Спосіб одержання композиційних боридних покриттів на сталях і легких сплавах

Корисна модель відноситься до машинобудування, конкретно до формування композиційних боридних покриттів шляхом послідовного електрохімічного осадження шару металу групи заліза з дисперсним порошком аморфного бору та їх наступного швидкісного термопластичного деформування і може бути використаний для підвищення зносо- і корозійної стійкості деталей машин. Відомий спосіб електрохімічного нанесення композиційних покриттів на основі нікелю, міді, хрому та інших металів, що містять в собі дисперсні частинки наповнювача різного функціонального призначення [1]. Відомий також комбінований спосіб отримання композиційних боридних покриттів на основі металів групи заліза, який полягає в електрохімічному осадженні покриттів нікель-бор, кобальт-бор і залізо-бор з суспензій аморфного бору в електролітах нікелювання, кобальтування, залізнення та наступної їх термічної обробки в інертному середовищі (або вакуумі) за температур 900-1150°С протягом 1...4год [2]. Температурний вплив ініціює твердофазну взаємодію компонентів покриття - частинок бору та металу матриці і формування нової композиційної структури, що містить бориди Nі3В або Со3В, чи Fе2В у металевій матриці. Відомий ще один метод [3] формування композиційних покриттів евтектичного типу, який є найближчим за технічним змістом до запропонованого. Він включає електрохімічне осадження композиційних покриттів на основі металів групи заліза з частинками аморфного бору та наступну термічну обробку СВЧ. Перевага цього методу над попереднім є очевидною, виходячи з умови короткочасної (3...5с) тривалості термообробки, яка проводиться в атмосферному середовищі. Дослідження експлуатаційних властивостей композиційних електрохімічних покриттів Ni-B, Со-В і Fe-B підтвердили доцільність проведення додаткової операції термічної обробки, оскільки вона забезпечує високу адгезію покриття до матеріалу основи за рахунок утворення дифузійної зони на границі розділу покриття - метал. Внаслідок взаємодії компонентів по типу реакційної дифузії в покритті утворюються боридні зерна високої (9...17ГПа) твердості та з більшим їх об'ємним вмістом у металевій матриці порівняно з вмістом порошку бору в стр уктурі вихідного (електроосадженого) покриття Ме-В. Тому, зносостійкість термооброблених покриттів Ni-B перевищує зносостійкість вихідної структури в 6...8 разів. Корозійна стійкість термооброблених Ni-B покриттів в кислотних розчинах відповідає 5 балу (по десятибальній шкалі), покриття, що не пройшли термічну обробку відносяться до групи нестійких матеріалів і відповідають 10 балу. Проведення додаткової операції термічної обробки має два суттєві недоліки: - збільшення тривалості технологічного процесу і відповідно його енергозатрат; - непридатність даного методу для захисту легких сплавів. Останній недолік унеможливлює використання таких ефективних покриттів для поверхневого зміцнення значної кількості виробів, виготовлених з легких сплавів, зокрема алюмінієвих деформівних, максимальна температура нагрівання яких не повинна перевищувати 200°С. Мета корисної моделі - пошук додаткової, альтернативної термічній обробці, операції підвищення трибологічних характеристик покриттів Ni-B, Со-В і Fe-B шля хом формування композиційної боридної структури. Вказана мета досягається тим, що згідно способу, який включає електрохімічне осадження композиційного покриття металом групи заліза з порошком аморфного бору, наступн у обробку покриття проводять швидкісним термопластичним деформуванням за допомогою металевого диску за режимами: лінійна швидкість обертання диска 50...70м/с, лінійна швидкість деталі 1...3м/хв., глибина врізання інструменту 0,05...0,15мм, технологічне середовище - олива І-5А. Вказані параметри розраховували виходячи з необхідної температури в зоні фрикційного контакту 700...950°С та товщини теплового шару не більшої, ніж 200мкм. За таких умов швидкісного термопластичного деформування вихідна структура електроосадженого покриття (дисперсні частинки бору в металевій матриці), внаслідок швидкоплинних структурно-фазових перетворень, змінюються на нову композиційну стр уктур у матрично наповненого типу - боридні зерна в металевій матриці. В поверхневій зоні покриття кількість боридних зерен помітно більша, очевидно, за рахунок значної пластичної деформації та ущільнення металевої матриці. Аномально швидкому протіканню твердофазних реакцій боридоутворення сприяють: - висока густина спотворень і дефектів кристалічної ґратки електроосадженого металу, особливо точкових, концентрація яких перевищує термодинамічне рівноважну в 10...102 разів; - присутність атомарного водню та метастабільних металогідридних сполук у покритті; - імпульсний вплив зовнішнього температурно-силового поля (Q=12...15МВт/м 2) в зоні фрикційного контакту при додатковій обробці, яке генерує значну кількість термічних і деформаційних вакансій, що підвищує коефіцієнт самодифузії атомів на 3...4 порядки. Рентгеноструктурно ідентифіковано наступні боридні фази Ni3В, Ni2B - для покриттів Ni-B, Со3В - для покриттів Со-В і Fe2B - для покриттів Fe-B. Мікротвердість боридних зерен для всіх видів покриттів складає 10...14ГПа, металевої матриці 2...4ГПа. Приклад 1. На стальні (сталь 45) циліндричні зразки наносили композиційне електрохімічне покриття Ni-B з суспензії аморфного бору в сульфатхлоридному електроліті нікелювання. Товщина покриття - 100...200мкм, вміст бору в ньому - 4,8...5,5мас.%. Зразки з покриттями обробляли швидкісним термопластичним деформуванням на спеціальній установці, змонтованій на токарному верстаті, зміцнюючим інструментом служив стальний диск діаметром 250мм і шириною 10мм. Режими обробки: лінійна швидкість обертання диска - 70м/с, лінійна швидкість обертання деталі 1м/хв., глибина врізання - 0,15мм, технологічне середовище - олива індустріальна І-5А. Глибина теплової зони 200мкм, температура в зоні фрикційного контакту 900...950°С. Металографічний та рентгеноструктурний аналіз зразків показав присутність боридних зерен (Ni3B і Ni2B) в нікелевій матриці покриття. Мікротвердість боридних зерен складає 9...12,3ГПа, матриці - 3,4...4,1ГПа. Зносостійкість покриттів визначали на машині СМЦ-2 в режимі сухого тертя за схемою диск (зразок) - колодка (сталь 40ХН, HRC 38...40). Режими випробувань: швидкість ковзання 0,67м/с, питоме навантаження - 1,5МПа, шлях тертя 2,4км. Встановлено, що втрата маси зразків з термопластично деформованим покриттям в 1,7 рази менша, ніж термооброблених (1000°С, 2год.) та в 12,8 разів менша, ніж вихідних (електроосаджених) покриттів. Приклад 2. На циліндричні зразки з алюмінієвого сплаву Діб наносили композиційне електрохімічне покриття Ni-B товщиною 40...50мкм. Операції нанесення покриття передувала подвійна цинкатна обробка поверхні. Склад електроліту-суспензії та режими електролізу - аналогічні прикладу 1. Швидкісне термопластичне деформування зразків з покриттями здійснювали за режимами: лінійна швидкість обертового диску - 50м/с, лінійна швидкість обертання деталі - 2м/хв., глибина врізання - 0,05мм, технологічне середовище - олива І-5А. Глибина теплової зони 70...80мкм, температура в зоні фрикційного контакту -700-750°С. Покриття після обробки двофазне - зерна бориду Ni3В в нікелевій матриці. Мікротвердість боридних зерен становить 8,5...10,6ГПа, матриці 2,6...3,7ГПа. Випробування зносостійкості зразків показали, що втрата маси термопластично деформованих зразків в 1,3 та 7,2 рази менша, ніж термооброблених і вихідних (електроосаджених) покриттів. Джерела інформації: [1] Сайфуллин Р.С. Неорганические композиционные материалы. - М.: Химия, 1983. - 297с. [2] Мардаревич Р.С., Далисов В.Б., Гуслиенко Ю.А. Влияние структуры композиционных электролитических покрытий на прочность углеродистой стали // За щитные покрытия на металлах. - 1986. - Вып. 20. - С.8-83. [3] Гуслиенко Ю.А., Лабунец В.Ф., Евтушенко О.В. Применение высокочастотного нагрева для термическо обработки комбинированных электролитических покрытий // Защитные покрытия на металлах. - 1981. - Вып. 15. С.28-31. [4] Похмурський B.I., Федоров В.В. Вплив водню на дифузійні процеси в металах. - Львів: Фізико-механічний інститут ім.. Г.В.Карпенка НАН України, 1998. - 207с.