Возникновение и релаксация внутренних напряжений в гальванических покрытиях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.01, кандидат технических наук Моргун, Аксана Игоревна

• Моргун, Аксана Игоревна
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Моргун, Аксана Игоревна

ВВЕДЕНИЕ

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1 Экспериментальные данные о величине и характере ВН в покрытиях

1.2 Методы измерения ВН в гальванических покрытиях

1.3 Существующие гипотезы возникновения ВН 29 1.4. Цель и задачи исследования

2 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1 Получение гальванических покрытий

2.2 Конструктивные особенности установок измерения ВН в гальванических покрытиях

2.2.1 Лазерно - интерференционный метод

2.2.2 Голографический метод

2.2.3 Результаты определения ВН и сравнение их с известными методами

2.3 Структурные методы исследования покрытий

2.3.1 Световая микроскопия

2.3.2 Рентгеноструктурный анализ 51 2.3.3. Аннигиляция позитронов 52 2.4. Определение твердости

3 МОДЕЛИ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ВНУТРЕННИХ НАПРЯЖЕНИЙ В ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЯХ

3.1 Влияние особенностей тонкой структуры на ВН.

3.1.1 Точечные дефекты

3.1.2 Линейные дефекты

3.2 Классификация электроосажденных металлов по критерию знака ВН.

3.3 Атомно-вакансионная модель внутренних напряжений в электроосажденных металлах и сплавах

4 ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРНО-ВРЕМЕННЫХ ПАРАМЕТРОВ НА ВЕЛИЧИНУ И ХАРАКТЕР ВНУТРЕННИХ НАПРЯЖЕНИЙ В

ПОКРЫТИЯХ

4.1 Структурные превращения, сопутствующие отжигу для снятия ВН.

4.2 Отжиг, уменьшающий напряжения

4.3. Рекомендации по выбору температурно-временных параметров, уменьшающих внутренние напряжения.

4.4. Реализация результатов работы. 99 ВЫВОДЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Возникновение и релаксация внутренних напряжений в гальванических покрытиях»

Вопросы повышения надежности деталей машин и механизмов с одновременным уменьшением расхода металла на их производство, износа и вероятности коррозионных повреждений приобретают все большую актуальность. В условиях увеличения рабочих скоростей и нагрузок, термического и химического воздействия традиционные конструкционные материалы не обеспечивают надежности и долговечности оборудования. Решение этих вопросов связано с изменением свойств в первую очередь поверхностных слоев изделий, что наиболее целесообразно решать нанесением функциональных гальванических покрытий. Сравнительная простота процессов и широкое варьирование свойствами покрытий обусловили их широкое применение в машиностроении, нефтегазодобывающей промышленности и других отраслях. Достаточно отметить, что общая площадь ежегодно получаемых в нашей стране покрытий составляет около 1 млрд. квадратных метров.

Среди физико — механических свойств покрытий внутренние напряжения (ВЫ) представляют существенный интерес. Например, в покрытиях на основе железа, никеля, хрома ВН могут снижать прочность сцепления, вызывать их растрескивание, отслаивание, ухудшение антикоррозионных свойств и декоративных качеств. В то же время определенный уровень ВН приводит к повышению твердости и износостойкости покрытий, а также облегчает получение пористых покрытий.

Известно, что возникновение ВН связано как с условиями электрокристаллизации, так и с природой осаждаемых металлов. Однако до настоящего времени не были в полной мере объяснены причины появления ВН и раскрыты механизмы управления ими. Изучению этих вопросов посвящена данная работа, выполненная в рамках Федеральной целевой программы «Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки на 1997-2000 гг.» и при поддержке грантов Министерства образования Российской Федерации.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

Заключение диссертации по теме «Материаловедение (по отраслям)», Моргун, Аксана Игоревна

ВЫВОДЫ

1. Разработаны установки для измерения ВН методами лазерной и голо-графической интерферометрии, позволившие существенно увеличить точность и расширить возможности применения по сравнению с существующими аналогами.

2. На основе экспериментальных данных об особенностях тонкой структуры электроосажденных металлов различной природы методами компьютерного моделирования разработана атомно - вакансионная модель возникновения ВН в гальванических покрытиях.

3. Показано, что определяющее влияние на величину ВН, возникающих при электрокристаллизации, оказывают точечные дефекты кристаллического строения - вакансии и межузельные атомы, концентрация которых достигает соответственно 10"2 и 10"4; превалирующий в структуре покрытия тип дефекта обусловлен свойствами металла и условиями электролиза и определяет величину и знак ВН.

4. Установлено, что релаксацию большей части ВН обеспечивают процессы миграции и аннигиляции точечных дефектов, протекающие при нагреве до температур (0,20.0,25) Тпл, полное снятие ВН происходит на стадии перераспределения дислокаций и миграции малоугловых границ при нагреве до (0,30.0,35) Тпл.

5. Разработаны температурно-временные параметры получения малонапряженных покрытий с одновременным улучшением функциональных характеристик: нагрев при температурах (0,27.0,32) Тпл позволяет повысить твердость и пластичность покрытий, а при температурах (0,30.0,45) - улучшить коррозионную стойкость.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Моргун, Аксана Игоревна, 2003 год

1. Б.С. Якоби. Работы по электрохимии. М.: Изд. АН СССР 1957. -237 с.

2. E.J.Mills. Proc. Roy. Soc., 1877. У.26. -504 p.

3. М.Я. Поперека. Внутренние напряжения электрохимически осаждаемых металлов.-Западно-Сибирское книжн. изд. Новосибирск, 1966. -335 с.

4. Богорад Л.Я. Хромирование. Л.: Машиностроение, 1984. -97 с.

5. Полукаров Ю.М. Дефектность кристаллической решетки металлов, определяемая условиями электролиза// Электродные процессы и методы их изучения.-Киев: Наук, думка, 1979. -С.116-119.

6. Поветкин В.В., Ковенский И.М. Структура электроосажденных сплавов металлов подгруппы железа// Изв. АН СССР. Металлы. 1983. № 3 -С. 108111.

7. Козлов В.М. О роли водорода в образовании структурных несовершенств при электрокристаллизации никеля// Электрохимия. 1982. Т. 18. № 10. -С. 1353-1358.

8. Диаграммы состояния двойных металлических систем: Справочник: В 3 т.: T.l/Под общ. ред. Н.П. Лякишева. М.: Машиностроение. С.1996. -992 с

9. Мамонтов Е.А., Козлов В.М, Курбатова Л.А. Образование тонкой структуры при электрокристаллизации металлов// Поверхность. Физика, химия, механика. 1982. № 10 С. 128-133.

10. Ю.Попов Е.Р. и др.// Структура и механические свойства электролитических покрытий. Тольятти: Изд. ТПИ. 1979.- С. 192-194.

11. Р. Кан. Физическое металловедение. Вып.З. Пер. с англ. Под ред. В.М. Ро-зенберга. М.: «Мир», 1968. -473 с.

12. R. Kendrick. Trans. Inst. Met. 1963. 40. № 1. -19 p.

13. Поветкин В.В. Структура и свойства электролитических никель кобальтовых покрытий //Изв. АН СССР. Металлы.- 1980. -№ 4.-С. 213-217.

14. Блестящие электролитические покрытия/ Под. ред. Ю.Ю. Матулиса. Вильнюс: Минтис, 1969. -613 с.

15. А.Т. Ваграмян, Ю.С. Петрова. Физико механические свойства электролитических осадков. М.: Изд. АН СССР, 1960. -206 с.

16. А.Г.Самарцев, Ю.В. Лызлов. //Ж. физ. химии, 1955. Т. 29, вып.1. -374 с.

17. А.Л. Ротинян, Е.С. Козич. //Ж. прикл. химии, 1958. Т. 31, вып. 3. -167 с.

18. А.В. Памфилов, П.М. Мельник. //Ж. прикл. химии. 1962. Т. 35, вып. 10. -С. 911-913.

19. Ковенский И.М., Поветкин В.В. О природе внутренних напряжений в электролитических осадках// ЖПХ. 1989. №1. С.37-44.

20. F. Foerster. Elektrochemie wasseriger Losungen. Leipzig, 1922.

21. Шиблева Т.Г., Поветкин B.B., Захаров М.С. Естественное старение электролитических осадков сурьмы// Электрохимия. 1987. Т. 23. №5. -С. 652654.

22. Katz J.D., Pickering H.W., Bitler W.R. Low-temperature recryctallization kinetic in nickel electrodeposits // Plating and Surface Finishing. 1980. Vol.67. №11.- pp.45-49.

23. G.G. Stoney. Proc. Roy. Soc. 1909. V. A82. -172 p.

24. V. Kohlschutter. Zeitschr. Elektochem, 1927, V. 33. 220 p.

25. T. Hoar, D.Arrowsmith. Trans. Inst. Met., 1957. V. 34.- 354 p.

26. A. Brenner, S. Senderoff. I. Res. Nat. Bur. Stand., 1949. V. 4. № 2. 89 p. 27.1. Kushner, Plating, 1954. V. 41. №10. - 137 p.

27. Соловьева 3.A., Аджиев Б.У. Внутренние напряжения хромовых покрытий, измеряемые в процессе электроосаждения// Защита металлов. 1996. Т.22. №1. -С. 82-88.

28. Butler М.А., Ginley D.S. In sitr measurement of strain during electrodeposi-tion// J. of the Electrochemical Society. 1987. V.l 34, № 2. 510-511 pp.

29. W. Hume Rothery, M. Wyllie. Proc. Roy. Soc. 1943. V. A 182.-p. 131.

30. А.И. Ширяев, И.Е. Клюшкин. //Ж. физ. Химии. 1963. Т.37, вып. 13. -2663 с.

31. Авторское свидетельство СССР № 1418564, кл. 4G01D5/30, 1988.

32. Управление остаточными напряжениями в металлах и сплавах./Я.Д. Вишняков, В.Д. Пискарев.- М.: Металлургия, 1989.-е. 254.

33. Авторское свидетельство СССР № 308315, кл. G01/1/20, 1971.

34. Авторское свидетельство СССР № 1751641 А1, кл. G 01 В5/30, 1992.

35. Авторское свидетельство СССР № 1543259 А1, кл. 5G 01L1/24, 1990.

36. Авторское свидетельство СССР № 1768928 А1, кл. G 01 В5/30,1992.

37. Авторское свидетельство СССР № 1768927 А1, кл. G 01 В5/30,1992.

38. Авторское свидетельство СССР № 1711544 А1, кл. 6G 01В5/30, 1996.

39. W. Wood. Phil. Mag. 1934. V. 15.- р.553.41 .Рентгенографический и электронно — оптический анализ. Горелик С.С., Скаков Ю.А., Расторгуев JI.H.: Учебное пособие для вузов.-4е изд., доп. и перераб.-М.: «МИСиС», 2002. -360 с.

40. Еникеев Н.А., Александров И.В., Валиев Р.З. Компьютерное моделирование и рентгеноструктурный анализ дефектных структур в наноматериа-лах// ФММ.2002. Т. 93. №6. -С. 19-29.

41. H.Sodeerburg, A.Graham. Proc. Amer. Electroplat. Soc., 1947. V. 34. -p. 74.

42. B.C. Иоффе. //Успехи химии, 1944. Т. 13, вып. 1.- 50 с.

43. С.Н. Немнонов. //Ж. техн. физ., 1948. Т. 18, вып .2. 143 с.

44. Р.В. Телеснин, Н.В. Котельников. /Докл. АН СССР. 1957. Т. 113. вып. 1. -96 с.

45. Воронов B.C., Ковенский И.М., Поветкин В.В. Определение внутренних напряжений в гальванических покрытиях с помощью лазерной интерферометрии //Защита металлов. 1990. Т. 26. №2. -С. 318-320.

46. Воронов B.C., Ковенский И.М., Поветкин В.В. Определение внутренних напряжений в гальванических покрытиях методом голографической интерферометрии// Защита металлов. 1992. Т. 28. № 4 -С. 695-698.

47. У. Вест. Голографическая интерферометрия. М.: Мир. 1982. -504 с.

48. Воронов B.C., Ковенский И.М., Поветкин В.В. Малогабаритная голографическая установка для прецизионного измерения внутренних напряжений в гальванических покрытиях// Защита металлов.1992. Т.28. №5. -С. 875-876.

49. Грилихес С .Я., Тихонов К.И. Электролитические и химические покрытия. Л.: Химия, 1990.- 228 с.

50. Лайнер В.И. Защитные покрытия металлов. М.: Металлургия, 1974. -559 с.

51. Ковенский И.М., Кузнецов П.В., Поветкин В.В., Махмудов Н.А. Исследование точечных дефектов в электролитических осадках методом аннигиляции позитронов// Электрохимия. 1991. Т. 27. № 10. С.1369-1371.

52. Ковенский И.М., Кусков В.Н., Прохоров Н.Н. Структурные превращения в металлах и сплавах при электролитическом воздействии. Тюмень: Тюм ГНГУ, 2001.-215 с.

53. Поветкин В.В., Ермакова Н.А., Ковенский И.М.// Электрохимия. 1984. Т.20. -С. 239-241.

54. Ковенский И.М., Поветкин В.В.// Защита металлов. 1987. Т.23. -С.682-683.

55. Хокинг М., Васантасри В., Сидки П. Металлические и керамические покрытия: Получение, свойства и применение: Пер. с англ.- М.: Мир, 2000.518 с.

56. Поветкин В.В., Ковенский И.М. Образование дислокаций в электролитических осадках//Электрохимия. 1981. Т. 17. № 11 -С. 1680- 1686.

57. Ковенский И.М., Поветкин В.В. О природе внутренних напряжений в электролитических покрытиях // Журнал прикладной химии. 1989. Т.2. №1.- С.37-44.

58. Структура электролитических покрытий. Поветкин В.В., Ковенский И.М. М.: Металлургия. 1989. -136 с.

59. Будевский Е. и др.// Рост кристаллов. М.: Наука, 1992. -255 с.

60. Farr J.P., McNeil A.J.S.//Faraday Samp. Chem. Soc. -1977. № 12. -p. 145162.

61. Weil R., Stanko G.J., Moser D.E.// Plating and Surface Finishing. 1976. V. 63. №9. -pp.34-41.

62. Структура и свойства электролитических сплавов/В.В. Поветкин, И.М. Ковенский, Ю.И. Устиновщиков.-М: Наука, 1992. -255 с.

63. Флеминге М. Процессы затвердевания// Пер. с англ. под ред. А.А. Жукова и Б.Б. Рабиновича. М.: Мир, 1977. 423 с.

64. Burton W. К. Phil. 1., Trans., А 243, 299 (1950).

65. Chadwick G., Sheffield Univ. Met. Soc. J., 9, 15 (1970).

66. E.B. Артамонов, И.М. Ковенский, Ю.И. Некрасов, В.В. Поветкин. Лазерная и голографическая интерферометрия в машиностроении. Тюмень: ТюмГНГУ, 1995.- 172 с.

67. Аджиев Б.У., Соловьева З.А.// Докл. АН СССР. 1983. Т.273. № 1. -С.116-119.

68. Мамонтов Е.А. и др.//Электрохимия. 1981. Т. 17. №12. С. 1804-1811.

69. Штремель М.А. Прочность сплавов. 4.1. Дефекты решетки. М.: Металлургия, 1980. -280 с.

70. Пинес Б.Я. Очерки по металлофизике. Харьков: Изд. Харьк. ун-та, 1961.340 с.

71. Матвеева Н.М., Козлов Э.В. Упорядоченные фазы в металлических системах. М: Наука, 1989.-320 с.

72. Гильберт В., Кон-Фоссен С. Наглядная геометрия. М.: Наука, 1981.-410 с.

73. Ковенский И.М., Подборнов Н.В. Влияние вакансий на внутренние напряжения в электроосажденных металлах// Металлы. 1993. № 5. -С. 189192.

74. Ковенский И.М., Подборнов Н.В. Влияние межузельных атомов на внутренние напряжения в электроосажденных металлах // Металлы. 1993. № 6. -С.153-156.

75. Ковенский И.М., Поветкин В.В. Методы исследования электролитических покрытий.-М: Наука, 1994. -234 с.

76. Гальдикене О. К. // Тр. АН ЛитССР. Сер. Б. 1972. № 5. с. 72-78.

77. Полукаров Ю. М., Семенова 3. В. // Электрохимия. 1976. Т. 12. № 7. -С. 1153-1156.

78. Вячеславов П. М., Волянюк Г. А. Электролитическое формование. Л.: Машиностроение, 1979. -198 с.

79. Сутягина А. А., Горбунова К. М. // ЖФХ, 1961. Т. 35. № 11. -С. 2514-2523.

80. Ильюшенко Л. Я. Электролитически осажденные магнитные пленки. Минск: Наука и техника, 1972. -264 с.

81. Федотьев Н. П., Хоникевич А. А. //ЖПХ. 1960. Т. 33. № 2. -С. 352-357.

82. Орехова В. В., Андрющенко Ф. К. Полилигандные электролиты в гальваностегии. Харьков: Выща шк. 1979. -189 с.

83. Федотъев Н. П, Круглова Е. Г. // ЖПХ. 1955. Т. 28. -С. 1032—1036.

84. Бек Р. Ю., Соркин Г. Н. // Изв. СО АН СССР. Сер. хим. наук. 1970. № 5. -С. 142-146.

85. Ваграмян Т. А., Балашова И. А., Кудрявцев Н. Т. // Электрохимия. 1972. Т. 8. № 11. -С. 1669-1672.

86. Гамбург Ю. Д., Голубое В. М., Книжник Г. С., Полукаров Ю. М. // Электрохимия. 1974. Т. 10. № 10. -С. 1492-1496.

87. Скляренко С. И., Лавров И. И., Мансурова Л. А. //ЖПХ. 1962. Т. 35. -С. 1935 1938.

88. Шиблева Т. Г., Поветкин В. В., Захаров М. С. //ЖПХ. 1986. Т. 59. № 3. -С. 676-679.

89. Kurachi М., Fujiwara К., Tanaka Т. // Proc. 8-th Congr. Int. Union for Electro-dep. Zurich. 1979. -pp. 152 160.

90. Яковлев А. Л., Воробьева H. E., Буркат Г. К., Тихонов К. И. // Обеспечивание качества и долговечности гальванических покрытий в свете решений 27 съезда КПСС. Л., 1987.-С. 24-29.

91. Кудрявцев Н.Т., Тютина К.М., Космодамианская Л.В., Ярлывов Н.М.// Защита металлов. 1969. Т. 3. -С 198-204.

92. Полукаров Ю. М. //Итоги науки. Электрохимия. 1966. М.: Изд-во ВИНИТИ. 1968.-72с.

93. Теория термической обработки металлов. Учебник. Изд. 3 е, испр. и доп.

94. Дефекты кристаллического строения металлов. Новиков И.И. М.: Металлургия, 1983.-232 с.

95. Шаскольская М.П. Кристаллография. М: Высшая школа, 1976.-391 с.

96. Хачатурян А.Г. Теория фазовых превращений и структура твердых растворов. М.: Наука. 1974. -208 с.

97. Горелик С.С. Рекристаллизация металлов и сплавов. М: Металлургия. 1978.-68 с.

98. Металлы и сплавы. Справочник. -С.Пб.: АНО НПО « Профессионал», 2003.-1066С.1. АКТ ВНЕДРЕНИЯрезультатов научно-исследовательских работ

99. Настоящий акт составлен о том, что результаты работы

100. ИсполнителиМоргун М.И., аспирант

101. Апробация и научная новизнапатент РФ № 2183697

102. Опытно-промышленные испытания показали повышениеизносостойкости в 1,5 раза

103. Экономический эффект в расчете на год80700 рублей