11_Artemchuk.doc Зносостійкість шаруватого залізного покриття отриманого програмним електролізом Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 1 72 Артемчук В.В. Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту ім. академіка В. Лазаряна, м. Дніпропетровськ, Україна ЗНОСОСТІЙКІСТЬ ШАРУВАТОГО ЗАЛІЗНОГО ПОКРИТТЯ ОТРИМАНОГО ПРОГРАМНИМ ЕЛЕКТРОЛІЗОМ Вступ, постановка проблеми Як відомо, зносостійкість є одним із головних та визначаючих експлуатаційних параметрів як нової, так і відновленої деталі. Разом з іншими показниками, наприклад, втомною міцністю зносостій- кість у найбільшій мірі визначає ресурс відновлених деталей. Дослідження явища зношування деталей є вкрай важливим, оскільки розуміння процесів, що ві- дбуваються в контактних поверхнях матеріалів дозволяє розробити або нові конструкторські рішення по використанню більш зносостійких матеріалів (на етапі проектування виробів), або застосувати більш ефективні мастильні матеріали, або розробити нові та вдосконалити існуючі технології відновлення зно- шених деталей. Метою вказаних заходів є підвищення зносостійкості, а головне ресурсу та надійності рухомого складу. В даній роботі зупинимось на проблемі підвищення ресурсу та надійності деталей ло- комотивів і вагонів шляхом нанесення зносостійких відновлюючих шаруватих електролітичних покриттів. Процес зношування є складним, неоднозначним та багатофакторним. Для визначення та знахо- дження раціональних параметрів процесу відновлення деталей важливим залишається встановлення зв’язків за схемою «параметри процесу нанесення покриттів – тонка структура – зносостійкість». Роботи по встановленню зв’язків між тонкою структурою та зносом є, але недостатньо [1 - 3], а з врахуванням шаруватості залізнених покриттів взагалі невідомі. Можливо це пов’язано з великою кількі- стю різних варіантів нанесення залізнених електролітичних покриттів та з доступними умовами і облад- нанням. Крім того, у більшості робіт автори аналізують контактні пари виконані з різнорідних матеріа- лів: «сталі-чавуну», «сталі-бронзи», «сталі-алюмінієві сплави» та інші, проте на транспорті і в інших га- лузях промисловості не рідко зустрічається пара «сталь-сталь», хоча і з різними параметрами. Тому ви- никає необхідність проведення відповідних досліджень. Метою даної роботи є дослідження процесів зношування шаруватого залізного електролітичного покриття, визначення структурні параметри, товщини шарів та їх співвідношення. Процеси, що відбуваються у зоні контакту є складними та часто конкуруючими. Відомо, що еле- ктролітичне залізо має більшу стійкість до схоплювання у порівнянні із загартованою сталлю 45. Цим пояснюється більша зносостійкість при сухому та граничному терті при порівнянні наведеної пари. Вра- ховуючи великий вплив адгезійного виду зношування на загальну величину зносу, створення умов для зменшення схоплювання є однією з головних задач при підборі режимів нанесення покриттів. Як відомо, знос контактуючих поверхонь залежить від багатьох факторів, наприклад, шорсткості поверхонь, твердо- сті, контактного тиску, швидкості тертя, температури, наявності та умов змащування та інше. У той же час можна впевнено сказати, що зносостійкість пов’язана з міцнісними властивостями покриттів, одним із яких є мікротвердість. Мікротвердість прямо залежить від режимів осадження металу й відповідно структури покриття та є вигідним з точки зору визначення та контролю. Дослідження науковців показу- ють, що оптимальною мікротвердістю з точки зору зносостійкості залізнених покриттів є 4500 … 5500 МПа [3, 5], а за даними [6] значення мікротвердості, наприклад, для контактної пари «по- криття – чавун СЧ15-32» становить 5000 МПа. Тобто для електролітичного заліза немає чіткої прямо пропорційної залежності зносостійкості від мікротвердості, як для багатьох інших матеріалів. Хоча єди- ної думки з даного питання немає, оскільки в роботах [7, 4] запропоновані залежності, де із збільшенням мікротвердості зростає зносостійкість. Однак власні дослідження показують, що питання спірне і зна- чення мікротвердості, як визначального параметра зносостійкості може коливатися в залежності від ба- гатьох факторів. Однак, спільною є думка авторів про залежність зносостійкості від структури покриття. Збільшення розмірів блоків мозаїки приблизно до 1000 … 1200 Å і більше приводить до зниження мікро- твердості та відповідно підвищенню пластичності осаду. Під дією багатократних знакозмінних пластич- них деформацій відбувається відшаровування частинки з покриття, що викликано втомленим руйнуван- ням матеріалу. Дрібнення структури до 300 … 350 Å приводить до зміцнення покриття та збільшення мі- кротвердості та зносостійкості. Однак подальше дрібнення структури покриття (тобто при D < 300 Å) обумовлює утворення сітки суб- і мікротріщин, у тому числі і в тонких поверхневих шарах; в результаті властивості осадів погіршуються, а при D ≤ 100 … 140 Å різко погіршуються [3]. Відбувається значне окрихтування покриття, енергії в контакті достатньо для подолання сил зв’язку частинки з поверхнею і частинка відокремлюється від покриття. При цьому видалена частинка, окислюючись, являє собою абра- зив, який прискорює процес зношування. Треба враховувати, що на відміну від об’ємного напружено- деформованого стану поверхневих шарів, при терті максимальні напруження виникають в мікрооб’ємах поверхневого шару, що пояснюється контактуванням окремими мікровиступами контактуючих тіл, що у свою чергу приводить до виникнення циклічної зміни знаків напружень. Крім того, важливим є пояснен- PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Зносостійкість шаруватого залізного покриття отриманого програмним електролізом Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 1 73 ня підвищеної зносостійкості електролітичного заліза безперервним створенням окисної плівки на його поверхні [6]. Тоді логічним є те, що відокремлені частки створюють умови для локального руйнування цієї плівки та схоплювання контактуючих поверхонь. Нижче наведемо більш глибокий аналіз механізму зношування електролітичного заліза. При „жорстких” електричних режимиах осадження заліза (з метою отримання більш мілкокрис- талічних осадів) на постійному струмі механічні властивості досягають граничного рівня, який приблиз- но відповідає рівню властивостей загартованої сталі 45 або 50 [4, 7]. Покращити механічні властивості відновлювального покриття можливо декількома шляхами. В роботі [8, 9] запропоновано відновлення деталей рухомого складу шаруватими покриттями на основі за- ліза. Розроблена нами технологія дозволяє отримувати електролітичні залізні покриття, властивості яко- го можна регулювати по товщині у широкому діапазоні. Покращення фізико-механічних властивостей покриття в цілому пов’язано з його шаруватою структурою при умові правильного підбору шарів. Отри- мувати шарувату структуру можливо різними способами, а саме за рахунок різних за складом електролі- тів та електричних режимів. Застосування першого варіанту, на нашу думку, є недоцільним в силу низки причин і тому в роботі не показані. Раціональним є отримання покриттів з різними за товщиною та влас- тивостями шарами шляхом зміни електричних параметрів. В залежності від технічних та економічних можливостей ремонтного підприємства можна використовувати різні джерела струму. Одним з таких та відносно простих у виконанні є джерело асиметричного струму (рис. 1). t ,i A ,i A− 1t 2t nt пр mI зв mI Рис. 1 – Часова діаграма асиметричного струму: Imnp, Imзв – максимальні значення прямого та зворотного струмів; t1, t2, t3, … tn – моменти часу зміни катодно-анодного відношення Регулювання структури по товщині при застосуванні асиметричного струму виконують змінюю- чи катодно-анодне відношення ak JJ /=β , де kJ , aJ – густина струму катодна та анодна відповідно. Підготовчий режим передбачає поступове збільшення значення β з метою отримання максимальної мі- цності зчеплення і триває до 15 хв. В основному режимі відбувається регулювання значення β в необ- хідному діапазоні. При наближенні β → 1,1 (в основному режимі не використовується) розміри блоків мозаїки найбільші, покриття м’які, зносостійкість низька. При наближенні β до 10 осад отримується мі- лкодисперсний, високонапружений, з високою мікротвердістю. Теоретично можна отримувати β більшу за 10, але такі покриття для експлуатації не придатні. Відношення β = 10 на нашу думку, також викори- стовувати не доцільно, крім умов, коли необхідно отримати поверхню з широко розвиненою мережею тріщин, наприклад, для утримування мастила. Проведені експерименти дозволили визначити (орієнтов- ну) залежність розмірів блоків мозаїки від значення β (рис. 2). Як видно з рис. 1 величина β впливає на тонку структуру покриття в широких межах. Особливі- стю процесу є те, що у робочий (основний) період із заданою періодичністю система автоматики пере- микає джерело напруги, змінюючи значення β , а також при необхідності перемикає з асиметричного на постійний струм та назад. Періодичність перемикань та зазначені вище параметри залежать від властиво- стей, якими повинні володіти відновлювальні шари. Більш прогресивною і такою, що володіє більшими можливостями є установка програмного ім- пульсного електролізу. Установка дозволяє оператору задавати фактично будь-яку форму струму, у тому числі асиметричну, синусоїдальну, постійну, імпульсну; деякі форми наведені на рис. 3. Також установка дозволяє регулювати в широких межах параметри імпульсів такі, як максимальні значення прямого та зворотного імпульсів, їх тривалість, наявність (відсутність) та тривалість пауз. Регулюючи параметри ім- пульсів по заданій програмі в результаті отримували мікрошари з різними властивостями. Тобто шари по товщині покриття відрізнялись розмірами блоків мозаїки, мікротвердістю, міцністю та інш. Також регу- люванню піддавали і товщину шарів. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Зносостійкість шаруватого залізного покриття отриманого програмним електролізом Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 1 74 2 4 6 8 10 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 3 2 D, A 1 β Рис. 2 – Залежність розмірів блоків мозаїки від значення β при катодних густинах струму: 1 – 20 А/дм2; 2 – 30 А/дм2; 3 – 40 А/дм2 Для визначення впливу шаруватої структури на зносостійкість покриття, експерименти проводи- ли в два етапи. Покриття осаджували при певних режимах, створюючи групи з приблизно однаковими значеннями D в кожній групі. Після проведення експериментів результати об’єднували в масиви (табл. 1). На другому етапі планували експерименти для визначення впливу шаруватості на зносостій- кість. Для цього варіювали розмірами блоків мозаїки, кількістю та товщиною шарів. Покриття наносили таким чином, щоб шари 1 та шари 2 будувались по товщині почергово. Експерименти проводили при су- хому та граничному терті за стандартною методикою на машині тертя СМЦ-2; в даній роботі представ- лені результати дослідження зносостійкості шаруватого покриття при сухому терті. Результати експери- ментів порівнювали між собою та з покриттями, що мали суцільну (моношарову) структуру. Таблиця 1 Розміри блоків мозаїки у шарах покриття Варіант режиму Розмір блоків мозаїки шару 1 1D , Å Розмір блоків мозаїки шару 2 2D , Å 1 700 … 600 350 … 300 2 1100 … 900 350 … 300 3 1800 … 1500 350 … 300 4 700 … 600 1100 … 900 5 700 … 600 1800 … 1500 6 1800 … 1500 1100 … 900 m ax пр I m axпр I m axзв I а б PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Зносостійкість шаруватого залізного покриття отриманого програмним електролізом Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 1 75 m axпр I 1 m axзв I 2 m axзв I 1 m ax пр I 1 m axзв I 2 m axзв I 2 m axпр I в г Рис. 3 – Часові діаграми струмів: а – імпульсного уніполярного; б – імпульсного реверсованого; в, г – імпульсного із псевдопаузами (термін автора) Зробимо важливе зауваження. Шарувате покриття буде працездатним тільки за умови, якщо між шарами існує міцний зв’язок. Треба розуміти, що отримувані в результаті програмного електролізу шари не є відокремленими між собою, а межа, що виникає між шарами є границею, що розділяє різні за мікро- структурою шари і може умовно називатись міжфазною границею, яка також відіграє певну роль у зміц- нені та підвищенні зносостійкості. Зазначена міжфазна границя не впливає на когезію покриття. І навпа- ки, якщо між шарами є границя, яка утворена під дією інших причин, наприклад, появи гідроксидів на поверхні, не розчинення пасивної плівки і т.д., то це є порушення технології, яка приводить до погіршен- ня властивостей покриття або його браку. В розробленій технології, в наслідок дії зовсім іншої природи утворення шаруватості, зменшення когезії не спостерігалось. В результаті проведених експериментів були побудовані залежності (рис. 4, 5). Характер кривих (рис. 4) показує, що знос суттєво залежить від тонкої структури. Однак знахо- дження і застосування навіть оптимальних розмірів блоків мозаїки з точки зору зношення має свої обме- ження. При терті, особливо при великих питомих навантаженнях, поверхневі шари покриття зміцнюють- ся, при цьому збільшуються внутрішні напруження, які приводять до появи субмікротріщин, які розви- ваються в мікро-, а в деяких випадках (при жорстких режимах тертя) і макротріщини, що приводить до швидкого зносу і руйнування шару заліза. З приводу зміцнення при терті поверхневих шарів існують протилежні думки: в роботі [4] йдеться про деформаційне зміцнення при питомому навантаженні 2,5 МПа і більше. Автор стверджує, що у поверхневому шарі деформаційні викривлення накладаються на електрокристалізаційні, а додаткове зміцнення у покритті від дії сил тертя приводить до зменшення зно- су. У якості доказу висунутого припущення автор говорить про збільшення мікротвердості у зоні контак- ту [4]. Протилежна думка представлена в роботі [3], в якій стверджується, що в контакті відбувається знеміцнення та руйнування поверхні покриття. Враховуючи певні протиріччя в існуючих дослідженнях, можна зробити припущення, що зміцнення або знеміцнення залежить від умов тертя, у тому числі темпе- ратурної складової. Якщо температура не перевищує деяку критичну, яка залежить від матеріалу покрит- тя, то ймовірно відбувається процес зміцнення. Підвищений нагрів, навпаки створює умови для знеміц- нення поверхневих шарів, інтенсивність зношування зростає, знос переходить у катастрофічний. Про це ж свідчать і літературні джерела [2 - 6]. Аналіз отриманих залежностей (рис. 4) свідчить про існування подібності характеру зносу від параметрів тонкої структури (рис. 4 а, б), хоча і містить певні відмінності. Дещо неочікуваними виявилися результати, які пов’язані з визначенням мінімального зносу в залежності від значень блоків мозаїки. Якщо при навантаженнях 1…2 МПа мінімальний знос знаходиться при роз- мірах блоків мозаїки 250…400 Å, то при збільшенні навантаження до 5 МПа розмір блоків мозаїки, при яких знос мінімальний, складає 400…600 Å. Тобто із збільшенням навантаження розмір блоків мозаїки з мінімальним зносом зміщується в сторону їх збільшення на деяку величину. Отримані результати викликали сумнів, оскільки при збільшенні розмірів блоків мозаїки змен- шується мікротвердість і знос мав би зростати. Можливо даний факт можна пояснити тим, що вигідне, з точки зору зносу, зростання блоків мозаїки не виходить за критичне для даного матеріалу та наванта- ження. Дійсно, подальше укрупнення блоків мозаїки приводить до зростання, а потім і значного зростан- ня зносу (рис. 4). Температура в зоні контакту не перевищувала критичну й не перевищувала 393 К. І го- ловне, аналіз поверхні тертя показав зменшення розмірів блоків мозаїки в зоні контакту майже до 300…400 Å. Отже це означає, що при виконанні певних умов при терті відбувається зміцнення, а можли- во й самоорганізація субструктури в певних межах. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Зносостійкість шаруватого залізного покриття отриманого програмним електролізом Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 1 76 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 0 5 10 15 20 25 30 4 3 2 1 i, ì ã D, A а 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 4 3 2 1 i, ì ã D, A б Рис. 4 – Залежність зносу електроосадженого заліза від розміру блоків мозаїки при питомому тиску: 1 – 1 МПа; 2 – 2 МПа; 3 – 3 МПа; 4 – 5 МПа; а – контртіло – сірий чавун; б – контртіло – сталь 45 загартована с.в.ч. Пробіг ролика складав 3140 м Можливо тому при збільшених блоках мозаїки поверхні (до тертя), певному навантаженні та умовах тертя відбувається поступове зменшення субзерен, яке супроводжується подрібненням мікро- структури та зміцненням контактної поверхні, що в підсумку приводить до зменшення зносу покриття. Одночасно, підвищення температури зразків приводило до зворотних результатів, що може свідчити на ефект знеміцнення покриття та його прискорене руйнування. У той же час, проведені нами експерименти при навантаженнях більших 5 МПа при сухому терті, показали, що використання покриттів з субзернами в поверхневому шарі більших за 700 … 800 Å недоцільне, оскільки їх подальше зростання приводить до підвищення зносу. Також звертає на себе увагу асиметричність залежностей зносу від блоків мозаїки, яку можна пояснити різким окрихтуванням покриття при зменшенні розмірів блоків мозаїки, що супрово- джується значним зростанням зносу. При збільшенні розмірів блоків мозаїки вище раціональної, покрит- тя стає більш пластичним, зносостійкість зменшується, але швидкість збільшення зносу при цьому мен- ша, ніж при їх зменшенні. Застосування шаруватої будови покриття при певних геометричних співвідношеннях самих ша- рів та їх мікроструктур (перемежовування крупнокристалічних з мілкокристалічними) дозволяє підви- щити зносостійкість всього покриття в цілому (рис. 5). PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Зносостійкість шаруватого залізного покриття отриманого програмним електролізом Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 1 77 Рис. 5 – Залежність зносу електроосадженого заліза при сухому терті від пробігу при питомому тиску 2 МПа. Контртіло – сталь 45 загартована с.в.ч.: 1 – Сталь 45 загартована с.в.ч.; 2 - 8 – шарувате покриття Зробимо пояснення стосовно рис. 5. Шаруваті покриття отримані при режимах (табл. 1) та спів- відношеннях товщин шарів 1 та 2 – 1 2/h h : 2 – режим 3, 1 2/ 3 /1h h = 3/1; 3 – режим 3, 1 2/ 2 /1h h = 2/1; 4 – ре- жим 2, 1 2/ 3 /1h h = 3/1 та режим 1 з 1 2/ 1/1h h = 1/1; 5 – режим 2, 1 2/ 1/1h h = 1/1; 6 – режим 1, 1 2/ 2 /1h h = 2/1; 7 – режим 1, 1 2/ 3 /1h h = 3/1 та режим 3 з 1 2/ 1/1h h = 1/1; 8 – режим 2, 1 2/ 2 /1h h = 2/1. Інші співвідношення тов- щин та режимів на рис. 5 не наведені, оскільки мають гірші результати й інтересу не представляють. Механізм зношування та підвищення зносостійкості шаруватого покриття, на нашу думку, мож- на пояснити таким чином. Шари з мілкокристалічною структурою найбільш напружені, мають високу мікротвердість, міцність, опір зсуву. При цьому вони мають низьку пластичність та схильні до окрихту- вання. Шари з крупнокристалічною структурою мають протилежні властивості: меншу мікротвердість, міцність, але при цьому вони більш пластичні, з меншими внутрішніми напруженнями. Особливістю комбінації шарів з різною мікроструктурою є здатність часткової релаксації внутрішніх напружень за ра- хунок їх перерозподілу між більш пружними та більш пластичними шарами. Спосіб отримання електро- літичного залізнення обумовлює його максимальну наклепаність, а дефекти структури знаходяться у па- сивному стані, що у значній мірі зменшує його пластичність. У той же час вказана особливість електро- літичного заліза приводить до максимального зміцнення та зносостійкості [3]. Не піддаючи сумніву означені основні положення, зупинимось на деяких суперечностях. Подрібнення мікроструктури, напри- клад створенням жорстких умов електролізу, приводить до підвищення міцності. Як відомо, про збіль- шення міцності свідчить зростання мікротвердості [10]. Таким чином, якщо прагнути до максимально можливого зміцнення покриття, то і мікротвердість при цьому має бути максимально можливою, але це суперечить доведеному дослідниками факту існування оптимальної мікротвердості, яка є менша за мак- симально можливу [3, 5, 6]. Крім того, не викликає сумніву, що зносостійкий електролітичний матеріал повинен поєднувати в собі і високу міцність і достатню пластичність. Для досягнення цього існують різні методи, наприклад, створення дисперсійно зміцненого матеріалу, де в пластичній матриці знаходяться високоміцні включення. Іншим по своїй будові і складу є почергове нанесення умовно міцних і пластич- них шарів. В більш міцних шарах створені в процесі кристалізації дислокації мають малу рухливість, од- нак під час тертя в поверхневих шарах починається перерозподіл та перебудова дефектів, що особливо активується при збільшенні температури в зоні контакту. При шаруватій будові структури покриття, утворені границі розділу забезпечують додатковий опір руху дислокацій, що є важливим для підвищення зносостійкості. Крім того, на нашу думку, помилково вважати, що на знос впливає лише поверхневий шар. Аналіз взаємодії тертьових поверхонь показує, що із зростанням жорсткості умов тертя (підвищен- ня питомого тиску, збільшення швидкості відносного руху, погіршення умов змащування та інш.) збіль- шується глибина розповсюдження пружних деформацій на підповерхневі шари. У свою чергу, напруже- но-деформований стан разом із тонкою структурою впливають на зносостійкість та інші механічні влас- тивості всього покриття. Тертя супроводжується підвищенням густини дислокацій в зоні контакту пове- рхонь. В той же час, як відомо, зношування поверхневих шарів при терті залежить від співвідношення нормальної та тангенціальної складових навантажень. Також відомо, що швидкість руху дислокацій є функцією напруження зсуву, значить у приповерхневих шарах поверхні швидкість руху дислокацій може PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Зносостійкість шаруватого залізного покриття отриманого програмним електролізом Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 1 78 суттєво перевищувати швидкість їх руху в об’ємі матеріалу. При контактній взаємодії саме наявність, рух, швидкість руху та взаємне розташування дислокацій у кристалічній решітці визначає механізм плас- тичної деформації шарів і призводить до певних особливостей механізму тертя та зносу електролітичних покриттів. Це пов’язано з тим, що пластична деформація має дислокаційну природу і є наслідком конта- ктної взаємодії поверхонь. Ступінь пластичної деформації залежить від руху дислокацій в певних кріста- лографічних площинах і напрямах; причому, напрямок руху дислокацій змінюється на протилежний при зміні знаку навантажень, тобто виникає ефект зворотності, пов’язаний з ефектом Баушенгера, величина якого залежить від амплітуди деформації [11]. Зміна напрямків руху дислокацій (особливо багатократна) приводить до зародження точкових дефектів типу вакансій, які створюючи мікропорожнини, сприяють появі і розвитку мікротріщин. Окрім умов тертя та термічної обробки деталей, на швидкість руху дисло- кацій і пов’язаного з ним розвитку мікропошкоджень впливає структура матеріалу [11, 13, 14]. Таким чином, необхідно створити умови, за яких при високій щільності дислокацій їх рух буде обмежений. До- сягти даної мети можна декількома способами. Одними із факторів, що перешкоджають вільному виходу дислокацій на поверхню, можуть бути різні тверді поверхневі шари кристалу: окисні чи гідроокисні або металеві плівки, тощо. Одразу зауважимо, що необхідно запобігати створенню окисних та гідроокисних прошарків в електролітичному залізному покритті, оскільки це може значно погіршити адгезійні зв’язки між основою та покриттям та між шарами. Також помітно посилити опір виходу дислокацій може від- мінність параметрів гратки та підложки, різний характер кристалічної структури шарів, причому важли- вим є той факт, що із збільшенням модуля пружності плівок зростає опір виходу дислокацій [12 - 14]. Із наведеного вище витікає, що регулювання структури шарів дозволяє створювати потенціальні бар’єри на шляху руху дислокацій, збільшувати напруження тертя дислокацій, що приводить до гальмування їх руху. На основі аналізу зміни дислокаційної структури при зовнішньому терті можна припустити, що сила тертя пов’язана зі змінами дислокаційної структури, які виникають на поверхнях тертя. При цьому зовнішня робота при терті відповідає внутрішній роботі по зміні дислокаційної структури. Таким чином, роботу тертя деталей можна частково перевести в роботу взаємодії шарів. У той же час зауважимо, що однозначних оцінок і залежностей тертя від дислокаційної структури на даний час немає, що пояснюєть- ся неможливістю точного експериментального визначення істинної густини дислокацій в момент контак- тної взаємодії [12]. Однозначно можна лише зазначити, що при терті затрати енергії визначаються не тільки дислокаційними процесами в поверхневих шарах, а зона пластичної деформації не обмежується поверхневими нерівностями та поширюється вглиб покриття [12, 14]. Також покращення механічних властивостей, у тому числі, зносостійкості багатошарової струк- тури застосуванням пластичних, в’язких шарів можна пояснити так: в процесі тертя з часом зароджують- ся тріщини на рівні субструктури, збільшуються до рівня зерна, після чого продовжують зростати. Збі- льшення та розповсюдження мережі тріщин приводить до викрихтування спочатку окремих ділянок по- верхні, а потім і значного зростання величини зносу всієї поверхні. З деякою певністю можна припусти- ти, що «м’які» пластичні шари в деякій мірі гальмують розвиток мікротріщин у в’язкому середовищі пластичного шару. Враховуючи наведене вище, необхідно зазначити наступне. Шарувата структура, при певних па- раметричних співвідношеннях шарів, дозволяє підвищити зносостійкість у порівнянні з моношарами. Однак отримання переваг від використання шаруватої будови покриття можливе лише при раціонально- му співвідношенні товщини та властивостей окремих шарів. Так, можна зазначити наступне: товщина шарів має прагнути до нуля (теоретично), а фактично має бути можливо мінімальною. Не дивлячись на деякі технологічні труднощі отримання необхідної товщини шарів та дисперсності осадів на експеримен- тальній стадії осадження електролітичних залізних шарів, було виявлено, що осадити на поверхні підло- жки суцільний шар товщиною на рівні блоків фактично не представляється можливим, але вже при тов- щині 0,7…0,9 мкм на поверхні утворюється суцільна мікроплівка шару заліза за виключенням пор, що утворюються при осадженні металу. Зрозуміло, що отримати чітко задані структурні та геометричні па- раметри шарів вдавалось з певним розкидом (до 20 %), що можна пояснити нестаціонарністю процесу електролізу, але в цілому, після відпрацювання режимів, шари покриття отримували з очікуваними пара- метрами та властивостями. На підставі експериментів (рис. 5) можна зробити висновок, що співвідно- шення товщин шарів залежить від співвідношення розмірів блоків мозаїки. Так, для збільшення зносо- стійкості всього покриття при нанесенні осаду за режимом 1 (табл. 1) товщина шару 1 повинна бути при- близно в три рази більша товщини шару 2; при режимі 2 співвідношення їх товщин повинно складати 2/1; при виконанні режиму 3 товщини шарів 1 та 2 повинні бути приблизно однаковими. Крім того, нами було помічено, що зменшення блоків мозаїки навіть до 150 … 200 Å у окремих шарах при шаруватій бу- дові покриття, особливо, якщо їх оточують шари з блоками мозаїки 1500 … 1800 Å, не приводить до ка- тастрофічної руйнації осаду, а загальна зносостійкість всього покриття зростає. Також цікавим є те, що при проведенні експериментів спочатку для спрощення осаджували шари з різними розмірами блоків мо- заїки, але майже з однаковими товщинами шарів і при цьому отримували зносостійкість вище, ніж мо- ношарів з тими ж блоками мозаїки. Однак зауважимо, що при цьому товщини шарів були мінімально PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Зносостійкість шаруватого залізного покриття отриманого програмним електролізом Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 1 79 можливими, а результати випробувань на зносостійкість були гірші, ніж ті, що отримані при вказаних вище співвідношеннях шарів з урахуванням параметрів їх тонкої структури. Збільшення співвідношень товщин шарів більш вказаних вище приводило до погіршення зносостійкості, що фактично нівелювало переваги шаруватої структури покриття. Висновки Встановлено, що мінімальному зносу електролітичного заліза відповідає певний розмір блоків мозаїки, який не є єдиним, а залежить від навантаження і коливається в межах від 250 до 700 Å. Також встановлені раціональні співвідношення товщин шарів покриття в залежності від їх тонкої структури, при цьому покриття будується з мікрошарів. Зроблено припущення, що шаруваті електролітичні покрит- тя дозволяють стримувати зростання, вільне переміщення та об’єднання дефектів і таким чином значно зменшити зношення деталей. Показано, що шарувата структура електролітичного залізного покриття до- зволяє підвищити зносостійкість до 1,16 разів у порівнянні з моношарами. Таким чином, розроблена тех- нологія нанесення «програмного» покриття дає можливість покращити механічні властивості відновле- них деталей, підвищити їх зносостійкість та ресурс. Література 1. Гологан В.Ф. Повышение долговечности деталей машин износостойкими покрытиями / Голо- ган В.Ф., Аждер В.В., Жавгуряну В.Н. – Кишинев: Штиинца, 1979. – 117 с. 2. Гурьянов Г.В. Электроосаждение износостойких композиций. – Кишинев: Штиинца, 1985. – 237 с. 3. Петров Ю.Н. Электролитическое осаждение железа. / Ю.Н. Петров, Г.В. Гурьянов, Ж.И. Боба- нова, С.П. Сидельникова, Л.Н. Андреева. – Кишинев: Штиинца, 1990. – 195 с. 4. Закиров Ш.З. Упрочнение деталей электроосаждением железа. – Душанбе: Изд-во «Ирфон», 1978. – 208 с. 5. Шадричев В.А. Основы выбора рационального способа восстановления автомобильных дета- лей металлопокрытиями. – М.-Л.: Машгиз, 1962. – 296 с. 6. Швецов А.Н. Основы восстановления деталей осталиванием / Западносибирское книжное из- дательство, Омское отделение. – 1973. – 143 с. 7. Мелков М.П. Электролитическое наращивание деталей машин твердым железом / Приволж- ское книжное издательство, Саратов. – 1964. – 204 с. 8. Артемчук В.В., Костін М.О. Електролітичне залізнення – ефективна ресурсозберігаюча техно- логія відновлення зношених деталей рухомого складу // Вісник Східноукраїнського національного уні- верситету імені Володимира Даля. – Луганськ, 2004. – Випуск 8 (78). – С. 11-16. 9. Артемчук В.В. Розробка технології відновлення зношених деталей рухомого складу шарува- тими покриттями // Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна. – Дніпропетровськ, 2006. – Випуск 11. – С. 92-94. 10. Методы испытания на микротвердость. Приборы. М.: Наука, 1966. – 263 с. 11. Хирт Дж., Лоте И. Теория дислокаций. – М.: Атомиздат, 1972. – 599 с. 12. Рыбакова Л.М., Куксенова Л.И. Структура и износостойкость металла. – М.: Машинострое- ние, 1982. – 212 с. 13. Котрелл А. Теория дислокаций. – М.: Мир, 1969. – 99 с. 14. Фридель М. Дислокации. – М.: Мир, 1967. – 626 с. Надійшла 04.01.2012 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com