12_Artemchuk.doc Властивості шаруватих електролітичних сплавів Fe-P, отриманих програмним електролізом Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 3 80 Артемчук В.В. Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту ім. академіка В. Лазаряна, м. Дніпропетровськ, Україна E-mail: art_vv@ukr.net ВЛАСТИВОСТІ ШАРУВАТИХ ЕЛЕКТРОЛІТИЧНИХ СПЛАВІВ Fe-P, ОТРИМАНИХ ПРОГРАМНИМ ЕЛЕКТРОЛІЗОМ УДК 629.4.027 У роботі розглянуто один з перспективних напрямків розвитку ремонтного виробництва, а саме відновлен- ня деталей композиційними, зокрема, шаруватими покриттями з наперед заданими властивостями. Проведено дослі- дження із визначення працездатності електролітичних сплавів залізо-фосфор, визначення раціонального вмісту скла- дових компонентів сплавів у шарах відновлювальних покриттів. Ключові слова: рухомий склад, відновлення деталей, електроліз, електролітичні сплави, шаруваті по- криття, зносостійкість, ресурс Вступ Одними з головних задач залізниці є підвищення швидкості руху, оновлення парку локомотивів та вагонів, підвищення надійності експлуатації та збільшення міжремонтного пробігу рухомого складу, а також зниження витрат на ремонт. Проблема підвищення надійності та ресурсу деталей є важливою та актуальною не тільки для залізничного транспорту, а і для будь-якого транспортного засобу. Однією з пріоритетних задач галузі також залишається виведення ремонтного виробництва залізниці на сучасний рівень. Рухомий склад залізниць, й особливо його механічна частина, працює у важких умовах. Механі- чна частина рухомого складу – це велика, складна система взаємодіючих між собою вузлів і деталей, що у процесі експлуатації піддаються зносу й іншим видам ушкоджень. Високі статичні та динамічні наван- таження породжують різноманітні зусилля, які викликають появу надмірних зносів, тріщин, зламів і ін- ших дефектів, що можуть суттєво впливати на стан рухомого складу. Однією з важливих складових ре- монтного виробництва є повторне використання деталей, оскільки за існуючими даними відновлення спрацьованої деталі в грошовому еквіваленті обходиться на 30 - 70 % дешевше, ніж вартість виготовлен- ня нової. Крім того, різноманітні технології відновлення деталей можуть бути використані безпосередньо у локомотивних та ремонтних депо. Тому розробка та використання сучасних технологій відновлення і зміцнення зношених деталей є актуальною проблемою. На нашу думку, одним з перспективних напрямків розвитку ремонтного виробництва є віднов- лення деталей композиційними, зокрема, шаруватими покриттями з наперед заданими властивостями. Отримання багатофункціональних шаруватих покриттів можливе різними шляхами, одним із яких є еле- ктролітичні методи. Представлена робота є продовженням досліджень [1 - 3]. Постановка проблеми Метою даної роботи є визначення властивостей та працездатності електролітичних сплавів на основі заліза, визначення раціонального вмісту складових компонентів сплавів у шарах відновлювальних покриттів. Виклад основного матеріалу Підвищення ресурсу та надійності деталей можливе лише за умови покращення експлуатаційних властивостей, які у свою чергу пов’язані з механічними. Ресурс деталей визначається, у першу чергу, їх зносостійкістю, а також втомною міцністю. Вказані властивості впливають на формування поступових (за зносом) та раптових (втомлене руйнування) відмов. Тому логічним є збільшувати їх ресурс та надій- ність, впливаючи певним чином на властивості покриттів. Спрощено структурну послідовність впливу та отримання необхідного результату можна представити у вигляді «технологічні параметри процесу нане- сення покриттів – структура шарів покриття – механічні властивості – експлуатаційні властивості по- криття – ресурс та надійність відновленої деталі». Зрозуміло, що ремонтне виробництво цікавить остан- ній пункт представленої структурної послідовності, тобто ресурс відновленої при ремонті деталі, а також технологічні параметри процесу, оскільки вони прямо пов’язані з техніко-економічними показниками процесу. Однак, для розв’язання науково-прикладних задач, на наш погляд, необхідно поетапно дослі- джувати покриття на всіх етапах структурної послідовності, що і було нами зроблено. Для нанесення електролітичних покриттів використовували розроблену установку, яка дозоляє проведення стаціонарного, нестаціонарного, ванного та позаванного електролізу, а також дозволяє регу- mailto:art_vv@ukr.net Властивості шаруватих електролітичних сплавів Fe-P, отриманих програмним електролізом Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 3 81 лювати електричні режими процесу осадження в широких межах. Дана установка допускає виконання технологічних операцій без та з використанням ЕОМ. Джерело живлення може використовуватись, як джерело постійного струму, якщо ЕОМ не задіяна. При роботі цієї установки рідина, наприклад, робочий електроліт за допомогою насоса із відповідної ємності через гнучкі полівінілхлоридні шланги поступає до електролітичної комірки і повертається у ту ж ємність. Оператор (технолог) задає форму та параметри струму (максимальні значення прямого та зворотного імпульсів, їх тривалість, наявність та тривалість пауз), час процесу нанесення покриття. Для потреб ремонтного виробництва залізниці з метою віднов- лення та зміцнення деталей проводили залізнення, цинкування, нікелювання, хромування та міднення, а також процеси пов’язані з отриманням сплавів на основі заліза. В роботі [1] представлені результати досліджень зносостійкості шаруватих електролітичних по- криттів, отриманих за допомогою розробленого програмного електролізу. Було показано, що мінімаль- ному зносу електролітичного заліза відповідає певний розмір блоків мозаїки, який не є єдиним і залежить від питомого навантаження; встановлені раціональні співвідношення товщин шарів покриття в залежно- сті від параметрів їх тонкої структури, а також було показано, що шарувата структура електролітичного залізного покриття дозволяє підвищити зносостійкість в 1,16 разів у порівнянні з одношаровим покрит- тям. Однак зазначимо, що застосування різних технологічних прийомів при нанесенні покриттів з певно- го матеріалу, у даному випадку електролітичного заліза, дозволяє «підняти» зносостійкість або інші вла- стивості до певної межі. Подальше покращення необхідних властивостей можливе лише за умови вико- ристання комбінації різних матеріалів, наприклад, сплавів. Електролітичні методи осадження покриттів дозволяють отримувати різноманітні сплави. Попередній аналіз літературних джерел [4 - 7] показує, що мікротвердість сплавів на основі заліза, як правило, вище мікротвердості залізного покриття. Причому, якщо оптимальною мікротвердістю µH з точки зору зносостійкості залізнених покриттів вважають 4500 … 5500 МПа [6], то для сплавів групи заліза µH може значно зміщуватись в сторону збільшення, при цьому позитивно впливаючи на зносостійкість покриття. Проте технологічний процес нанесення по- криттів із сплавів має недоліки: ускладнення та здороження процесу, а також окрихтування покриттів, що нівелює позитивні їх властивості. Крім того, для підвищення якоїсь властивості, наприклад, зносо- стійкості необхідно витримувати вміст легуючого компоненту в жорстких межах. До того ж покращення певних властивостей може приводити до погіршення інших, наприклад, введення фосфору при залізнен- ні підвищує мікротвердість та зносостійкість покриття, але при цьому зменшується міцність зчеплення та значно підвищується крихкість. Тому виникає необхідність покращення одних властивостей покриття при збереженні або мінімальному погіршенні інших. Головною відмінністю представлених розробок від існуючих є використання нестаціонарних режимів осадження сплавів групи заліза для відновлення деталей рухомого складу залізниць. В даній ро- боті наведені результати досліджень властивостей шаруватих покриттів із сплавів групи заліза, осадже- них за допомогою програмного електролізу. Загальною ідеологією отримання шаруватих покриттів із сплавів було наступне: перші шари – адгезійні наносили з мінімальним вмістом легуючих компонентів, якщо ці елементи погіршують міцність зчеплення, а робочі шари в залежності від задач наносили з по- ступовим зростанням або детермінованим вмістом компонентів. Крім того, регулювання вмісту легую- чих компонентів дозволило значно зменшити собівартість процесу відновлення (на 17 %) за рахунок зниження використання дорогих легуючих елементів на «нижніх» шарах покриття. Такий підхід дозво- ляє вирішувати різні техніко-економічні задачі, поєднуючи в собі переваги нанесення покриттів з «чис- того» заліза та сплавів на його основі та створюються умови для прояву синергічного ефекту. За мету ставили отримання максимальної зносостійкості покриття при забезпеченні високої міцності зчеплення, максимально можливої при цьому втомної міцності та мінімально можливій вартості процесу за критері- єм використання матеріалів. Відомо, що властивості осаджених електролітичних сплавів залежать від концентрації іонів, що розряджаються та поляризації кожного з компонентів сплаву хімічного складу, які у свою чергу вплива- ють на хімічний склад та фазову будову сплаву. Розглянемо деякі теоретичні аспекти впливу параметрів імпульсів на електролітичне покриття. Вплив прямих імпульсів. Згідно з [8] високі значення прямого струму при імпульсному електро- лізі обумовлює високі миттєві густини струму, що обумовлює розряд іонів при більш від’ємних значен- нях у порівнянні із стаціонарними режимами. Збільшення максимального значення густини струму пря- мого імпульсу приводить до прискорення зародкоутворення та зростання кристалів. В результаті відбу- вається подрібнення структури осадів та збільшується число дефектів кристалічної гратки, що в цілому впливає на механічні властивості покриття. На структуру також впливає час імпульсу, який обумовлює перерозподіл ліній струму, що до- зволяє регулювати дисперсність осадів. Тривалість імпульсу впливає на відстань віддалення фронту ди- фузії іонів, що розряджаються: чим менша , тим ближче фронт дифузії до поверхні катоду. Більш того, форма переднього фронту також впливає на швидкість зміни електродного потенціалу: чим більш крутий Властивості шаруватих електролітичних сплавів Fe-P, отриманих програмним електролізом Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 3 82 передній фронт, тим швидше зростає електродний потенціал E , що в кінцевому рахунку приводить до подрібнення та ущільнення осадів [8]. Склад сплавів за даними [9] залежить від кількості електрики , а саме максимального значення і тривалості прямого імпульсу. Збільшення при зменшенні і незмінній частоті f приводить до збагачен- ня прикатодного шару більш електровід’ємним компонентом. Вплив зворотних імпульсів. Під час дії зворотних імпульсів відбувається активація поверхні за рахунок «зриву» пасивних ділянок, а також розчинення мікровиступів (дендритів). Це стимулює заро- дження нових центрів кристалізації при наступних прямих імпульсах , поверхня становиться більш од- норідною та рівномірною. Регулюванням також можна змінювати розташування електродного потенціа- лу, в результаті чого в покритті може бути знижена концентрація водню в покритті [8]. При осадженні сплавів зворотними імпульсами також можна регулювати склад сплаву. Таке мо- жливе шляхом селективного розчинення компонентів сплаву, наприклад електровід’ємного; тоді створю- ється фаза з електропозитивного компоненту. Зворотні імпульси також дозволяють виводити неметалеві елементи з прикатодної зони, отримуючи складні сплави [9]. Наявність пауз. Паузи в процесі електролітичного нанесення покриттів дозволяють збагатити концентрацію катіонів у прикатодній зоні за рахунок їх руху із глибини розчину. Однак треба враховува- ти, що підчас пауз на катоді (деталі) може з’являтися пасивна плівка. Відомо, що пасивація зменшує кі- лькість кристалічних зародків, активних ділянок поверхні катода. Пасивна плівка може бути суцільна або часткова, що залежить від тривалості паузи пТ . Метою застосування пауз при імпульсному електролізі є гальмування зростання кристалів для отримання мілкокристалічної структури [8]. У той же час існує протилежна думка щодо необхідності застосування пауз принаймні при залізненні, оскільки поява паси- вної плівки хоча б часткової створює передумову до погіршення адгезії. Тому нами було розроблено ре- жим з використанням псевдопаузи (термін автора), що буде показано нижче. Особливу роль паузи набувають при осадженні сплавів, оскільки при цьому використовують комплексні електроліти, в яких потенціал у паузу за рахунок дії псевдоємності електроду на певний час затримується в електровід’ємній області. У простих же електролітах електродний потенціал до свого стаціонарного значення у паузу спадає набагато швидше. Механізм дії паузи пояснюють так [9]: під час паузи можлива парціальна реакція внутрішнього електролізу, тобто при розряді псевдоємності електроду на реакцію виділення компоненту більш електропозитивного. При збільшенні тривалості паузи пТ поте- нціал електроду зміщується в сторону більш електропозитивного, тоді більш електропозитивний компо- нент може довше розряджатися. Однак при пТ більшим за час, який необхідний для повернення елект- роду у стаціонарний стан, кількість електропозитивного компоненту буде знижуватись [8, 9]. Методика проведення експериментів. Для визначення зносостійкості покриттів використовували машину тертя СМЦ-2. Випробування проводили в умовах граничного та сухого тертя за схемою «ролик – колодка». Зразки виготовляли зі сталі 45. Еталонні зразки та контртіло піддавали термічній обробці: га- ртували на глибину до 2 мм з наступним відпуском при температурі 573 К, твердість після термічної об- робки складала 45…60 HRC, що відповідає вимогам до валиків гальмівної важільної передачі та ресор- ного підвішування. У якості зразків в залежності від поставлених задач виступали як ролики, так і коло- дочки. Товщина покриттів (після механічної обробки) коливалась у межах 0,1 … 0,5 мм на сторону; шор- сткість поверхні Ra = 1,25 … 2,5 мкм (наближена до реальних умов), також частину зразків шліфували до шорсткості Ra = 0,3 … 0,6 мкм (імітація поверхні колінчастих валів). Окрім сталі у якості матеріалу контртіла використовували сірий чавун. Площа контакту поверхні зразка та контртіла складала 2 см2. Для умов граничного тертя на поверхню ролика біля зони контакту подавалося мастило М14 з частотою 1 краплина за 5 хвилин. Частота обертання ролика складала 300 об/хв., лінійна швидкість в зоні контакту – 0,79 м/с; питоме навантаження для умов сухого тертя складало 1 МПа, для умов граничного в залежно- сті від задач – від 2,0 до 5,0 МПа. Перед проведенням експериментів для визначення зносу в умовах гра- ничного тертя, зразки витримувались у мастилі, температура якого складала приблизно 353 К протягом ~ 1,5 год. Знос визначали ваговим методом на аналітичних вагах ВДА-200 з точністю 0,1 мг. Шлях тертя для умов сухого тертя складав 3140 м (20 · 103 обертів), для граничного (максимальний) – до 31400 м (200 · 103 обертів). Випробуванням на знос піддавали покриття сплаву Fe-P тільки після їх відпалу. Сплав залізо-фосфор Fe-P доволі широко відомий, тому дослідження проводилися нами в на- прямку удосконалення технології нанесення покриттів з використанням даного сплаву. Відзначимо одра- зу, що головною перевагою даного сплаву є його висока зносостійкість. До відомих недоліків можна від- нести підвищену крихкість покриттів, зменшення міцності зчеплення з основою. Нам не вдалося отрима- ти працездатні залізофосфорні покриття без їх подальшої термічної обробки через їх високу крихкість. Тому, на нашу думку, до недоліків також можна віднести необхідність додаткових витрат на термічну обробку покриттів. Властивості шаруватих електролітичних сплавів Fe-P, отриманих програмним електролізом Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 3 83 Осаджування проводили з використанням двох типів електролітів – хлористого та сульфатного. Для хлористого використовували розчин складу, г/л: FeCl2 · 4H2O – 300 … 400; NaH2PO2 · 4H2O – 10 … 20. Температура електроліту складала 293 … 313 К, pH електроліту – 0,6 … 0,8. При використані хлористо- го електроліту програмували джерело живлення таким чином, щоб пауз не було, тобто використовували псевдопаузи. Максимальне значення густини струму прямих імпульсів досягало 80 А/дм2, зворотних – 20 А/дм2. Тривалість прямих імпульсів задавали в межах від 15 мс до 100 мс, зворотних – 4 … 20 мс, тривалість псевдопаузи nT – 150 мс. Для отримання сплавів з сульфатних електролітів використовували розчин складу, г/л: FeSO4 · 7H2O – 220; Na2PO2 – 8 … 12. Кислотність pH складала 2 … 2,5. Осадження проводили при тем- пературі 293 … 298 K прямокутними імпульсами струму з частотою 30 … 1000 Гц і шпаруватістю імпу- льсів від 2 до 32 та середньою густиною струму 1,5 … 4 А/дм2. Порівняння проводили із сплавами, отри- маними за допомогою постійного струму. У роботі [2] проведено моделювання з визначення впливу електричних параметрів, а саме густи- ни струму, шпаруватості імпульсів і частоти при електролітичному нанесенні покриттів на процентний вміст компонентів сплавів залізо-фосфор, що дозволяє прогнозувати структуру шарів покриття, які фор- муються та їх властивості. У якості фіксованих значень були вибрані середня густина струму фj = 3 А/дм 2, частота f = 1000 Гц і шпаруватість Q = 2. При виборі фіксованих значень виходили з того, що при даній час- тоті і шпаруватості струму величина пересичення на поверхні катода досягає таких же значень, що і при процесі електрокристалізації, що протікає на постійному струмі. Це призводить до того, що концентрація фосфору в сплавах, отриманих імпульсним струмом, мало чим відрізняється від його концентрації в по- криттях, отриманих на постійному струмі. Концентрація фосфору в сплавах, як функція параметрів струму приймає вигляд [2]: 2),,( )()()( ),,( фффф jQfP jPQPfP jQfP ⋅⋅ = , де P – шукана концентрація фосфору в сплаві; фP – концентрація фосфору в сплаві, отримана при фіксованих значеннях частоти, шпаруватос- ті, густині струму; )( fP – концентрація фосфору при вибраному значенні частоти і фіксованих значеннях решти параметрів електроосадження; )(QP і )( jP – функції для вибраних значень шпаруватості і густини струму відповідно при фіксованій решті параметрів. В результаті проведених експериментів були отримані залежності концентрації фосфору від час- тоти, шпаруватості, густини струму. На підставі цих залежностей були побудовані графіки для функцій )(QP і )( jP , )(QP і )( jP (рис. 1, 2) та за методом найменших квадратів були підібрані поліноми, що описують ці функції. 0 200 400 600 800 1000 13 14 15 16 17 18 19 P, ат.% f, Гц Рис. 1 – Залежність концентрації фосфору в сплаві Fe-P в сульфатному електроліті від частоти f (1) та шпаруватості Q (2) Властивості шаруватих електролітичних сплавів Fe-P, отриманих програмним електролізом Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 3 84 Аналітичний вираз залежності концентрації фосфору в сплаві Fe-P від: - частоти: 4123825 1062,41002,21009,302,091,12)( fffffP −−− ⋅−⋅+⋅−+= ; - шпаруватості: 45352 1026,01022,0013,051,095,19)( QQQQQP −− ⋅−⋅−+−= . 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 14 16 18 20 22 24 26 P, ат.% j, А/дм2 Рис. 2 – Залежність концентрації фосфору в сплаві Fe-P від густини струму j Аналітичний вираз залежності концентрації фосфору в сплаві Fe-P від густини струму має вигляд: jjP 7,488,32)( −= . Рентгеноструктурний аналіз показав, що сплав Fe-P характеризуються аморфною структурою, про що свідчить аморфне гало на місці першого дифракційного максимуму. Рентгеноспектральний аналіз поверхні покриттів показав, що концентрація фосфору в сплаві Fe-P склала 20 ат. %. При імпульсних режимах електроосадження було встановлено, що при частотах 1000 Гц і шпаруватості 2 у сплаві спосте- рігалася аморфна структура, а зміст фосфору був таким же, як і у покриттів, отриманих на постійному струмі. Зменшення ж частоти імпульсного струму з 1000 Гц до 30 Гц і збільшення шпаруватості імпуль- сів з 2 до 32 приводить до зменшення змісту фосфору в сплавах до 10 … 12 ат. %. Зменшення змісту фо- сфору позначилося на зміні структури покриттів. При концентрації фосфору менше 13 ат. % на дифрак- тограмі окрім аморфного гало спостерігалися віддзеркалення від дифракційних площин з малими індек- сами. Разом з аморфною структурою, що характеризується ближнім порядком стала формуватися крис- талічна структура сплаву, для якій характерний дальній порядок розташування атомів. Отримувані спла- ви характеризувалися наявністю змішаної структури – аморфно-кристалічною. Подальше зниження час- тоти і збільшення шпаруватості призводило до того, що концентрація металоїду зменшилася в сплаві Fe-P до 9 … 10 ат. %. Зниження змісту фосфору приводило до зменшення аморфної частки сплаву і збі- льшення його кристалічної. При вказаних вище концентраціях структура сплавів була повністю криста- лічною. Зниження вмісту фосфору в сплавах при зниженні частоти і збільшенні шпаруватості пов'язане з тим, що густина струму в імпульсі зростає, тоді як середня густина струму залишається незмінною, струм же розряду іонів фосфору при цьому досягає свого максимального значення, і розряд іонів відбу- вається в режимі насичення, тоді як струми розряду основних металів цього стану ще не досягають. Крім того, необхідно відзначити, що із збільшенням шпаруватості і зменшенням частоти зменшується вихід по струму металів до 60 % за рахунок того, що збільшується частка струму водню. На поверхні катода спо- стерігається інтенсивне виділення водню, бульбашки водню, що утворюються на поверхні покриття пе- решкоджають відновленню фосфору, а відповідно знижує його концентрацію в сплаві. Зауважимо, що сама по собі аморфна структура отримана електролітично, на відміну від інших способів, практичне значення має невисоке при виконанні ремонтно-відновлювальних робіт деталей ру- хомого складу, тому не є самоціллю. Тобто проведені експерименти показали, що осаджені сплави Fe-P з аморфною та аморфно-кристалічною структурою мали високу крихкість, яка унеможливлювала проведення повноцінних подальших експериментів для виявлення їх механічних та експлуатаційних вла- стивостей. Для забезпечення працездатності таких сплавів проводили термічну обробку, після якої стру- ктура була кристалічною, ультрадисперсною, щільно упакованою. Тому на етапі осадження покриттів вигідно отримати сплав, у даному випадку залізо-фосфор, з аморфною структурою. Властивості шаруватих електролітичних сплавів Fe-P, отриманих програмним електролізом Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 3 85 Характерною особливістю формування аморфних сплавів в імпульсних режимах від отриманих в стаціонарних умовах є те, що аморфну структуру вдається отримати при менших концентраціях фосфо- ру. Для Fe-P сплавів при частотах і шпаруватостях рівних відповідно 30 і 4 Гц аморфна структура спо- стерігалася при змісті фосфору 13 ат. %, тоді як сплави, отримані на постійному струмі, з таким вмістом фосфору характеризувалися наявністю аморфно-кристалічної структури. Пояснити дане явище можна тим, що в імпульсних режимах поляризація катода (різниця потенціалів катода у відсутності струму і у момент імпульсу), а відповідно і пересичення на його поверхні зростають із зростанням шпаруватості і зменшенням частоти і складає декілька десятків вольт, що приводить до збільшення запасу вільної енер- гії. Ця енергія перевищує на порядок енергію, яка відповідає кристалічній решітці з великою концентра- цією точкових і лінійних дефектів близько 1013 … 1014 см-2. За рахунок великих пересичень відбувається формування високодефектної структури. У подальшому отримані покриття сплавів піддавали відпалу протягом 1 години при температурі 700 К, яка є вище за температуру рекристалізації заліза. При цьому спостерігалося зменшенням внутріш- нього напруження, що імовірно пов'язано з значним виділенням включеного в сплав водню і про що сві- дчить зміна дифракційної картини. Високотемпературний відпал при 700 К повністю переводить покрит- тя з аморфного стану в кристалічне з утворенням двох фаз: фосфід заліза Fe3P і твердий розчин фосфору в α – Fe. Зносостійкість сплаву Fe-P Як і для осаджених залізних покриттів зносостійкість електролітично нанесених сплавів зале- жить від структури, у тому числі, структурних дефектів, але відмінністю сплавів від електролітичного заліза є різниця хімічного складу, що також може значно впливати на процеси зношування. Одним із факторів, що пояснює високу зносостійкість сплаву Fe-P є його температурна стабіль- ність в процесі тертя. Як показали експерименти, якщо у еталонних зразків відбувалось зниження твер- дості поверхні ~ на 15 … 20 HRC, що вочевидь пояснюється знеміцненням, то у зразків з електроосадже- ними Fe-P сплавами – збереження або навпаки підвищення мікротвердості. Даний ефект у деякій мірі підтверджується зростанням µH при збільшенні питомого навантаження. Крім того, можна припустити, що даний сплав характеризується стабільністю у відтворюванні окисної плівки на поверхні тертя. Дане припущення збігається з висновками, зробленими іншими дослідниками відносно електролітичного залі- за [10]. Також відомим поясненням високої зносостійкості покриттів електролітичного сплаву Fe-P є утворення після відпалу фосфідів. При шаруватій структурі утворені фосфіди рівномірно розподілені по площині шарів покриття. Залежність зносу покриття зразків від шляху тертя показано на рис. 3, 4. Рис. 3 – Знос електролітичного сплаву Fe-P при сухому терті. Шлях тертя 3140 м, тиск 1 Мпа: 1 – електролітичне залізо; 2 – сплав Fe-P осаджений на постійному струмі; 3 – сплав Fe-P осаджений програмно На нашу думку однією з головних відмінностей і переваг розробленої технології є можливість лише за рахунок електричних режимів регулювати вміст фосфору в сплаві, створювати умови для част- кової релаксації внутрішніх напружень по товщині покриття, що загалом дозволяє при відносно високо- му відсотковому вмісті фосфору та високій мікротвердості отримувати міцне зносостійке покриття. Отримати подібні покриття за допомогою стаціонарних режимів не вдалося, що свідчить про переваги використання програмного електролізу. На жаль, на даний момент нам не вдалося отримати покриття зі Властивості шаруватих електролітичних сплавів Fe-P, отриманих програмним електролізом Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 3 86 сплавом Fe-P (та й іншими сплавами) з мікрошарами з різкозмінним вмістом легуючих елементів, що теоретично було б цікавим. Можливо, це пов’язано з певною інерційністю процесів, тому, хоча вміст компонентів по товщині змінюється, однак даний процес відбувається не детерміновано, а плавно. Однак в цілому, це не знижує практичної цінності отриманих результатів. Рис. 4 – Знос електролітичного сплаву Fe-P при граничному терті. Шлях тертя 31400 м. Тиск (1, 2, 3) – 5 МПа, (4, 5, 6) – 3 МПа, (7, 8, 9) – 1 МПа 1, 4, 7 – електролітичне залізо; 2, 5, 8 – сплав Fe-P осаджений на постійному струмі; 3, 6, 9 – сплав Fe-P осаджений програмно На нашу думку однією з головних відмінностей і переваг розробленої технології є можливість лише за рахунок електричних режимів регулювати вміст фосфору в сплаві, створювати умови для част- кової релаксації внутрішніх напружень по товщині покриття, що загалом дозволяє при відносно високо- му відсотковому вмісті фосфору та високій мікротвердості отримувати міцне зносостійке покриття. Отримати подібні покриття за допомогою стаціонарних режимів не вдалося, що свідчить про переваги використання програмного електролізу. На жаль, на даний момент нам не вдалося отримати покриття зі сплавом Fe-P (та й іншими сплавами) з мікрошарами з різкозмінним вмістом легуючих елементів, що теоретично було б цікавим. Можливо, це пов’язано з певною інерційністю процесів, тому, хоча вміст компонентів по товщині змінюється, однак даний процес відбувається не детерміновано, а плавно. Однак в цілому, це не знижує практичної цінності отриманих результатів. При сухому терті (моделювання ситуації пуску, вичавлювання мастила із зони контакту, втрату мастила між контактними поверхнями) представляло інтерес здатність розглядуваного сплаву протисто- яти схоплюванню, оскільки цей вид зношування є одним із визначальних. Як показали експерименти, сплав Fe-P здатний витримувати без схоплювання питоме навантаження 1,3 … 1,7 МПа навіть при кон- тактуванні з контртілом із загартованої сталі. Можливо, виникнення схоплювання при більших наванта- женнях пов’язано з тим, що швидкість руйнування окисної плівки привалює над швидкістю її утворення, хоча дане припущення не є достовірно перевіреним і залишається лише припущенням. Проте, сплав Fe-P показав себе більш зносостійким у порівнянні з еталонними зразками та однозначно може бути рекомен- дований для практичного використання у ремонтній практиці залізниці. Також зауважимо відмінність зв’язку мікротвердості електролітичного заліза, у якого оптималь- на µH за критерієм зносу знаходиться у межах 4500 … 5500 МПа [10], для сплаву Fe-P цей оптимум зміщується в бік збільшення мікротвердості та має менш виражений характер (рис. 5). 310H µ ⋅ Рисунок 5 – Зв’язок між мікротвердістю та зносом електролітичного сплаву Fe-P: 1 – при сухому терті; 2 – при граничному терті Властивості шаруватих електролітичних сплавів Fe-P, отриманих програмним електролізом Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 3 87 Як видно з рис. 5 найменший знос розглядуваного сплаву знаходиться в межах 8500…9500 МПа при граничному терті та 7000 … 8500 МПа при сухому. Неспівпадіння зазначених мікротвердостей, при яких знос мінімальний можна пояснити різними температурними режимами та структурними перетво- реннями в зоні контакту поверхонь при терті. Можна також припустити, що незначне збільшення зносу при збільшенні мікротвердості, як і у випадку з електролітичним залізом, пов’язане з окрихтуванням по- верхневих шарів та проходженням відокремлених твердих та надтвердих часток між контактними повер- хнями, утворюючи паралельні риски на поверхнях. Додатковим фактором, що сприяє підвищенню зно- состійкості при програмному нанесенні електролітичних сплавів, зокрема, Fe-P є те, що шар, який зна- ходиться під поверхневим шаром має меншу мікротвердість та більш пластичний. По мірі зносу контак- туючого шару і наближення до підповерхневого, останній зміцнюється, якщо температура в зоні контак- ту не перевищує критичної, при якій відбувається перекристалізація або розм’якшення поверхневого ша- ру. Зазначений цикл продовжується, доки система знаходиться в рівновазі. Висновки Використання програмного електролізу має широкі можливості, які дозволяють отримувати які- сні відновлювальні покриття та в певних межах впливати на структуру і хімічний склад сплавів за раху- нок селективного розряду компонентів електроліту і тим самим регулюючи пошарово властивості всього покриття. У процесі досліджень було встановлено, що при терті сплаву Fe-P, як і багатьох інших матеріа- лів, відбувається комбінація різних механізмів зношування. Зносостійкість отриманого програмно сплаву Fe-P приблизно у 2,8 разів вище при сухому терті та у 2,3 рази при граничному у порівнянні зі сталлю 45; 1,18 рази у порівнянні із аналогічними покриттями, отриманими у стаціонарних умовах; ~ у 2 рази більше у порівнянні з електролітичним залізом. Література 1. Артемчук В.В. Зносостійкість шаруватого залізного покриття отриманого програмним елект- ролізом // Проблеми трибології. – 2012. – № 1. – С. 72 - 79 2. Заблудовський В.О., Ганич Р.П., Артемчук В.В. Вплив параметрів імпульсного струму у фор- муванні структури сплавів металів групи заліза з фосфором // Фізика і хімія твердого тіла. – 2012. – Т.13, № 1. – С. 214 - 219. 3. Заблудовський В.О., Ганич Р.П., Артемчук В.В. Дослідження структурних перетворень в спла- вах Fe-Ni-P, отриманих в нерівноважних умовах електрокристалізації // Фізика і хімія твердого тіла. – 2012. –Т.13, № 2. – С. 618-624. 4. Петров Ю.Н. Электролитическое осаждение железа / Петров Ю.Н., Гурьянов Г.В., Бобанова Ж.И., Сидельникова С.П., Андреева Л.Н. – Кишинев: Штиинца, 1990. – 195 с. 5. Закиров Ш.З. Упрочнение деталей электроосаждением железа. Душанбе: Изд-во «Ирфон», 1978. – 208 с. 6. Швецов А.Н. Основы восстановления деталей осталиванием. – Омск: Западно-сибирское КИ. – 1973. – 143 с. 7. Мелков М.П. Электролитическое наращивание деталей машин твердым железом. – Саратов: Приволжское книжное издательство. – 1964. – 204 с. 8. Костин Н.А. Импульсный электролиз / Костин Н.А., Кублановский В.С., Заблудовський В.О. – К.: Наук. думка, 1989. – 168 с. 9. Костин Н.А. Импульсный электролиз сплавов / Костин Н.А., Кублановский В.С. – К.: Наук. думка, 1996. – 206 с. 10. Шадричев В.А. Основы выбора рационального способа восстановления автомобильных дета- лей металлопокрытиями. – М.-Л.: Машгиз, 1962. – 296 с. Поступила в редакцію 12.09.2013 Властивості шаруватих електролітичних сплавів Fe-P, отриманих програмним електролізом Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 3 88 Artemchuk V. Properties of layered electrolytic alloys Fe-P, received the Software electrolysis. The article deals with one of the promising areas of repair production, namely the restoration of components, in particular layered coatings with desired properties. A study evaluating the efficacy of electrolytic iron-phosphorus alloys, the definition of a rational component content in the alloy layers deposited coatings. The purpose of this study is to determine the properties and performance of electrolytic iron-based alloys, the definition of rational content of the components in the alloy layers renewable coatings. The problem of improving the reliability and lifetime of the details are important and relevant not only for rail transport, but also for any vehicle. One of the priorities of industry output also remains the repair of railway on the current level. Use of the electrolysis has broad capabilities that allow for high-quality restoration coatings and to some extent af- fect the structure and chemical composition of alloys by selective discharge of electrolyte components, thereby adjusting layer properties only coverage. During the research it was found that the friction of the alloy Fe-P, as well as many other ma- terials, is a combination of different mechanisms of wear. Wear resistance of the resulting software Fe-P alloy at about 2.8 times higher in dry friction and is 2.3 times the limit when compared to steel 45; 1.18 times compared to similar coatings ob- tained in stationary conditions; ~ 2 times increase from electrolytic iron. Key words: rolling-stock, reconditioning of parts, electrolysis, electrolytic alloys, layered coating, wear resistance, resource. References 1. Artemchuk V.V. Znosostіjkіst' sharuvatogo zalіznogo pokrittja otrimanogo programnim elekt- rolіzom. Problemi tribologії. 2012. № 1. S. 72 - 79 2. Zabludovs'kij V.O., Ganich R.P., Artemchuk V.V. Vpliv parametrіv іmpul'snogo strumu u for- muvannі strukturi splavіv metalіv grupi zalіza z fosforom. Fіzika і hіmіja tverdogo tіla. 2012. T.13, № 1. S. 214 - 219. 3. Zabludovs'kij V.O., Ganich R.P., Artemchuk V.V. Doslіdzhennja strukturnih peretvoren' v spla-vah Fe-Ni-P, otrimanih v nerіvnovazhnih umovah elektrokristalіzacії. Fіzika і hіmіja tverdogo tіla. 2012. – T.13, № 2. S. 618-624. 4. Petrov Ju.N., Gur'janov G.V., Bobanova Zh.I., Sidel'nikova S.P., Andreeva L.N. Jelektroliticheskoe osazhdenie zheleza. Kishinev: Shtiinca, 1990. 195 s. 5. Zakirov Sh.Z. Uprochnenie detalej jelektroosazhdeniem zheleza. Dushanbe: Izd-vo «Irfon», 1978. 208 s. 6. Shvecov A.N. Osnovy vosstanovlenija detalej ostalivaniem. Omsk: Zapadno-sibirskoe KI. 1973. 143 s. 7. Melkov M.P. Jelektroliticheskoe narashhivanie detalej mashin tverdym zhelezom. Saratov: Privolzhskoe knizhnoe izdatel'stvo. 1964. 204 s. 8. Kostin N.A., Kublanovskij V.S., Zabludovs'kij V.O. Impul'snyj jelektroliz. K.: Nauk. dumka, 1989. 168 s. 9. Kostin N.A., Kublanovskij V.S. Impul'snyj jelektroliz splavov. K.: Nauk. dumka, 1996. 206 s. 10. Shadrichev V.A. Osnovy vybora racional'nogo sposoba vosstanovlenija avtomobil'nyh deta-lej metallopokrytijami. M.-L.: Mashgiz, 1962. 296 s.