Повышение прочности электроосажденных железных покрытий

Твердость является одной из основных характеристик гальванических покрытий, используемых для восстановления изношенных деталей машин, поскольку она позволяет оценить другие механические свойства и в конечном итоге определяет износостойкость и долговечность восстановленных деталей. Широко распространенное в ремонтной практике электролитическое железнение позволяет получать покрытия высокой твердости - 6000 МПа и выше, что сопоставимо с твердостью закаленной стали. Однако поскольку в гальваническом железном покрытии совершенно отсутствует углерод, теории, объясняющие твердость стали (сплава железа, с углеродом) для гальванического железа не подходят, поэтому представляется интересным проанализировать причины возникновения аномальной твердости.

Парадокс высокой твердости электролитического железа в известных источниках объясняется по-разному: значительными искажениями кристаллической решетки железа, возникающими в процессе электролиза: наличием в структуре осадков оксидов и гидрооксидов; влиянием растворенного в железе водорода; зернограничным упрочнением осадка в виду его мелкодисперсности и др.

Что касается влияния на твердость железных осадков искажения кристаллической решетки, то, как показывают наши эксперименты, оно может быть весьма незначительным. Рентгенографический анализ (рис.1) показывает, что степень искажения решетки -Fe в электролитических осадках гораздо ниже, чем в мартенсите закаленной стали, имеющей одинаковую с ними твердость (~6000 МПа).

Уширение дифракционных пиков на рентгенограмме, снятой с образца закаленной стали, вызванное тетрагональностью решетки -железа, намного больше, чем на рентгенограмме, снятой с электроосажденного железа, что свидетельствует о весьма незначительном искажении кристаллической решетки последнего. Многочисленные рентгеноструктурные исследования железных осадков, полученных при разных режимах электролиза, не выявили в них присутствия оксидов, гидрооксидов или каких-либо других фаз, которые могли бы способствовать получению высокой твердости электроосажденного железа.

а)

б)

Рис. 1. Дифрактограммы железного покрытия (а) и мартенсита стали 30 (б), снятые в кобальтовом излучении

Более вероятным в железных осадках представляется механизм зернограничного упрочнения. Эксперименты показывают, что с измельчением зерна в гальванических осадках железа их твердость интенсивно возрастает (рис. 2).

а) б) в)

Рис. 2. Микроструктуры гальванического железа, полученные при различных условиях электролиза, имеющие различную величину зерен и различную твердость: а) d=500 Е, Hµ=4000 МПа; б) d=350 Е, Hµ=5200 МПа; б) d=250 Е, Hµ=6550 МПа.

гальванический твердость покрытие железный

Электронномикроскопическое исследование угольных реплик (х5000)

Границы между зернами (субзернами) железного осадка являются, как известно, труднопреодолимыми препятствиями на пути скольжения дислокаций, вызываемых приложенными извне напряжениями. Проанализировать изменение твердости железного осадка в зависимости от размеров зерен можно, используя известную дислокационную модель Петча

(1)

где уТ - предел текучести мелкокристаллического материала;

уМо - предел текучести материала при бесконечно большом размере кристалла;

Кб - коэффициент учитывающий блокировку дислокаций в кристаллической решетке;

L - длина линии скольжения дислокаций.

Твердость можно представить через предел текучести материала, так как между ними имеется достаточно надежное корреляционное соотношение. Согласно рекомендациям ГОСТ 22761

HV=3,62 уТ (2)

Учитывая выражение (1) и приняв уМо=125 МПа, L=1/2 d (d - размер звена в Е); Ку=const, получим расчетную формулу

(3)

Экспериментальная проверка твердости, рассчитанной по выражению (3), показала вполне удовлетворительное совпадение результатов в области больших размеров зерен (более 1500 Е), однако при меньших размерах зерен экспериментально определенная твердость, оказывается заметно выше теоретической (рис.3).

Рис. 3. Зависимости микротвердости электроосажденного железа от размеров зерен: 1 - теоретическая кривая; 2 - экспериментальная кривая

Очевидно, что при уменьшении размеров кристаллов в электролитическом осадке на уровень его твердости начинает действовать некоторый масштабный фактор, повышающий эту характеристику. Изучение мелкодисперсных осадков при большом увеличении (рис.4) позволило увидеть, что многие кристаллы железного осадка в исходном состоянии содержат дислокации в небольших количествах (рис.4а) и эти дислокации имеют различные направления. После деформирования покрытия количество дислокаций в кристаллах значительно увеличивается, они приобретают преимущественную ориентировку вдоль направления пластического течения. Многие полосы скольжения дислокаций преодолевают межзеренные границы.

а) б)

Рис.4. Микроструктуры осадков электролитического железа (величина зерна 100…200Е): а) - в исходном состоянии; б) - в деформированном состоянии (сжатие на 20 %) (х18000) (электронномикроскопическое исследование фольг)

Интенсивное размножение дислокаций в ограниченных объемах мелких зерен приводит к тому, что они начинают взаимодействовать друг с другом, увеличивая напряжения, необходимые для начала сдвига.

Если представить, что в дефектном напряженном кристалле торможение движущихся дислокаций вызывается их взаимодействием с дефектами (вакансиями и дислокациями в плоскости скольжения), то учесть этот фактор можно с помощью выражения

(4)

где - размерный коэффициент;

- разница удельных масс (плотности) железа с идеальной (нормальной) кристаллической решеткой и электролитического железа с дефектной решеткой.

Приняв значение размерного коэффициента, равным =69,2 МПа·см3/г, можно рассчитать сопротивление движению дислокаций в зависимости от плотности элекролитического железа, которая, в свою очередь, зависит от режимов электролиза (табл.)

Повышение предела текучести электролитического железа, в зависимости от плотности покрытия

гальванический твердость покрытие железный

Как видно из таблицы, ужесточение режимов электролиза, которое приводит к образованию в электролитическом железе большого количества дефектов (уменьшению плотности осадка), вызывает повышение прочности железа, которое может достигать 18 % по сравнению с относительно бездефектным материалом, что наблюдается в экспериментах (рис.3).

Из этой таблицы видно также, что запирающее напряжение в дефектном кристалле (напряжение трения дислокаций) значительно возрастает при уменьшении размеров субзерен. Эти зависимости приведены на рис.5. Они заметно проявляются как раз при малых размерах зерен.

Таким образом, исходя из приведенных выше рассуждений и экспериментальных данных, можно заключить, что высокая твердость электроосажденного железа определяется, главным образом, дислокационными процессами в мелкокристаллической структуре. Другие причины повышения твердости (искажение кристаллической решетки, наличие гидрооксидов и т.п.) играют вспомогательную роль.

Рис.5. Зависимость напряжения трения от размеров субзерен электролитического железа

Наконец, надо отметить, что все вышесказанное относится к качественным покрытиям, без трещин и крупных дефектов, поэтому при электроосаждении железа необходимо выбирать такие режимы, которые обеспечивали бы наименьшую зернистость, но не приводили к трещинообразованию.

Размещено на Allbest.ru