Влияние структуры хромовых электролитических покрытий на их кавитационную износостойкость

Темой работы является исследование хромовых электролитических покрытий, широко применяемых на водном транспорте для повышения износостойкости деталей ответственного оборудования, в том числе для защиты водоохлаждаемых поверхностей втулок цилиндров судовых дизелей от кавитационного воздействия. В работе предпринята попытка связать шероховатость хромовых блестящих покрытий с характером распределения в них трещин и, как следствие, с кавитационный износостойкостью покрытий. Были испытаны семь покрытий из блестящего хрома, нанесенных при разных режимах и имеющих разную обработку поверхности, отличающихся друг от друга толщиной, микротвердостью и характером распределения трещин. Хромирование выполнялось в стандартном электролите — водном растворе хромового ангидрида и серной кислоты — следующего состава: хромовый ангидрид (CrO₃) — 250 г/л; серная кислота (H₂SO₄) — 2,5 г/л; содержание трехвалентного хрома — не более 5 г/л; содержание ионов трехвалентного железа — не более 10 г/л. Электролит готовился на дистиллированной воде однократной перегонки. Хром наносили на образцы из серого чугуна СЧ21, вырезанные из втулок цилиндров судового дизеля, бывших в эксплуатации. Испытания на кавитационный износ проводили в пресной воде при температуре воды 20 ± 3 ^оС на ультразвуковом магнитострикционном вибраторе при частоте и амплитуде колебаний торца концентратора, равных примерно 22 кГц и 28 мкм соответственно. Расстояние между поверхностью испытываемого покрытия и торцом колеблющегося концентратора выставляли равным 0,5 мм. В процессе испытаний образцы периодически взвешивали на аналитических весах с дискретностью показаний 0,1 мг, при этом наряду с потерями массы образцов оценивали шероховатость поверхности покрытий в очаге износа по значению среднего арифметического отклонения профиля. Структуру покрытия исследовали на металлографическом микроскопе на поперечных нетравленых шлифах до и после испытаний. Учитывали, что износостойкость хромовых электролитических покрытий при кавитации определяется двумя факторами: характером трещин в покрытии и толщиной покрытия, а также то, что толщина покрытия влияет на его долговечность, а характер трещин — как на долговечность, так и на скорость изнашивания хромового покрытия. Густота сетки трещин, выходящих на поверхность, и их ширина определяют шероховатость поверхности, а поскольку кавитационный износ начинается с районов покрытия, примыкающих к берегам трещины в начальный период кавитационного воздействия, происходит хрупкий откол частиц от покрытия путем его разрушения по уже имеющимся трещинам в исходном покрытии, должна прослеживаться зависимость между скоростью изнашивания и высотным параметром шероховатости R_a, что подтверждается результатами экспериментов. Существование зависимости скорости изнашивания от среднего арифметического отклонения профиля исходной поверхности хромового покрытия позволяет сделать вывод о том, что поверхность втулок цилиндров после хромирования необходимо подвергать шлифованию мелкозернистым инструментом и по возможности полированию. При этом покрытие должно быть плотным, а именно не содержать большое количество широких протяженных трещин.

1. Liu D. Modelling and evaluating piston slap-induced cavitation of cylinder liners in heavy-duty diesel engines. / D. Liu, N. Sun, G. Zhu, H. Cao, T. Wang, G. Li, F. Gu // Eksploatacja i Niezawodność — Maintenance and Reliability. — 2023. — Vol. 25. — Is. 3. DOI: 10.17531/ein/169644.

2. Tong D. An Analysis of the Factors Influencing Cavitation in the Cylinder Liner of a Diesel Engine / D. Tong, S. Qin, Q. Liu, Y. Li, J. Lin // Fluid Dynamics & Materials Processing. — 2022. — Vol. 18. — Is. 6. — Pp. 1667–1682. DOI: 10.32604/fdmp.2022.019768.

3. Bako S. Canvitational deterioration of diesel power plant cylinder liner / S. Bako, A. Nasir, B. Ige, N. Musa // Journal of Mechanical and Energy Engineering. — 2020. — Vol. 4. — Is. 3. — Pp. 239–246. DOI: 10.30464/jmee.2020.4.3.239.

4. Park I–C. Cavitation erosion characteristics of hard chromium plated diesel engine cylinder liner / I–C. Park, S-J. K. and // Transactions of the IMF. — 2022. — Vol. 100. — Is. 4. — Pp. 189–192. DOI: 10.1080/00202967.2022.2063588.

5. Mekicha M. A. The effect of hard chrome plating on iron fines formation / M. A. Mekicha, M. B. Rooij, D. T. A. Matthews, C. Pelletier, L. Jacobs, D. J. Schipper // Tribology International. — 2020. — Vol. 142. — Pp. 106003. DOI: 10.1016/j.triboint.2019.106003.

6. Astanin V. K. Hardening parts by chrome plating in manufacture and repair / V. K. Astanin, E. V. Pukhov, Y. A. Stekolnikov, V. V. Emtsev, O. A. Golikova // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. — 2018. — Vol. 327. — Is. 3. — Pp. 032008. DOI: 10.1088/1757–899X/327/3/032008.

7. Zhang W. Strengthening the Cavitation Resistance of Cylinder Liners Using Surface Treatment with Electroless Ni-P (ENP) Plating and High-Temperature Heat Treatment / W. Zhang, H. Gao, Q. Wang, D. Liu, E. Zhang // Materials. — 2025. — Vol. 18. — Is. 5. DOI: 10.3390/ma18051087.

8. Вихров Н. М. Гидродинамика процесса анодно-струйного хромирования / Н. М. Вихров, В. А. Голицын // Вестник государственного университета морского и речного флота им. адмирала С. О. Макарова. — 2013. — № 2(21). — С. 77–86. — EDN RUOIBJ.

9. Вихров Н. М. Влияние проточного электролитического хромирования на предел выносливости стали / Н. М. Вихров, В. А. Голицын // Вестник государственного университета морского и речного флота им. адмирала С. О. Макарова. — 2014. — № 4(26). — С. 59–67. — EDN SKOIDB.

10. Ngon D. T. Study of the Effect of Chrome Coating Layer to the Fatigue Strength of the Axial Machine Parts / D. T. Ngon, L. C. Cuong, N. V. Phoi // 2016 3rd International Conference on Green Technology and Sustainable Development (GTSD) 2016. — С. 135–140. DOI: 10.1109/GTSD.2016.40.

11. Podgornik B. Crack density and tribological performance of hard-chrome coatings / B. Podgornik, O. Massler, F. Kafexhiu, M. Sedlacek // Tribology International. — 2018. — Vol. 121. — Pp. 333–340. DOI: 10.1016/j.triboint.2018.01.055.

12. Sohi M. H. Comparative tribological study of hard and crack-free electrodeposited chromium coatings / M. H. Sohi, A. A. Kashi, S. M. M. Hadavi // Journal of Materials Processing Technology. — 2003. — Vol. 138. — Is. 1. — Pp. 219–222. DOI: 10.1016/S0924–0136(03)00075-X.

13. Цветков Ю. Н. Особенности изнашивания хромовых электролитических покрытий при кавитационном воздействии / Ю. Н. Цветков, Б. О. Горбаченко, В. А. Голицын, А. Д. Чеблоков // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. — 2024. — Т. 90. — № 9. — С. 75–84. DOI: 10.26896/1028-6861-2024-90-9-75-84. — EDN KRPTDX.

14. Цветков Ю. Н. Особенности технологии подготовки микрошлифов хромового гальванического покрытия / Ю. Н. Цветков, А. Д. Баранов, А. Д. Чеблоков // Сборник научных статей национальной научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава ФГБОУ ВО «ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова», Санкт-Петербург, 25 сентября — 202023 года. — СПб.: Государственный университет морского и речного флота им. адмирала С. О. Макарова, 2023. — С. 387–392. — EDN EOCTHX.

15. Цветков Ю. Н. Исследование кавитационного изнашивания сталей методом измерения профиля поверхности / Ю. Н. Цветков, Е. О. Горбаченко // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. — 2015. — Т. 81. — № 11. — С. 62–65. — EDN UXWBMB.

16. Цветков, Ю. Н. Прогнозирование кавитационной износостойкости хромовых электролитических покрытий по профилю изношенной поверхности / Ю. Н. Цветков, Е. О. Горбаченко, В. А. Голицын // Вестник машиностроения. — 2019. — № 4. — С. 79–86. DOI 10.3103/S1068798X19070232. — EDN ACMQXZ.

17. ASTM G32–16 Standard test method for cavitation erosion using vibratory device. ASTM International, 2016. — 20 p.