Материал: Восстановление деталей машин композитным хромовым покрытием. Жачкин С.Ю

5.3. Исследование влияния основных показателей гко на остаточные напряжения в покрытии

Известно, что при малых плотностях тока до (12 кА/м² ) в покрытиях формируются сжимающие остаточные напряжения, которые с повышением плотности тока переходят в растягивающие и, начиная с плотности тока 18 кА/м² стабилизируются [11]. Наблюдаемую зависимость можно объяснить следующим образом. Многократное пластическое деформирование каждого элементарного слоя вызывает в нем появление сжимающих остаточных напряжений, которые суммируются с собственными растягивающими остаточными напряжениями в каждом элементарном слое хрома, обусловленными структурными превращениями в осадке. При малой плотности тока (соответственно малой скорости осаждения), когда формируются тонкие элементарные слои осадка, были получены сжимающие результирующие остаточные напряжения. С увеличением плотности тока а, следовательно, и скорости осаждения, растет толщина элементарных слоев, а глубина упрочненного слоя при неизменном усилии деформации остается прежней. В связи с этим уменьшается доля сжимающих остаточных напряжений в каждом слое за счет того, что каждый элементарный слой деформируется меньшее количество раз, поэтому результирующие остаточные напряжения из сжимающих, уменьшаясь по абсолютной величине, переходят в растягивающие. Этот процесс может усиливаться тем, что увеличение плотности тока приводит к некоторому увеличению выделения водорода на катоде, который активно адсорбируется на гранях растущих кристаллов металла, что в свою очередь, может способствовать увеличению растягивающих остаточных напряжений в хроме [70]. Стабилизация растягивающих напряжений с повышением плотности тока объясняется растрескиванием хромового покрытия в результате превышения остаточными напряжениями предела прочности хрома.[70].

Таблица 5.3

Результаты эксперимента

Для изучения влияния электролиза на остаточные напряжения получаемых покрытий применялось математическое планирование эксперимента [1]. Был реализован полный факторный эксперимент 2³. Характеристики плана эксперимента выбирались из условий получения беспористых хромовых покрытий со сжимающими остаточными напряжениями.

Частота вращения образцов и скорость возвратно-поступательного движения инструмента поддерживались на постоянном уровне и составляли соответственно 70 об/мин и 120 дв.х./мин. В качестве зависимой переменной была взята  (остаточные напряжения в покрытии) кг/см².

Матрица планирования, результаты экспериментов представлены в таблице 5.3, а результаты расчетов пошаговой множественной регрессии представлены в приложении 4.

Значение параметра оптимизации для восьми экспериментальных точек плана находилось как среднее арифметическое из 3-х параллельных экспериментов. Реализация экспериментов осуществлялась по таблице случайных чисел. Для оценки дисперсии воспроизводимости дополнительно в центре плана ставилось еще четыре параллельных эксперимента.

В результате расчета пошаговой множественной регрессии с применением пакета “Statistika” получено линейное уравнение, описывающее зависимость остаточных напряжений в покрытии от исследуемых факторов:

 = 38,063 – 1,11i – 0,09T – 6,63P

Корреляционный анализ позволил выявить, что зависимость остаточных напряжений от исследуемых факторов линейная, а связь между ними довольно сильная - множественный коэффициент корреляции достигает значения 0,977.

Анализируя корреляционную матрицу, видим /приложение 4 /, что наибольшее значение на остаточные напряжения в покрытии оказывает плотность тока /коэффициент корреляции - 0,837/ и удельное давление инструмента /коэффициент корреляции - 0,499/. Менее значительно влияет на остаточные напряжения в покрытии температура электролита /коэффициент корреляции - 0,066/.

После проверки значимости коэффициентов регрессии по критерию Стьюдента, выяснилось, что коэффициент регрессии при температуре электролита оказался незначимым, т.к. вычисленное значение критерия Стьюдента оказалось меньше табличного.

Учитывая, что коэффициент регрессии при температуре электролита оказался незначимым, с некоторым приближением уравнение регрессии можно записать в виде:

 = 38,063 – 1,11i – 6,63P

Однако, для более строгого учета влияния режимных параметров восстановления на остаточные напряжения в получаемых покрытиях удобнее пользоваться полным уравнением регрессии.

При анализе влияния исследуемых факторов на остаточные напряжения в хромовом покрытии из полного уравнения регрессии следует, что увеличение плотности тока ведет к уменьшению знака остаточных напряжений по абсолютной величине, вплоть до изменения знака , что согласуется с теоретическими и экспериментальными исследованиями, изложенными в [11].

Рост давления инструмента на обрабатываемую поверхность ведет к изменению остаточных напряжений: из растягивающих они переходят в сжимающие. Это видимо объясняется тем, что, во-первых, при увеличении давления глубина деформации элементарного слоя увеличивается, а, следовательно, увеличивается общая степень деформации растущего осадка, что ведет к устранению растягивающих и появлению сжимающих остаточных напряжений; во-вторых, увеличение давления инструмента на восстанавливаемую поверхность приводит к более интенсивному массовому внедрению инструментального материала в покрытие, что приводит к изменению кристаллической решетки осаждаемого слоя, и как следствие – препятствие развитию растягивающих остаточных напряжений в покрытии.

С ростом температуры электролита наблюдается следующая зависимость: с увеличением температуры скорость осаждения уменьшается, следовательно, уменьшается толщина элементарного слоя, что при неизменном усилии деформирования приведет к большему пластическому деформированию каждого элементарного слоя, что и вызывает возникновение больших результирующих остаточных напряжений сжатия в покрытии. Кроме того, этот процесс может усиливаться за счет того, что с увеличением температуры растет пластичность осаждаемых покрытий.

5.4 Экспериментальные исследования остаточных напряжений в покрытии при восстановлении деталей методом гко

Исследования проводились на экспериментальной установке гальваноконтактного хромирования. В качестве образцов использовались детали типа тел вращения из стали ЗОХГСА. Толщина покрытия во всех случаях составляла 170-200 мкм.

В ходе проведения экспериментальных исследований было выявлено, что при плотности тока до 12 кА/м² удавалось получить покрытия со сжимающими, остаточными напряжениями, далее при увеличении плотности тока остаточные напряжения переходят в растягивающие с одновременным увеличением их по абсолютной величине, и с плотности тока 18 кА/м² стабилизируются рис. 5.4.

Этот процесс видимо объясняется тем, что при увеличении плотности тока соответственно увеличивается скорость осаждения покрытия, а следовательно растет толщина элементарного слоя хрома, осаждаемого между двумя последовательными ходами инструмента. При определенном давлении и заданной плотности тока наступает такая толщина элементарного слоя, при превышении которой не происходит полного упругопластического деформирования осаждаемого слоя. В результате чего в слое хрома не создаются сжимающие остаточные напряжения. Как указывалось ранее предельной плотностью тока для создания сжимающих остаточных напряжений в покрытии является значение 12 кА/м².

Рис. 5.4. Распределение остаточных напряжений в хромовом покрытии для различных плотностей тока (i):

Т = 333 К; Р = 0,8 МПа; V₀ = 110 об/мин; V_в.п. = 110 дв.х./мин

1 – i = 8 кА/м²; 2 – i = 12 кА/м²;

3 – i = 18 кА/м²; 4 – i = 30 кА/м²

На рис. 5.5 представлено распределение остаточных напряжений по толщине хромового покрытия в зависимости от температуры электролита. Как было выявлено в ходе экспериментальных исследований с увеличением температуры электролита от 324 до 333 К остаточные напряжения из растягивающих, уменьшаясь по абсолютной величине, переходят в сжимающие.

Для хромовых покрытий, осаждаемых обычным методом, увеличение температуры электролита ведет к уменьшению остаточных напряжений растяжения. Этот процесс объясняется следующим образом: с увеличением температуры электролита уменьшается скорость осаждения гальванического хрома и, следовательно, уменьшается толщина элементарного слоя хрома, осаждаемого между двумя последовательными ходами инструмента.

При постоянном давлении увеличивается глубина проникновения упругопластической деформации, что приводит к возникновению в каждом элементарном слое сжимающих остаточных напряжений, которые, суммируясь, дают общую картину сжимающих остаточных напряжений в покрытии, восстановленном методом ГКО.

Рис. 5.5. Распределение остаточных напряжений в хромовом покрытии для различных температур электролита: (Т):

i = 18 кА/м²; Р = 1,0 МПа;

V₀ = 110 об/мин; V_в.п. = 110 дв.х./мин.

1 – Т = 324 К; 2 – Т= 333 К; 3 – Т = 343 К; 4 – Т = 353 К.

Распределение остаточных напряжений в зависимости от изменения давления инструмента показано на рис. 5.6. Как видно из графиков увеличением удельного давления инструмента на обрабатываемую поверхность удается получать, а затем и увеличивать напряжения сжатия, но как показала практика, при превышении давления свыше 2,0 МПа на покрытии наблюдаются вспучивания и шелушения, что вызывается, видимо переупрочнением покрытия и повышенной концентрацией частиц инструментального материала в покрытии.

Рис. 5.6 Распределение остаточных напряжений в хромовом покрытии для различных давлений инструмента (Р):

i = 18 кА/м², Т = 333 К, V₀ = 110 об/мин; V_в.п. = 110 дв.х./мин.

1) Р = 0,5 МПа; 2) Р = 1,0 МПа; 3) Р = 1,5 МПа;

4) Р = 2,0 МПа

Металлографические исследования поверхности и поперечного щлифа выявили два основных типа микроструктуры рис. 5.7:

1 - полосатая беспористая структура на поперечном шлифе и отсутствие трещин на поверхности

2 - пористая структура с трещинами по сечению и на поверхности с широкими одиночными рисками-трещинами Как выявили исследования, проводимые в ходе восстановления деталей типа тел вращения хромированием, при плотности тока 7кА/м² формируются структуры первого типа, но с увеличением плотности тока это условие становится все более нестабильно, и начиная с плотности тока 12 кА/м², формируются структуры второго типа.

Увеличение температуры электролита при плотности тока 12 КА/м² и давлении инструмента 1,0 МПа ведет к увеличению дефектности покрытия. Это объясняется тем, что увеличение температуры электролита ведет к уменьшению скорости осаждения хрома, уменьшению толщины элементарного слоя покрытия, осаждаемого между двумя последовательными ходами инструмента по одной геометрической точки поверхности. Вследствие вышесказанного увеличивается глубина пластической деформации элементарного слоя покрытия, что приводит к различным дефектам вызванным переупрочнением покрытия, а именно их шелушению и вспучиванию.

При уменьшении температуры электролита с 353 до 333 К формируются осадки со структурой первого типа. Однако, при температуре 323 К осаждаются покрытия со структурой второго типа, для которых характерны растягивающие остаточные напряжения. Регулировкой давления инструмента удалось достичь следующих результатов. При давлении инструмента на восстанавливаемую поверхность 0,2 МПа получаются осадки второго типа. Но при увеличении давления до 0,4 МПа удалось получить переход осадков из второго типа в первый. При дальнейшем увеличении давления инструмента до 2,0 МПа и выше наблюдается шелушение покрытия, вызываемого видимо его переупрочнением и избыточным внедрением частиц инструмента в покрытие, которые, согласно гипотезе /58/ вызывают дополнительное микропластическое упрочнение осаждаемого покрытия.

Таким образом, на основании проведенных исследований установлены оптимальные режимы восстановления деталей хромовым покрытием без предварительной и последующей механической обработки со сжимающими остаточными напряжениями, исключающими образование в покрытии трещин, что обусловливает их герметичность.

Рис. 5.7. Типы структур хромовых покрытий, полученных

при восстановлении методом ГКО

Режимы восстановления деталей герметичным хромированием: