЕП Ni-B-Cr після відпалу 1000С, 2 год (x 1000). Вміст бору в покритті, мас. %: а - 4,5; б - 8.
	+ тв. розчин Ni3B
	-Fe Fe2B

Поряд з описаними структурно-фазовими перетвореннями в центральній зоні нікельборидного шару, під час відпалу протікає дифузійна взаємодія двох шарів покриття, а також нікельборидного шару зі сталевою основою. Результати мікрорентгеноспектрального аналізу свідчать, що домінуюча роль у цій взаємодії належить бору, як найактивнішому в дифузійному процесі компоненту покриття. Загальною ознакою для всіх складів покриттів і режимів їх термічної обробки є значне (у 2 - 3) рази) підвищення концентрації бору в зовнішньому хромовому шарі, зменшення її на межі поділу двох шарів і у верхній зоні нікельборидного шару, а потім подальше підвищення до значення, що відповідає вмісту бору у вихідному шарі нікель-бор. На межі поділу нікельборидного шару і основи спостерігається повторне зменшення концентрації бору, викликане його перерозподілом у глибину сталевої основи.

Таким чином, під час відпалу двошарового покриття внаслідок висхідної дифузії бору з внутрішнього джерела, відбувається дифузійне борування хромового шару з утворенням хромоборованого шару на поверхні покриття. Ряд факторів - співвідношення товщин вихідних шарів, вміст бору в шарі нікель-бор і температурно-часові параметри дифузійного відпалу - визначають фазовий склад і будову цих покриттів.

У комбінованому покритті, що містить 4…4,3 мас. % бору і відпаленому при 850...1000°С, металографічно розрізняються такі ділянки: хромоборований шар, перехідний дифузійний шар на межі поділу шарів, нікельборидний шар і перехідна дифузійна зона на межі з підкладкою (рис. 7 а). Покриття, яке містить 8…10 мас. % бору, має подібну будову, відрізняючись кількістю утворених боридних зерен дифузійної зони на межі поділу шарів та в поверхневому хромоборованому шарі (рис. 7 б).

У четвертому розділі подано результати досліджень експлуатаційних характеристик двошарових композиційних покриттів нікель-бор-хром, зокрема зносотривкості (тертя без мастила), корозійної тривкості і електрохімічних властивостей у розчинах сульфатної і нітратної кислот, жаротривкості у повітрі та механічних властивостей вуглецевої сталі з цими покриттями в умовах статичних і циклічних навантажень за кімнатної та підвищеної температур.

Встановлено, що розроблені композиційні покриття переважають за зносотривкістю твердий гальванічний хром, одношаровий КЕП нікель-бор та суттєво _ гартовану (HRC 42...45) сталь 45 (рис. 8).



абв

Рис. 8. Вплив контактного навантаження на інтенсивність зношування (а), коефіцієнт тертя (б) та температуру в зоні контакту (в) сталевих зразків з покриттями в парі тертя зі сталлю 40ХН: 1 - без покриття;

2 - гальванічний хром; 3 - КЕП нікель-бор (1000°С, 2 год.); 4 - КЕП нікель-бор-хром (1000°С, 2 год.)

Триботехнічні випробування за питомих навантажень 0,5…2,0 МПа та металографічний аналіз поверхонь тертя, оброблених за різних режимів відпалу зразків з КЕП нікель-бор-хром, показали визначальний вплив структурного фактора на роботоздатність пари покриття - сталь, причому роль його зростає зі збільшенням навантаження. Зокрема, структура покриття, сформованого відпалом тривалістю 1…2 год при 850°С, має нижчу зносотривкість через недостатній об'ємний вміст у ній боридних зерен. Найвищим опором до зношування володіють покриття, термооброблені при 900…1000С, впродовж 4…2 год, структура яких містить 50 і більше об.% боридних зерен з мікротвердістю 13,8…17,9 ГПа (рис. 9).

Рис. 9. Кінетика зношування зразків (Р = 2 МПа) з КЕП нікель-бор-хром, відпалених за режимами: 1 - 850°С, 1 год.; 2 - 850°С, 2 год.; 3 - 900°С, 2 год.; 4 - 900°С, 4 год.; 5 - 1000°С, 2 год.,6 - 1000°С, 5 год.

Висока твердість є основним фактором, який запобігає значній пластичній деформації поверхні та забезпечує мінімальні значення масових втрат, коефіцієнта тертя і температури. Аналіз поверхонь тертя зразків з КЕП Ni-B-Cr, відпалених за вищевказаних режимів, свідчить, що за навантажень 0,5…1,5 МПа їх зношування пов'язане в основному з руйнуванням оксидних плівок на поверхні та незначними пошкодженнями абразивного характеру самих покриттів. Швидкість окиснення поверхні активується більшою пластичною деформацією за контактних навантажень 1,0 і 1,5 МПа, коли поверхня тертя покрита плівкою вторинних структур, яка ефективно її захищає від нагромадження мікродефектів та пошкоджень.

На поверхні тертя зразків, що випробовували за питомого навантаження 2,0 МПа, крім гладких ділянок, покритих оксидними плівками, помітні ділянки мікропрофілю зі зруйнованою плівкою та незначними поверхневими дефектами, які утворилися внаслідок відшарування дисперсних частинок зношування (рис. 10 а), які однак не мають характеру макропошкоджень (рис. 10 б).

Якісно відмінним є характер зношування та поверхневого руйнування покриттів, відпалених при 1000С, впродовж 5 год. Для такої структури з меншим запасом пластичності під час фрикційної взаємодії відбувається швидке нагромадження структурних дефектів з наступним утворенням мікропор і мікротріщин. Це зумовлює пришвидшений розвиток магістральних тріщин, паралельних до поверхні, та відокремлення частинок зношування на початкових етапах тертя (рис 10 в) і з подальшим прогресуючим викришуванням макрооб`ємів поверхні (рис. 10 г).



аб

вг

Рис. 10. Вигляд поверхні тертя КЕП Ni-B-Cr, відпаленого при 1000°С впродовж 2 год (а, б) та 5 год (в, г) після випробувань за навантажень 2,0 (а, б, г) та 1,5 МПа (в).

Результати електрохімічних досліджень корозійного процесу у 26 %-му розчині сульфатної кислоти показали, що з усіх випробуваних покриттів найменш корозійно-активні двошарові композиційні покриття Ni-B-Cr. У стаціонарних умовах для покриттів, відпалених при 850С, 1 год та 1000С, 2 год, властиві мінімальні струми корозії i_кор.= 810^-4 (Е_ст.= - 0,13 В) та 1,710^-4 мA/см² (Е_ст.= - 0,12 В) та найнижчі значення швидкості корозії К = 6,410^-3 і 2,710^-3 г/(м²год) відповідно (рис. 11). За анодних потенціалів більших ніж потенціал повної пасивації Е_п.п.= + 0,1 В покриття переходять у стійкий пасивний стан з густинами струму і_п.п.= 0,1 і 0,015 мA/см² відповідно.

Металографічними дослідженнями зразків з двошаровими композиційними покриттями після випробувань встановлено, що початком корозійного процесу завжди служить дефект (пора, тріщина) поверхневого хромоборидного шару, який сам практично не розчиняється.



Рис. 11. Корозійні втрати сталі 45 з гальванічними і композиційними покриттями та сталі 08Х18Н10Т в 26%-му розчині H₂SO₄. Покриття: 1 - нікель; 2 - хром; 3 - КЕП Ni-B, не термооброблений; 4 - сталь 08Х18Н10Т; 5 - КЕП Ni-B, відпал 850С, 1 год; 6 - КЕП Ni-B, відпал 1000С, 2 год; 7 - КЕП Ni-B-Cr, відпал 850С, 1 год; 8 - КЕП Ni-B-Cr, відпал 1000С, 2 год.

Однак, у цьому місці середовище проникає до електрохімічно активнішого нікельборидного шару, де і локалізується основний корозійний процес. Перехідна дифузійна зона між двома шарами є бар'єром для проникнення середовища і від її товщини, яка визначається режимами термічної обробки, залежить інтенсивність корозії (рис. 12).

Рис. 12. Мікроструктура поверхневої зони КЕП Ni-B-Cr (ТО 1000С, 2 год) після корозійних випробувань в 26 %-му розчині H₂SO₄ (х800).

Присутність поверхневого хромоборованого шару позитивно впливає на жаротривкість КЕП Ni-B-Cr. Опір окисненню двошарових покриттів за температури 700С в 1,6-5,2 рази, а при 900С - в 7,7-15,3 рази є вищим, ніж одношарового КЕП Ni-B. Порівняно з гальванічним хромовим покриттям підвищення жаротривкості за цих температур відповідно становить 1,3 - 2 та 1,6 - 3,4 рази. Вплив розроблених композиційних покриттів на механічні властивості вуглецевої сталі в умовах статичних і циклічних навантажень (за кімнатної температури) не суттєвий, що вигідно відрізняє їх від більшості твердих зносотривких покриттів. За підвищених температур (500 і 700С) випробувань витривалість сталі з покриттями зростає на 60 - 75%.

У додатках представлено акти впровадження технології нанесення покриттів на деталі виробничого обладнання, яке використовується ДПІЦ "Техно-Ресурс" та ДМП "Газотермік".



ОСНОВНІ ВИСНОВКИ ТА РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ

У дисертаційній роботі розв'язано науково-технічну задачу формування двошарових композиційних покриттів нікель-бор-хром триботехнічного призначення для експлуатації в умовах підвищених температур, агресивних середовищ і циклічних навантажень. Результати доведено до практичного застосування та зроблено такі висновки:

1. Розроблено комбінований спосіб формування двошарового покриття

Ni-B-Cr, який охоплює послідовне електроосадження шарів Ni-B і Cr з певним співвідношенням товщин і підвищеним (~ 9…10 мас. %) вмістом бору в шарі нікель-бор та наступний ізотермічний відпал за температур 850…1000С в інертному середовищі або вакуумі.

2. Для отримання КЕП Ni-B з високим і регульованим вмістом дисперсної фази застосовано домішки аніонних та катіонних ПАР, концентрації яких становлять (1,6…2,0)10^-3г C₈H₁₇SO₄Na та (5…9)10^-4 г C₁₆H₃₃(C₅H₅N)Cl на 1г бору в суспензії. Обґрунтовано позитивний вплив ПАР катіонної природи на особливості осадження частинок бору із малоконцентрованих суспензій.

3. Розраховано режими перемішування електроліт-суспензій з концентрацією бору 10…200 г/л, експериментально підтверджено, що високонаповнені покриття стабільного складу формуються за швидкості потоку 0,15...0,2 м/с;

4. Термодинамічний аналіз можливих твердофазних реакцій у композиції Ni-B-Cr свідчить про більшу ймовірність утворення боридних фаз хрому, ніж нікелю. Встановлено, що максимальний тепловий ефект, властивий двошаровій композиції під час її нагрівання при 490С, спричинений утворенням боридів хрому.

5. Досліджено особливості дифузійного перерозподілу компонентів у покритті внаслідок його відпалу. Виявлено підвищення в 1,6…3,2 рази концентрації бору у поверхневому (хромовому) шарі двошарової композиції.

6. Встановлено, що двошарове покриття після термічної обробки має наступну структурну будову: поверхневий хромоборований шар, перехідна дифузійна зона Ni-Cr, нікельборидний шар та дифузійна зона Ni-Fe на границі з основою. Фазовий склад покриття визначається кількістю бору у шарі Ni-B, температурою і тривалістю відпалу.

7. Показано, що застосовуючи розроблені покриття можна підвищити зносотривкість сталі 45 (40…45 НRC) в 2,4-5,3 рази за умови тертя без змащувального матеріалу та навантаження 1 МПа. Порівняно з твердим гальванічним хромовим покриттям, зносотривкість КЕП Ni-B-Cr під час навантаження 2 МПа є вища у 1,5-4,7 рази. Витривалість сталі 45 з двошаровими композиційними покриттями зростає на 10% при випробуваннях за кімнатної температури, на 40…60% - при 500С і на 50…75% за 700С. Корозійна тривкість покриттів у розчині сульфатної кислоти відповідає ІІ і ІІІ балам корозії за 10-бальною шкалою, що відносить їх до групи дуже стійких матеріалів. За стійкістю до окиснення КЕП Ni-B-Cr переважає одношаровий КЕП Ni-B в 1,6-5,2 рази при 700С та в 7,7-15,3 рази - при 900С.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Похмурский В.И. Многослойные композиционные покрытия системы никель-бор-хром / В.И.Похмурский, Р.С. Мардаревич // Физ.-хим. механика материалов. - 1988. - № 4. - С. 9-17.

2. Похмурский В.И. Технология нанесения композиционного электрохимического покрытия на основе никеля / В.И.Похмурский, Р.С. Мардаревич // Прогрессивные материалы, технологические процессы и оборудование для защиты металлов от коррозии. - К.: Наук. думка, 1990. - С. 41-42.

3. Мардаревич Р.С. Корозійна стійкість гальванотермічних боровмісних покрить в розчині сірчаної кислоти / Р.С. Мардаревич // Фіз.-хім. механіка матеріалів. - 2002. - Спец. випуск № 3, Т. 2. - С. 479-482.

4. Мардаревич Р.С. Корозійно-електрохімічні властивості вуглецевої сталі з композиційними боридними покриттями / Р.С. Мардаревич, І.П.Мерцало // Там же. - 2004. - Спец. випуск № 4, Т. 2. - С. 703-706.

5. Мардаревич Р.С. Дослідження процесу електроосадження композиційних покриттів системи нікель-бор / Р.С. Мардаревич // Вестник нац. тех. ун-та "ХПИ". Вып. "Химия, химическая технология и экология". - 2005. - № 15. - С. 107-110.

6. Structure-phase transformation in electrochemical boron containing coatings by thermal treatment / V. Pokhmurskii, R Mardarevych, B.Wielage, H. Pokhmurska, A. Wank // Tagungsband zum 8. Werkstofftechnischen Kolloquium. Chemnitz. - 2005. - Band 22. - P. 33-40.

7. Der Einfluss von Warmebehandlung auf das Oxidationsverhalten und die Hochtemperatureigenschaften von Stahl mit nickelbasierten galvanischen Dispersionsschichten / V. Pokhmurskii, R. Mardarevych, B.Wielage, T. Lampke, H. Pokhmurska // Tagungsband zum 10. Werkstofftechnischen Kolloquium. Chemnitz. - 2007. - Band 26 - S. 185 - 191.

8. Мардаревич Р.С. Окислення двошарових гальванотермічних покриттів / Р.С. Мардаревич // Фіз.-хім. механіка матеріалів. - 2008. - Спец. випуск № 7, Т. 1. - С. 331-335.

9. Мардаревич Р.С. Вплив режимів термічної обробки композиційних покриттів системи Ni-B на їх електрохімічні властивості / Р.С. Мардаревич, Н.Р.Червінська, В.А. Винар // Наук. вісник Чернівецького ун-ту. Хімія. - 2008. - Випуск 401. - С. 102-104.

10. Пат. 23289 Україна, МПК (2006) С23D 3/00, С23D 5/00. Спосіб одержання композиційних боридних покриттів на сталях і легких сплавах / Похмурський В.І., Мардаревич Р.С., Кирилів В.І.; заявник і власник Фізико-механічний інститут НАН України. - № а 2006 11185 ; заявл. 23.10.06 ; опубл. 25.05.07, Бюл. № 7.

11. Pokhmurskii V. Structure aspects of protective properties improvement for composite coatings after thermal treatment / V.Pokhmurskii, R.Mardarevych // Proceeding of International Conference "Modern electroplating processes".- Szklarska Poremba, Poland. - 2004. - P. 225-231.



АНОТАЦІЯ

Мардаревич Р.С. Розроблення двошарових композиційних електрохімічних покриттів системи Ni-B-Cr для підвищення зносо- та корозійної тривкості виробів з вуглецевих сталей. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01 - матеріалознавство. - Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка Національної академії наук України, Львів, 2010 р.

Дисертаційна робота присвячена встановленню основних закономірностей і розробці технології електрохімічного осадження та термічної обробки двошарових композиційних покриттів на основі нікелю, бору і хрому для підвищення роботоздатності вуглецевих сталей в умовах дії напружень, агресивних середовищ і підвищених температур.

Дослідженням процесу електроосадження шару нікель-бор із сульфатхлоридного електроліту-суспензії встановлені концентраційні залежності впливу складу суспензії та режимів електролізу на вміст дисперсної фази в покритті. Розраховано і експериментально підтверджено оптимальну (0,15…0,2 м/с) швидкість потоку суспензії та обґрунтовано доцільність застосування поверхнево-активних речовин катіонної природи для отримання покриттів з високим (9…10 мас. %) вмістом аморфного бору, визначено режими хромування шару Ni-B.

Вивчено особливості дифузійного перерозподілу компонентів шарів та твердофазних реакцій у результаті термічної обробки покриття. Показано закономірності утворення боридних фаз нікелю і хрому та вплив температурно-часових параметрів відпалу на формування композиційної структури покриттів. суспензія активна аморфний бор

Дослідження властивостей розроблених двошарових покриттів показали їх переваги над одношаровим нікель-бор і гальванічним хромовим покриттями за триботехнічними характеристиками, циклічною міцністю, корозійною тривкістю в розчинах H₂SO₄ і HNO₃ та стійкістю до окиснення. Розроблено технологічні режими формування КЕП Ni-B-Cr на сталевих виробах для конкретних умов експлуатації.

Ключові слова: композиційні електрохімічні покриття, термічна обробка, бориди нікелю, бориди хрому, зносотривкість, витривалість,корозійна тривкість.



АННОТАЦИЯ

Мардаревич Р.С. Разработка двухслойных композиционных электрохимических покрытий системы Ni-B-Cr для повышения износо- и коррозионной стойкости изделий из углеродистых сталей. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01 - материаловедение. - Физико-механический институт им. Г.В. Карпенко Национальной академии наук Украины, Львов, 2010 г.

Диссертационная работа посвящена установлению основних закономерностей и разработке технологии электрохимического осаждения и термической обработки двухслойных композиционных покрытий на основе никеля, бора и хрома для повышения работоспособности углеродистых сталей в условиях воздействия напряжений, агрессивных сред и повышенных температур.

Исследованиями процесса электроосаждения слоя никель-бор из сульфатхлоридного электролита-суспензии установлены концентрационные зависимости влияния состава суспензии и режимов электролиза на содержание дисперсной фазы в покрытии. Рассчитан и подтвержден экспериментально гидродинамический режим работы электролизера, обеспечивающий оптимальную скорость (0,15...0,2 м/с) потока суспензии для получения покрытий стабильного состава. Обоснована целесообразность и определены концентрации в суспезии добавок поверхностно-активных веществ, способствующих увеличению содержания бора в покрытиях до 9…10 масc. %, установлен режим пористого хромирования слоя Ni-B.

Термодинамический анализ возможных твердофазных реакций в системе Ni-B-Cr при ее нагреве указывает на большую вероятность образования боридов хрома, чем никеля. Определена минимальная температура (420С) начала взаимодействия бора с никелевой матрицей и образования борида Ni₃B, наибольщий тепловой эффект при 490С соответствует образованию борида хрома Cr₅B₃ на границе раздела слоев. При увеличении продолжительности (1…2ч) и температуры (850…1000С) отжига, вследствие интенсивной диффузии бора в хромовый осадок происходит формирование хромоборированого слоя с характерной столбчатой структурой боридных зерен, состоящих преимущественно из фазы CrB. На границе раздела слоев образуется диффузионная зона, распространяющаяся вглубь никельборидного слоя, содержащая меньщее количество боридных зерен (Ni₃B и CrB) вследствие перераспределения бора в поверхностный слой. Микротвердость поверхностного слоя зависит от режимов отжига и находится в пределах 13,8…17,9 ГПа, переходной диффузионной зоны - 5,3…8,2 ГПа и никельборидного слоя - 8,6…12,5 ГПа для покрытий с концентрацией бора 4,2…4,5 масс.%. Для КЭП, содержащего 8…10 масс.% бора, микротвердости диффузионной зоны и никельборидного слоя существенно не различаются (12,8…14,1 ГПа).

Исследования свойств разработанных двухслойных покрытий указывают на их существенные преимущества по сравнению с однослойным никель-бор и гальваническим хромовым покрытиями по триботехническим характеристикам, циклической прочности, коррозионной стойкости в растворах H₂SO₄ і HNO₃ и жаростойкости. Разработаны технологические режимы формирования КЭП Ni-B-Cr на стальных изделиях для конкретных условий эксплуатации.

Ключевые слова: композиционные электрохимические покрытия, термическая обработка, бориды никеля, бориды хрома, износостойкость, выносливость, коррозионная стойкость.



SUMMARY

Mardarevych R. S. Development of a two-layer electrochemical composition coatings of Ni-B-Cr systems for the increase of wear- and corrosion resistanсe of carbon steels wares.

Dissertation for Candidate of Sciences (Engineering) degree in speciality 05.02.01 - Materials science. G.V. Karpenko Physisico-Mechanical Institute of the National academy of Sciences of Ukraine, Lviv, 2010.

The dissertation is devoted to establishment of basic dependencies and to development of technology of the electrochemical plating and heat treatment of nickel based two-layers electrochemical composition coatings with addition of boron and chromium for an increase of carbon steels durability under action of mechanical stresses, aggressive environments and high temperatures.

It was established concentration dependencies of an influence of suspension composition and electrolysis regimes in process of nickel-boron layer electrodeposition from a sulfate-chloric electrolyte-suspensions on a dispersive phase content in coatings. It was calculated and experimentally confirmed the optimal (0,15…0,2 m/s) velocity of suspensions flow and proved of application expedience of surface-active substances of cationic nature for electrodeposition of coatings with high concentration (9…10 mass.%) of amorphous boron. Regimes of chrome-plating of Ni-B layer were determined.

The peculiarities of diffusive redistribution of components in electroplating layers and solid state reactions are studied as a result of heat treatment of coatings. Formation regularities of nickel and chrome boron phases and influence of temperature-time parameters of annealing on forming of different structures in composition coatings are showed.

Investigation of properties of developed two-layers electrochemical composition coatings showed their advantages over mono-layer nickel-boron and galvanic chromium coatings in tribological characteristics, fatigue durability, corrosion resistance in solutions of H₂SO₄ and HNO₃ and resistance to oxidation. The technological regimes of electrodeposition of Ni-B-Cr composition coatings on steel and heat treatment are developed for the increase of their service life in given environments.

Key words: electrochemical composition coatings, heat treatment, reaction diffusion, boride of nickel, boride of chromium, wear resistanсe, fatigue durability, corrosion resistanсe.

Размещено на Allbest.ru

...