ПРИМЕНЕНИЕ И СВОЙСТВА ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ

Влияние гальванических покрытий иа своПства металла

Таким образом, для установления степени наводороживания стали в процессе наиесе1Н1я гальванических покрытии целесообразно определять-1) пластичность (относительное поперечное сужение \р и удлинение 6) стали после нанесения гальванических покрытий; б качестве образцов могут использоваться стандартные образцы (гагаринскле); 2) время до разрушения напряженных плоских образцов из высокопрочных сталей в процессе нанесения гальванических покрытий; 3) пластичность при изгибе (Л) плоских образцов из стали с мартенсит-ной структурой (например, стали У8) после нанесения гальванических покрытий. Последний метод рекомендуется только для мягких покрытий, например, цинковых и кадмиевых.

Наводороживаиие при цинковании. Для цинкования стальных деталей широкое применение находят кислые, цианистые и другие электролиты.

При цинковании в сернокислом электролите (ZnSOj-ZHjO, H,BOg, Na2S04- lOHjO) прн рН 4, не содержащем поверхностно-активных веществ, и 1 = 1 А/дм происходит лишь Ht большое наводороживание стали.

Введение в кислый цинковый электролит поверхностно-активных добавок (например, декстрина, сернокислого алюминия) увеличивает наводороживание стали, причем добавка декстрина вызывает большее наводороживание стали, чем сернокислый алюминий.

Повышение плотности тока при цинковании в кислом электролите также увеличивает степень наводороживания стали. Повышение температуры электролита о добавкой декстрина (10 г/л) уметьшает наводороживание стали

Прн цинковании в цианистом электролите происходит сильное наводороживание и связанное с этим уменьшение пластичности стали.

С увеличением времени цинкования до 20 мии наводороживание и связанное с этим снижение пластичности стали происходят в первые моменты цинкования.

При цинковании в указанном электролите высокопрочные стали обнаруживают высокую склонность к водородному растрескиванию (табл. 16).

С увеличением плотности тока и

16. Влияние плотности тона иа время ДО появ.т1ення трещин при цннноваиии напряженных образцов стали 40ХГСН2А

* Тр щнны не обнаружены.

растягивающих напряжений время до появления трещии уменьшается. Если прн плотности тока 0,5 А/дм образцы растрескиваются при напряжении 1200 МПа, то при плотности тока 1 А/дм* - при напряжении 1000 МПа, а при 10 А/дм трещины образуются при 600 МПа.

Цинкование в хлористоаммонийном электролите при различных плотностях тока 0,5; 0,7; 1; 1,5 А/дм* не выбывает водородного растрескивания образцов напряженной стали 40ХГСН2А [о = 1450 МПа) в течение 120 мин. Однако цинковаине в хлористоаммонийном электролите с добавкой роданистого аммония при рН 7 и = = 1 А/дм и в борфтористоводородном электролите при рН 4-5 и = = 2 А/дм* вызывает значительное наводороживание стали 40ХГСН2А.

Наводороживаиие при кадмировании. Прн кадмиро-вании в цианистых электролитах происходит значительное наводороживаиие и связанное с этим уменьшение пластичности, например, стали У8А при i н= 2 АУдм*. Наиболее сильное наюдороживание происходит в начале кадмировании, что отчетливо проявляется при кадмировании напряженных образцов стали 40ХГСН2А. С увеличением плотности тока время до появления трещин и напряжение, при котором происходит водородное растрескивание, уменьшаются.

Кадмирование а цианистом электролите приводит к виачительному уменьшению пластичности высокопрочных сталей. Пластичность стали 40ХГСН2Л после кадмировании уменьшается: по-

перечное сужение от 38 до 7,8 о и удлинение от 12,4 до 4,2 %, а стали 40ХНМА - соответственно от 43,4 до 22,4 V от И до 7,6 %. Кадмирование В хлористоаммонийном электролите на толщину 9--12 мкм с предварительной активацией в 10 o-нoм растворе НС1 с уротропином (40-50 г/л) не вызывает изменения механических свойств (Ов, () и 6) высокопрочных сталей 40ХГСН2А 40ХНМА.

Наводороживание при хромировании. В процессе влектроосаждекия хрома происходит наводороживание покрытия и основ-пого металла. Поэтому важно оценить влияние режимов хромирования на содержание водорода в стали и хроме.

Методика, основанная на электрохимическом окислении водорода, диффундирующего через тонкую металлическую мембрану, позволяет непосредственно изучить влияние режима хро- мирования, состава электролита, состояния поверхности стали и других факторов на водородопронициемость стали, а следователью, на ее наводороживание.

Установлено (рис. 3 и 4), что изменение i от 30 до 90 А дм прн одинаковом времени хромирования кгло влияет на количество проникающего в сталь водорода. Влияние проявляется в иэменекни продолжительности хромирования т: чем меньше i , тем больше время для получения хромовых покрытый одинаковой толщины и больше водорода лр01шкает в сталь. Для наводороживания ста ш опасны низкие (к, при которых хром не осаждается и выделяется лишь водорсд. В этих условиях в ста ь прони <ает в 6-7 раз больше водоро а (например, прн 1к - 5 А/дм и / = 65 С), чем при более высокой п on ости тока 1ц, когда осаждается хром. Такие плотности могут реализоваться ка участках детали, плохо изолированных илн труднодоступных для электрических си о-вых линий (в случае сложпопроф! лн-рованных поверхностен).

Наиболее влияет на проникновение водорода в сталь температура элетс-тролита. При увеличении температуры (с 55 до 75 С) дис;4узня водорода в сталь усиливается в 6-10 раз в зависимости от природы стали. Увеличение проникновения водорода в сталь С повышением температуры обуслов-

re 20 30 0 г,пим

Рис. 3, Изменение количества водорода, проникающего в сталь 30ХГСН2А при Осаждении хрома и катодной поляризации в стандартном электролите:

/ - D Л/дм {t = 56 О г - 30 Л;д (t = 55 CI; Л - 60 А/дм (( - 05 °С); 4 -SO А/дм {i = 75 °С); 5 - .ТО А дч (( = 75 °С); С - 5 А/дм (( ~ Сз С); У - 1Г0К OIIK ании, пролорцно \ . ьный кол I-честву во,чор да, проиик.тющс.го в ст ь: - акснм.тльньп! ток НОИПйЦ и

лено возрастанием коэ;Ы1)1Шнента дн()-фузии водорода и особенно с изменением структры хрома и его способности утержнвать водород.

При нанесении блестящего хрома, в котором содержание водорода составляет около 5,5-6,5 см на 1 г хрома, в сталь проникает почти в 10 раз меньше водорода, чем прн н н сепии молочного хро?.!а, с держащего около 1,7-2,5 см г л рода на 1 г хрома.

0,02

0,0/

10 20 30 М X, пин

Рис. 4. Глияиие продолжительности осаждения роь-а в стандартном электролите на количество диффуидируи>£;1его водорода в сталь гохГСН2А:

/ - 60 А лм = 55 CI; г - 30 А/Дм = Б5Х); 3 - 60 А дм ((-66 О: - 90 А дм = 75 -С); 5-30 А/дм (t = 75 С)

ПРИМЕНЕНИЕ и СВОЙСТВА ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ

Влияние гальванических покрытий па свойства металла

Изменеяпо cociaBa э.1сктролпга отражается на проникновении водорода в сталь вследовне изменения скорости осаждения п структуры xiwMa; снижение скорости осаждения увеличивает наводороживание, а увеличение дефектносп структуры, сопутствующее образованию более блестящих осадков, наоборот, снижает. Влияние изменения состава электролита зависит от режима электролиза. Например, увеличение содсржання HSO, от 2,5 до 7,5 г/л при ik = 90 .Л/дч существенно снижает проникновение водорода в сталь при 75 С и незнач 1тельно влияет при 55 С.

Определенную роль в прсршкнове-нии юдорода в сталь играет вид обработки поверхности перед хроми-юваиием. Влияние упрочняющей обработки поверхности связано в основном с изменением микрорельефа поверхности: при виброупрочиении поверхности стальными шариками и шли-(Ьовании поверхности проникновение нодорода в сталь одинаково, а при пескоструйной обработке опо снижается. Степень этого снижения зависит от режима электролиза: при < = 75 °С и 1и = 90 А/дм оно значительно, а при < = 65 С и = 60 А/дм - мало.

Количество диффундирующего в сталь водорода прн хромировании существенно зависит от природы стали вследствие изменения коэффициента диффузии водорода и степенн заполнения поверхности адсорбированным водородом.

Наводороживание основного металла в процессе хромирования изменяет характеристики пластичности стали (табл. 17).

17. Влияние продолжительности хромирования иа пластичность стали 30ХГСК2А

Продолжительность кромированин, мин

30 90 240

51,0 39.6 26,2 23,1 14,5 11,5

Уменьшение сужения Alt. %

22,6 48,6 54,7 71,6 77,4

Особенно сильное наводороживание н уменьшение пластичности стали наблюдается при хро.мировании в течение первых 10 мин. С увеличением времени хромирсваН1я пластичность стали уменьшается .менее интенсивно.

Следует отметить, что если при цинковании и кадыированин в циани-CTfiM электролите наводороживание стали происходит только в течение первых 20-30 уин, то прн хромировании заметное наг.одороживание наблюдается даже через 240 мин.

С повышением температуры электролита увеличивается наводороживание основного металла и уменьшается его пластичность. Наводороживание, происходящее при нанесении гальванических покрытий, приводит к резкому уменьшению длительной прочности высокопрочных сталей. Это особенно опасно, так как разрушение может начаться без заметной пластической деформации прн напряжениях, намного меньших предела прочности.

При заневоливании наводорожеииая сталь обнаруживает понижение длительной прочности. Так, наводорожеииая сталь с пределом прочности Ов = = 2000 МПа может подвергаться замедленному хрупкому разрушению при напряжении всего лишь 300 МПа.

Существующие в настоящее время гипотезы связывают замедленное разрушение наводороженной стали с диффузией водорода (атомов или протонов), растворенного в кристаллической решетке, к вершине трещины или местам с максимальным трехосным растяжением.

Термическая обработка. После нанесения гальванических покрытий термическая обработка деталей проводится для удаления водорода нз покрытия и основного металла с целью восстановления исходных физико-механических свойств основного металла и улучшения физико-механических свойств покрытия.

Основные параметры, определяющие эффективность термической обработки, - температура и продолжительность процесса.

В табл. 18 приведены режимы термообработки после нанесения гальванических покрытий.

Термическую обработку для удаления водорода из основного металла и покрытия после нанесения цинковых и

1в. Режимы термообработки после нанесения гальванических покрытий

180-200

140-160 180-200

200-230 140-160

III с p о

2-3 12

Примечание

Детали с пределом прочности 900- 1400 МПа Детали с цементованными поверхностями Детали нз высокопрочных сталей (о д > > 1400 МПа)

Детали а це-ментованны-ми поверхностями

кадмиевых покрытий на детали с пределом прочности меньше 900 МПа допускается не проводить.

Термическая обработка хромированных деталей проводится при температуре 200-230 с в течение 3 ч. За это время удаляется примерно 2/3 водорода, поглощенного покрытием и основным металлом в процессе электролиза. При этом скорость удаления водорода не одинакова во времени: вначале происходит быстрое выделение, но примерно через 2 ч наступает сильное замедление процесса, и для полного удаления водорода требуется значительное время нагрева (рис. 5). Поскольку в течение 3 ч выделяется основное количество водорода, а оставшееся практически не влияет на механические свойства основного металла, то увеличивать продолжительность обезводороживания не следует. Из данных, приведенных на рис. 5, следует, что недопустимо уменьшение температуры обезводороживания, так как в этом случае резко уменьшается выделение водорода даже при продолжительной выдержке.

При обезводороживаиии хромированных сталей уменьшается содержание водорода как в основном металле, Так и в хроме.

о ♦ * п к га

/tpeiemmmttHffoemt ftaieta,4

Рис. 6. Выделение водорода твердым хромом в зависимости от времени термообработки и температуры нагрева; 1 - 120 О. 2 - 160 С; 3 - 180 С: 4 - 200 °С

Сопротивление усталости. Гальвани ческне покрытия снижают сопротивление усталости основного металла. Наибольшее влияние на снижение сопротивления усталости сталей (особенно высокопрочных) оказывают хромовые покрытия, что обусловлено в 0сн0вн01и низкой прочностью и пластичностью хрома и наводорожива-нием стали.

В процессе нагружения при напряжениях, превышающих предел прочности покрытия, в хроме возникают трещины, ориентированные перпендикулярно действию силового потока, и долговечность деталей определяется временем, которое требуется для нх развития. Следует в связи с этим отличать влияние микроскопических трещин в покрытии, образующихся в процессе осаждения хрома, от влияния трещин, которые образуются в покрытии при циклических нагрузках вследствие низкой прочности и пластичности хрома. Микроскопическая сетка трещин, имеющаяся в хромовом покрытии как в исходном состоянии, так и после термической обработки, не может служить причиной снижения сопрэтнвлення усталости основного металла, так как наличие очень большого нх количества примерно одинаковых размеров и расположенных о большой частотой по поверхности покрытия приводит к значительному

19. Влияние упрочнения ППД на долговечность стали 80ХГСН2А при отиулевом цикле напряжений

разгружающему действию этих трещин и резкому уменьшению отрицательного влияния их как концентраторов напряжения. Трещины же в хромовом покрытии, возникающие в результате приложения циклических нагрузок, действуют как концентраторы напряжения и определяют снижение сопротивления усталости хромированной стали. Поэтому все факторы, влияющие на механическую прочность и пластичность хрома, при прочих равных условиях будут влиять на образование трещин в хроме. К этим факторам следует отнести структуру хромового покрытия и наводороживание, которые, в свою очередь, зависят от состава электролита и режима электролиза.

Однако применение упрочняющей обработки поверхностным пластическим деформированием (ППД), например, пескоструйной обработки, алмазного выглаживания, внброна-клепа, позволяет практически полностью устранить влияние хромирования на сопротивление усталости высокопрочных сталей. Упрочняющая обработка ППД создает сжимающие напряжения в поверхностном слое н изменяет геометрию микрорельефа поверхности путем значительного увеличения радиуса микронеровностей. Для хромированных деталей упрочнение поверхностного слоя ПЦД необходимо для того, чтобы препятствовать распространению трещин, образовавшихся в хроме при циклических нагрузках, в основной металл. Это благоприятно сказывается на повышении сопротивления усталости хромированной стали (табл. 19).

Применение термической обработки (отпуска), обезводорожнвания и упрочнения ППД перед хромированием позволяет практически устранить влияние хромнроваиня на сопротивление усталости высокопрочных сталей, т. е. решить вопрос о возможности многократного ремонта деталей нз этих сталей с восстановлением хромового покрытия при каждом ремонте.

В табл. 20 показано влияние многократного хромирования на циклическую долговечность образцов из сталей 30ХГСН2А и 40ХГСНЗВА при отнуле-вом цикле напряжений при растяжении, а в табл. 21 - на предел выносли-

вости стали 30ХГСН2А. С целью определения влияния па малоцнкловую усталость сталей типа 30ХГСН2А многократного хромирования и эксплуатационных нагрузок была испытана серия хромированных образцов, которые нагружались после каждого нанесения покрытия (см. табл. 20, п. 4).

Приведенные в табд. 20 и 21 данные показывают, что шестикратное хромирование при условии проведения rpoii-яогоотпуска и упрочняющей обработки ППД перед каждым хромированием оказывает такое же Блияппе на циклическую долговечность к предел выносливости высокопрочных сталей типа 30ХГСН2А, как и однократное хромирование. Это обусловлено тем, что применение упрочняющей обработки ППД перед каждым хромированием восстанавливает сжимающие напряжения в поверхностном слое стали, что тормо-8ит распространение трс1цнны, образовавшейся б хроме б результате воздействия циклических нагрузок, в основной металл.

21. Влияние мносонратного хромирования на предел выносливости стачи ЗОХГСН2А

Примечание. Предел п1.:носл11-вости при отнулево.м цикле птряжений При растяжении - на базе 2i0* циклов; предел выносливости прн симметричном цикле нйпряжениП при изгибе - па базе 10 циклов.

Примечание. В разделе использованы сведения из книг: 1. Ажогин Ф. Ф. Кор-роэиониор растрескивание м защита высокопрочных сталей м.г Металлургия, 59/4, 25G с.

2. Мельников П, С. Справочник ш гальванопокрытиям в MamnHocTpoLHHH. M.i Машиностроение, 1079. 296 с.

20. Влияние однократного и многократного хромирования на долговечность образцов из сталей 30ХГСН2А и 40ХГСНЗВА при отнулевом цикле напряжений при растяжеинн