УДК 621.793 (075.8)

Метод упрочнения поверхности прокатно-прессового инструмента с применением хром-кадмиевого электролита

Крывый Юрий Владимирович – генеральный директор ООО “ПРЕССМАШ”.

Величко Александр Григорьевич – руководитель направления.

Аннотация: Исследование относится к области упрочнения поверхности прокатно-прессового инструмента с помощью нанесения износостойких гальванических покрытий, в частности к области применения хром-кадмиевого электролита. Результатом исследования является повышение износостойкости хромового покрытия с улучшением физико-механических свойств, в частности, беспористость, пластичность, высокая твердость и минимальные напряжения, а также минимальное снижение предела усталости хромированной стали, что способствует повышению потребительских свойств инструмента, также повышает производительность при производстве бесшовных труб. Практическим результатом является применение хром-кадмиевого электролита вместо стандартного при хромировании металлических изделий с целью получения износостойкого покрытия.

Ключевые слова: гальваническое покрытие, твердость, упрочнение, прокатно-прессовый инструмент.

Введение

В настоящее время в промышленности хромирование деталей производят в электролите при постоянной плотности тока по ГОСТ 9.305-84 «Единая система защиты от коррозии и старения. Покрытия металлические и неметаллические неорганические. Операции технологических процессов получения покрытий». Режим хромирования предусматривает получение блестящего хромового покрытия, характеризующегося высокой твердостью [1, 2].

Изучение состояния деталей [3, 4] после эксплуатации показало, что применяемое хромовое покрытие недостаточно стойко при механических и термических воздействиях во время работы изделия. На это указывает характер износа покрытия, отличающийся тем, что его разрушение происходит в основном путем растрескивания и выкрашивания отдельных частиц хрома, а не путем полного истирания покрытия. При эксплуатации блестящее хромовое покрытие легко растрескивается, и на ограниченных трещинами участках происходит выкрашивание под воздействием высоких механических усилий от трения и от термоциклического воздействия. Далее происходит износ (появление сетки разгара, комет, трещин) тела оправки, выполненного из кованной заготовки инструментальной штамповой стали.

Производители Cogne Acciai Speciali [5], Deutsche Edelstahlwerke (DEW) [6] для нанесения износостойкого хромового покрытия применяют стандартные электролиты, состав которых не подразумевает применение кадмия (Cd). Применение стандартных электролитов не позволяет добиться показателей, достигнутых при применении хром-кадмиевого электролита.

Команда ученых кафедры «Обработка металлов давлением» Национального исследовательского технологического университета МИСиС разработала новую технологию, позволяющую упростить процесс горячей прокатки бесшовных труб из легированной и высоколегированной стали [7]. Отличительная особенность технологии — последовательное использование двух «оправок» — инструментов превращающих малопослушную стальную заготовку в полую «гильзу».

В связи с недостатками технологий [5-7] в данной статье предложен метод хромирования с улучшенными физико-механическими свойствами, который минимально снижает предел усталости хромированной стали.

В настоящее время в промышленности хромирование деталей типа оправка производят в электролите при постоянной плотности тока. Режим хромирования предусматривает получение блестящего хромового покрытия, характеризующегося высокой твердостью.

Изучение состояния деталей после эксплуатации показало, что применяемое хромовое покрытие недостаточно стойко при механических и термических воздействиях во время работы изделия. На это указывает характер износа покрытия, отличающийся тем, что его разрушение происходит, в основном, путем растрескивания и выкрашивания отдельных частиц хрома, а не путем полного истирания покрытия.

Экспериментальная часть

Основные характеристики хром-кадмиевого электролита

Для проведения экспериментальных работ был выбран хром-кадмиевый электролит состава, приведенного а таблице 1.

Таблица 1. Состав электролита.

Хром-кадмиевый электролит приведенного состава обладает рядом существенных преимуществ по сравнению с универсальным электролитом хромирования. Экспериментальными работами было установлено, что процесс осаждения хрома в этом электролите характеризуется высоким катодным выходом металла по току 22-24% (Рис. 1, кривая 2) против 13-15% (Рис. 1, кривая 1) в стандартном электролите на оптимальных режимах.

Для хром-кадмиевого электролита характерен также более широкий интервал катодной плотности тока, обеспечивающий получение блестящих хромовых покрытий (Рис.2).

Были изучены пластичность и внутренние напряжения хромовых покрытий, полученных из хром-кадмиевого электролита по сравнению с хромовыми покрытиями из универсального электролита.

Пластичность хромового покрытия определялась на образцах-крешерах, изготовленных из стали 50РА (Ø10 мм, h=15 мм) и оценивалась по характеру разрушения покрытия после сжатия под прессом на 1/3 высоты.

Рисунок 1. Катодная плотность тока, А/дм2, где 1 – стандартный электролит, 2- хром-кадмиевый электролит.

Рисунок 2. Зона блестящих хромовых покрытий в стандартном (1) и хром-кадмиевом (2) электролитах.

На рис. 3 представлен внешний вид образцов с хромовым покрытием после испытания их на пластичность. Во всех случаях хромирования прочность сцепления хромового покрытия с основным металлом выше прочности самого хромового покрытия. По характеру разрушения хромового покрытия при его деформации можно судить о его пластичности. Из представленных данных видно, что хромовые покрытия из хром-кадмиевого электролита более пластичные, чем из стандартного электролита.

a

b

Рисунок 3. Пластичность хромовых покрытий: а) стандартный электролит, b) хром-кадмиевый электролит.

Внутренние напряжения определялись методом гибкого катода. Пользуясь этим методом, можно проследить динамику изменения внутренних напряжении в процессе осаждения хромового покрытия.

Катоды размером 20х100х0,3 мм, изготовленные из пружинной стали марки У-8, термообрабатывались при температуре 260-290 ºС в течение 2 часов.

Указательная стрелка из проволоки Ø0,3 мм припаивалась к верхнему концу вертикально расположенного катода. Длина стрелки вместе с выступающим над электролитом частью катода составляла 100 мм. Поверхность, которую не нужно покрывать хромом изолировалась. Нижний конец катода жестко закреплялся в прямоугольной ячейке, изготовленной из оргстекла. Ячейка открыта сверху и со стороны анода, другие ее стороны закрыты боковыми стенками, ограничивающими рабочий объем электролита. Зазор между катодом и сосудом составлял около 0,1 мм, что позволяло пластинке свободно изгибаться, не касаясь стенок сосуда. Жестко закрепленный конец катода соединен с отрицательным полюсом источника тока питания. Анод расположен параллельно катоду вне ячейки, вблизи от ее открытой стороны. Схематическое изображение установки приведено на рис.4.

Шкала прибора крепится над рабочей ванной и используется для отсчета стрелы прогиба катода. Расчет шкалы прибора основывается на том, что под влиянием внутренних напряжений сжатия катод изгибается по дуге окружности. Стрелка всегда направлена по касательной дуге окружности, форму которой принял катод (рис. 5).

Координаты конца стрелки можно выразить формулой:

или

,

где p – длина стрелки, l – длина катода, R – радиус окружности, по дуге который изогнут катод.

Рисунок 4. Схематическое изображение прибора для определения внутренних напряжений, где 3 – гибкий катод, 4 – указательная стрелка, 5 – планка с пазами, 6 – контактный винт, 7 – проводник катода, 8 – анод, 9 – шкала прибора.

Рисунок 5. Схематическое изображение стрелы прогиба при определении внутренних напряжений.

По этим уравнениям вычисляются значения координат свободного конца стрелки X и Y для различных значений угла β. Стрелка прогиба Z` может быть выражена как функция угла:

 

При составлении таблицы значений координат свободного конца указательной стрелки, одновременно вычисляются значения стрелы прогиба, соответствующие данной величине угла. Вначале строится кривая «стрелка прогиба - время хромирования», затем по весу осажденного хрома подсчитывается толщина хромового покрытия и время, за которое осаждается слой хрома толщиной 1 мкм. После получения этих данных строится кривая «стрелка прогиба – толщина слоя хром» для каждого варианта покрытия.

На рис. 6 представлены результаты экспериментальных работ по определению внутренних напряжений хромовых покрытий из хром-кадмиевого и универсального электролита, полученных на различных режимах.

Рисунок 6. Влияние состава электролита и режима хромирования на внутренние напряжения хромовых покрытий, где 10 – стандартный электролит, Дк=45-60 А/дм², температура 54-56 ºС.

Как видно из хода кривых, рис. 6, внутренние напряжения хромовых покрытий, независимо из какого электролита они получены в начальной стадии электролиза возрастают.

Однако с дальнейшим ростом толщины покрытий на характер изменения внутренних напряжений хромового покрытия влияет природа электролита хромирования и режимы хромирования.

Внутренние напряжения, возникающие в блестящих хромовых покрытиях, полученные в стандартном электролите, имеют явно выраженную тенденцию к возрастанию с толщиной покрытия (кривая 1), максимальное значение стрелы прогиба при продолжительности электролиза 30 мин. (толщина покрытия 14 мкм) составляют уже 8,2 мм.

Молочные хромовые покрытия их этого же электролита (кривые 2 и 3) обладают меньшими внутренними напряжениями, чем блестящие покрытия, максимальное значение стрелы прогиба в этом случае составляет 3,5-3,6 мм при одной и той же толщине покрытия.

Минимальными внутренними напряжениями обладают хромовые покрытия из хром-кадмиевого электролита, осажденные при плотности тока 50 А/дм² и температуре 58-60 ºС (кривая 5), т.е. на режиме для получения твердых износостойких хромовых покрытий.

Внутренние напряжения в этом электролите повышаются с увеличением толщины покрытия до 4 мкм, а затем плавно снижаются и при толщине хрома 10-16 мкм становятся меньше, чем в случаях хромирования из стандартного электролита. При толщине хрома 95-100 мкм внутренние напряжения в электролите проходят через ноль, меняют знак, переходя из растяжения в напряжение сжатия. По всей видимости, это связано с содержанием в покрытии кадмия.

Следует также отметить, что блестящие хромовые покрытия из хром-кадмиевого электролита обладают меньшими внутренними напряжениями, чем даже молочные покрытия из стандартного электролита (кривые 4, 5, 2 и 3).

Внутренние напряжения молочных хромовых покрытий из хром-кадмиевого электролита (кривая 6) возрастают с толщиной покрытия в меньшей степени, чем блестящие покрытия, а затем, начиная с толщины покрытия 6 мкм, значения внутренних напряжений стабилизируются.

Таким образом, проведенными экспериментальными исследованиями установлено, что хром-кадмиевый электролит обеспечивает получение хромовых покрытий, обладающих большей пластичностью и меньшими внутренними напряжениями, чем покрытия из стандартного электролита.

Разработка оптимальной программы изменения тока в хром-кадмиевом электролите

Для определения оптимальной плотности анодного тока, обеспечивающей хорошую адгезию хромового покрытия к основному металлу, проверялись следующие значения Да=50, 30, 10 А/дм², при этом катодная плотность тока принималась постоянной и равной 50 А/дм², а время анодного декапирования 45 сек. Время процесса хромирования было выбрано 70 мин, что соответствует толщине хромового покрытия порядка 50 мкм. После хромирования образцы подвергались термообработке в вакуумной печи при температуре 400 ºС в течение 2 часов, а затем испытывались на адгезию и пластичность. Опыт показал, что все значения анодной плотности тока обеспечивают хорошую адгезию хромового покрытия к основному металлу (отслаивания хромового покрытия не наблюдалось). Поэтому для дальнейших работ выбрана анодная плотность тока равная 25-30 А/дм².

Исследования проводились с реверсированием тока, при медленном подъеме тока в каждом цикле 7 мин. (рис. 7). Для всех исследуемых режимов хромирования была определена микротвердость хромового покрытия. Микротвердость хромового покрытия не превышала 700-900 HV, что является недостаточным для создания твердого износостойкого покрытия.

Поэтому проведена серия опытов, в которой величина предельной плотности тока при хромировании была повышена с 70 А/дм² до 90 А/дм² и на выбранном режиме реверсирования тока изготовлены образцы для испытаний на пластичность и определения микротвердости.

Рисунок 7. Влияние состава электролита и режимов хромирования на усталостную прочность стали 38ХМЮА, где 0 – без покрытия; 1 – стандартный электролит; 2 – хром-кадмиевый электролит.

Таким образом в результате проведенной экспериментальной работы установлена следующая оптимальная программа изменения тока при нанесении хромового покрытия:

• время анодного декапирования – 30 сек., Да=50 а/дм²;
• 1 цикл – 5 мин.,
• время обратного тока между циклами – 5 сек.,
• время подъема тока в остальных циклах – 7 мин.,
• пределы изменения плотности тока при введении процесса в стационарных условиях – 50-90 а/дм², температура - 65℃.

Усталостная прочность стали

На выбранном оптимальном режиме хромирования в хром-кадмиевом электролите было определено влияние хромирования на предел усталости стали по сравнению с нехромированной сталью и хромированной в стандартном электролите на молочном режиме.

Результаты испытания по определению влияния состава электролита и режимов хромирования на усталостную прочность приведены на рис. 7.

Из этих данных видно, что при хромировании в хром-кадмиевом электролите на блестящих режимах наблюдается меньшее снижение предела усталости, чем у молочного хромового покрытия из стандартного электролита.

Если для молочного хромового покрытия из стандартного электролита снижение предела усталости в результате хромирования составляет 50%, то для покрытий из хром-кадмиевого электролита оно составляет 20%.

Эти результаты согласуются с величинами внутренних напряжений: покрытия, обладающие минимальными внутренними напряжениями, вызывают меньшее снижение предела усталости стали.

Испытания хромовых покрытий на износ

На основании выбранной оптимально программы реверсирования тока была покрыта партия роликов для испытания хромового покрытия на износ.

Износостойкость хромовых покрытий, осажденных из стандартного и хром-кадмиевого электролитов, определялась на машине Амслера при переменно-возрастающей нагрузке (25 кг, 50 кг… до 200 кг); каждая нагрузка испытывалась на 1000 оборотов. Колодка была изготовлена из стали 40Х, R_c=40-45, ролик из углеродистой стали с хромовым покрытием толщиной 100 мкм.

Результаты испытаний приведены на рис. 8 и таблице 2.

Рисунок 8. Изменение коэффициента трения при испытаниях на износ, где 1 – стандартный электролит; 2 - хром-кадмиевый электролит; 16 – хром-кадмиевый электролит (реверсирование тока).

Из данных рис. 8 видно, что состав электролита не оказывает существенного влияния на значение коэффициента трения. Однако следует отметить, что задир хромовых покрытий, полученных в стандартном электролите, происходит при нагрузке 125 кг, в то время как задира хром-кадмиевого покрытия при испытаниях на всех испытанных нагрузках не наблюдалось.

Таблица 2. Результаты испытаний на износ.

Кроме того, хром-кадмиевые покрытия имеют значительно меньший износ по сравнению со стандартным хромовым покрытием – 0,0011 г против 0,0048 г. Применение реверсирования тока снижает износ сопряженной детали.

Выводы

1. Исследовано влияние состава электролитов и режимов хромирования на физико-механические свойства хромовых покрытий.
2. Установлено, что хромовые покрытия, осажденные в хром-кадмиевом электролите, обладают улучшенными физико-механическими свойствами по сравнению с хромовыми покрытиями из стандартного электролита:

• внутренние напряжения меньше, примерно в 2 раза;
• в 2 раза меньшее снижение предела усталости хромированной стали;
• износостойкость выше в 4 раза;
• возможность более длительной эксплуатации без задиров;
• осадки хрома более пластичные.

Список литературы

1. Богатова П. С., Дикий П. А. Современные исследования в области гальванического хромирования //Аграрное образование и наука. – 2023. – №. 2. – С. 3.
2. Sun J. et al. Chromium distribution, leachability and speciation in a chrome plating site //Processes. – 2022. – Т. 10. – №. 1. – С. 142.
3. Красиков А. В. Основы технологии прокатки товарных труб специального назначения из труднодеформируемых марок стали на агрегатах с непрерывными станами с контролируемо-перемещаемой оправкой //Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Металлургия. – 2023. – Т. 23. – №. 2. – С. 14-22.
4. Исследование характера износа оправок стана МРМ и пути повышения срока их эксплуатации, С.Н. Мишин, В.Г. Шеркунов, Е.А.Алюшкаев, Д.О. Струин, Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия». - 2016. - Т. 16. - № 1. - С. 125–130.
5. Cogne Acciai Speciali Spa URL: https://www.cogne.com/en/ (дата обращения: 17.11.2023).
6. Deutsche Edelstahlwerke (DEW) URL: https://www.dew-stahl.com/en/ (дата обращения: 17.11.2023).
7. Прошивка на раз-два: ученые НИТУ «МИСиС» разработали новую технологию прокатки легированной стали // Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС URL: https://misis.ru/news/5586/ (дата обращения: 17.11.2023).