Электроосаждение бинарных сплавов на основе железа для упрочнения деталей машин Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.726:539.26

В.И. Серебровский, доктор технических н аук Ю.П. Гнездилова, кандид ат технических н аук ФГОУ ВПО Курская ГСХА

ЭЛЕКТРООСАЖДЕНИЕ БИНАРНЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА ДЛЯ УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

В статье приведены способы электроос аждения спл авов желез а-молибден а, железа-вольфрам а, железа-фосфора с применением ассиметрии переменного тока. Результаты исследований могут использоваться для получения покрытий высокого качества при упрочнении и восстановлении деталей машин.

Сплавы железо-молибден и железо-вольфрам

Значительный интерес для промышленности представляет применение электроос ажденных спл авов на основе желез а. Одними из наиболее эффективных легирующих элементов являются молибден и вольфр ам, оказывающие наиболее резко выр женное воздействие н улучшение свойств ст ли.

Исследования А.Т. В аграмяна, М.А. Шлугера, М.М. Пасечника, А.Т. Васько и др. указывают на то, что при легиров нии молибденом и вольфр мом электролитических мет ллов получ ются спл вы с высокими механическими свойствами. Однако исследов нию свойств электролитических спл вов молибден и вольфр м с н иболее р спростр ненным и дешевым элементом - железом - посвящено крайне незн чительное количество р бот, причем, имеющиеся сведения зачастую носят противоречивый характер. Дет льное решение этого вопрос будет способствов ть получению покрытий высокого качества для упрочнения и восстановления деталей машин.

Для определения условий электролиз , обеспечив ющих получение износостойких железомолибденовых и железо-вольфр мовых покрытий, применял сь методик пл ниров ния экспериментов. В качестве плана многоф акторного эксперимента был принят л тинский кв др т. Шесть первичных ф акторов: показатель асимметрии тока (в, плотность катодного тока (Дк), концентр ация легирующей соли (Слс), кислотность электролита (рН), концентр ация лимонной кислоты (Сл), темпер атур а электролита (г) в арьиров ались н а пяти уровнях (т абл.1).

Обр аботка результатов экспериментов производил сь путем группировки д нных по зн чениям к ждого ф ктор . Поэтому при усреднении все прочие ф кторы, кроме того, по которому произведен группировк , ур внив лись.

Следовательно, результаты зависели только от одного р ссм трив емого ф ктор при средних зн чениях остальных. В дальнейшем производил ась

группировк исходных д нных по зн чениям второго ф актор а, что позволило найти вторую ч астную

з висимость результ т от второго ф ктор , з тем

ч стную з висимость от третьего ф ктор и т.д. Оконч ательная эмпирическая формул а получилась к к сумм и произведение ч стных эмпирических формул.

Испытания по определению величины износа обр азцов проводились на машине трения СМЦ-2 по схеме: вр щ ющийся ролик-колодк в условиях,

близких к гр ничному трению, и при трении без см азки. Контробр азцами служили колодки из серого чугун а СЧ 18 и бронзы Брс 30. Площ адь соприкасающихся поверхностей обр азцов составляла

2 см2. Образцы прирабатывались до стабилизации момент а трения и темпер атуры. Износ определялся по потере м ассы обр азцами.

Наиболее износостойкие железо-молибденовые покрытия получены при следующих условиях электроос ждения: пок з тель симметрии - 6, к тодн я плотность тока - 40 А/дм2, температур а электролита - 40 °С, кислотность электролита рН - 0,8 - 1,0; концентр ация лимонной кислоты - 4,5 кг/м3; концентр ация молибдата аммония - 0,6-1,0 кг/м3. Оптим альная концентр ация хлорида железа 350 - 400 кг/м3 [6].

Оптимальные условия для железо-вольфр амовых покрытий следующие: хлорид желез а -300 кг/м3; натрий вольфрамово-кислый - 4 кг/м3; лимонн я кислот - 8 кг/м3, темпер тур электролит - 40 °С, кислотность электролит а рН - 1,0, плотность тока 30 А/дм2 [7].

Результаты ср авнительных испытаний на износ пок з ли, что износостойкость железо-молибденовых покрытий к стали 45 составил а 176 % при трении в п аре с чугуном и 194 % в п аре с бронзой.

Износостойкость железо-вольфр амовых

покрытий на 72 % выше износостойкости закаленной ст ли 45 при трении с чугуном и н 85 % больше при трении с бронзой.

При трении без см зки железо-молибденовые и железо-вольфр мовые покрытия превосходят износостойкость железных покрытий в 1,87...1,95 раз а.

Мет аллогр афические исследов ания показ али, что электролитические железо-молибденовые и железо-вольфр мовые покрытия имеют ярко выр женную слоистую структуру (рис. 1). Толщина слоев достигает нескольких десятков и д же сотен микрометров.

Причиной обр азов ания слоистой структуры покрытий, по-видимому, является периодическое

3 щел чив ние прик тодного простр нств и, соответственно, периодическ я крист ллиз ция гидрооксид желез .

Термообработка сплавов до температуры 673 К приводит к пр ктическому исчезновению слоистости, но н микротвердость покрытий з метного влияния не оказывает.

Т аблица 1 - Значения уровней первичных ф акторов

Значение Разме Уровни первичных ф акторов

факторов рность 1 2 3 4 5

в А/дм2 3 4 5 6 7

Дк 20 30 40 50 60

Сл.с кг/м3 0,2 0,5 0,8 1,1 1,4

рН - 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

Сл кг/м3 2 3 4 5 6

г °С 20 30 40 50 60

Бе-Мо

Мо = 0,5 %

Мо = 1,0 % Бе^

Мо = 1,5 %

«га

W = 1 % W = 2 % = 3 %

Рисунок 1 - Микроструктуры электроос ажденных сплавов железо-молибден и железо-вольфр ам (х 450)

Сплав железо-фосфор

Электролитические сплавы желез а с фосфором благодаря своим особым эксплуатационным свойств м привлек ют все больше вним ние промышленности. Процесс осаждения железофосфорного покрытия н переменном симметричном токе отлич ется высокой производительностью и м алой стоимостью [1].

Для ос адков желез а хар актерными признаками структуры являются слоистость, пористость и волокнистость. В з ависимости от условий электролиз а структур а покрытий приним ает тот или иной вид.

Асимметричный ток существенно влияет на протекание многих электролитических ре акций. Концентрация ионов железа в прикатодном слое увеличивается, что позволяет повысить рабочую плотность ток , применение гипофосфит н трия несколько активирует поверхность катода, увеличивая скорость осаждения. Скорость возникновения центров крист ллиз ции опереж юще р стет по ср внению со скоростью формиров ния

самих кристаллов, а это приводит к образованию мелкокристаллической структуры.

Оптимальные условия для железо-фосфорных сплавов следующие: хлорид желез а - 350...400 кг/м3;

гипофосфид натрия - 10______12 кг/м3; темпер атур а

электролита - 303__313 К; кислотность электролита

рН - 1,0; показ атель асимметрии тока - 6; катодная плотность тока - 35_40 А/дм2.

Микроструктура железо-фосфорных осадков имеет ярко выр аженную слоистость (рис.2).

Это объясняется тем, что в процессе электролиза прикатодное пространство обедняется ион ами водород а, р азряж ающимися н а к атоде, и происходит его з ащелачив ание. При этом обр азуется пр актически нерастворимый гидрооксид железа, который постепенно накапливается в прикатодном простр анстве до возможного м аксимум а насыщения, и дсорбируется н поверхности ос жд ющегося мет лл , что вызыв ет перерыв в росте крист ллов желез а. Затем процесс повторяется.

Рисунок 2

а) б) в)

Микроструктура железо-фосфорного спл ав а (поперечный шлиф х350), полученного при р азличном содерж нии фосфор в покрытии: ) 1 %; б) 2 %; в) 3 %

) б) в)

Рисунок 3 - Микроструктура железо-фосфорных покрытий (поперечный шлиф х350), подвергнутых р азличной

темпер атуре термообр аботки: а) 473 К; б) 573 К; в) 673 К

При термообр аботке слоистость железофосфорных ос адков исчезл а (рис. 3в). На это также указыв ает автор [2]. В пересыщенном р астворе обр азуется химическое соединение, в результате чего на поверхности формируется монолитный упрочненный диффузионный слой.

С увеличением темпер атуры термообр аботки микротвердость железо-фосфорного покрытия увеличив ается [2]. При н агреве покрытия с 473 К до 673 К его микротвердость изменяется с 7800 МПа до 14000 МПа (рис. 4).

Судя по ширине линий н а рентгеногр аммах, можно счит ть, что исходный спл в и термообр аботанный при темпер атур ах до 623 К н ходятся т кже в псевдо морфном состоянии. Непосредственно после ос аждения сплав является метастабильным, а после термической обр аботки при 673 К выделяется избыточный фосфор, образуя химическое соединение-фосфид железа Бе3Р. После термической обр аботки спл ав представляет собой смесь крист ллического желез и фосфид желез Бе3Р.

И^,

Рисунок 4 - 3 ависимость микротвердости железофосфорных покрытий от темпер атуры термообр ботки

В процессе электролиза происходит обр азование железо-фосфорного спл ав а при темпер тур х ниже темпер туры пл вления и рекрист ллиз ции в мет ллургических спл в х, поэтому полученный электролитический спл в оказыв ается в нер авновесном состоянии. Так как диффузия при темпер тур х ос ждения спл в осу ществляется с ничтожно м алой скоростью, то р авновесие не успевает установиться и обр азуются пересыщенные твердые р створы.

Результаты рентгеноструктурного анализ а

полностью согл суются с результ т ми измерения микротвердости. На рентгеногр аммах обр азцов, не подвергнутых термообр ботке, проявляются сильно р змытые линии (г лло), соответствующие сильно пересыщенным р створ м. После термообр ботки при температуре 673 К четко обнаруживается эффект «старения», при котором происходит выделение из пересыщенного р аствор а фосфида Бе3Р. Кроме того, обн ружив ются линии, прин длеж щие

объемноцентриров анной решетке, хар актерной для твердого р аствор а фосфор а в а-железе.

Дальнейшее повышение темпер атуры до 973 К приводит к росту крист ллов, что ск зыв ется н снижении микротвердости железо-фосфорного спл в .

Термообр аботка железо-фосфорных покрытий ок зыв ет положительное влияние и н их сцепляемость с основным мет ллом.

Микроструктурное исследов ние переходной зоны (покрытие - основной мет лл), пок з ло, что рост темпер туры термообр ботки приводит к полному ср ащиванию покрытия с основным металлом. В исходном состоянии видн четк я переходн я зон , котор я при росте темпер туры все более р змыв ется и при 1173 К полностью исчез ает (рис. 5).

Покрытия, содерж щие фосфор, прочно удерживаются на поверхности обр азца при нагреве его до 1173 К, а появившиеся микротрещины не увеличив ются в своих р змер х.

Рр-Р

Без нагрева

Ре-Р

873 К

Рисунок 5 - Микроструктуры переходных

Выводы1

1. Предложены новые способы электроосаждения сплавов железо-молибден, железо-вольфрам и железо-фосфор с применением асимметричного переменного тока. Скорость электроосаждения - 0,27_0,32 мм/ч. Содержание

молибдена в покрытии 1,4_______1,6 %, вольфр ам а

2,5_3,0 %, фосфора 2,8_3,2 %.

2. Термообработка спл авов при темпер атуре

673 К и выдержке в течение ч ас а приводит к резкому повышению микротвердости железо-фосфорных покрытий до 14000МПа. Для железо-молибденовых и железо-вольфр мовых покрытий з метного

увеличения микротвердости не происходит.

Литература

1. Способ электролитического осаждения сплава железо-фосфор / Серебровский В.И., Серебровская Л.Н., Коняев Н.В. и др.//Патент на изобретение №2164560, 2000. - 6 с.

2. Гладченко, В.Я. Исследов а ние физико-мех нических свойств железо-фосфорного спл в , полученного из хлоридных электролитов применительно для автотракторных деталей: автореф. канд. дис./ В.Я. Гладченко. - Харьков, 1972. - 16с.

Ре-Р

773 К

Ре-Р

1173 К

зон железо-фосфорных сплавов (х 450)

3. Определение содерж ания фосфора и

выхода металла по току при формировании гальванического железо-фосфорного покрытия, осажденного на переменном асимметричном токе [Текст] / В.Н. Г ад алов, Н.В. Коняев,

В.И. Серебровский и др. // Св арка и родственные технологии в м ашиностроении и электронике. -Курск: КГТУ, 2002. - Выпуск 4. - С. 86 - 92.

4. Г ад алов В.Н., Коняев Н.В., Серебровский

В.И. Вопросы термообработки железо-фосфорного покрытия, полученного н переменном асимметричном токе [Текст] / В.Н.Гадалов,

Н.В.Коняев, В.И.Серебровский // Медикоэкологические информ ционные технологии-2002, Курск: КГТУ, 2002. - С. 179 - 185.

5. Упрочнение деталей тр а нс портных

м а шин гальваническими покрытиями [Текст] / В.Н. Га д алов, В.И. Серебровский, Н.В. Коняев и др. // Св арка и родственные технологии в

м а шиностроении и электронике. - Курск: КГТУ, 2003. Выпуск 5. - С. 86 - 92.

6. Способ электролитического осаждения сплава железо-молибден. /В.И. Серебровский и др. //П атент на изобретение № 2174163, 2001. - 6 с.

7. Способ электролитического осаждения сплава железо-вольфрам. /В.И. Серебровский и др. //П тент н изобретение № 2192509, 2002 - 6 с.