Электроосаждение двухкомпонентных покрытий на основе железа Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ЭЛЕКТРООСАЖДЕНИЕ Д ВУ X К О МП ОН Е НТ Н ЫХ ПОКРЫТИИ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА

В.И. Ссрсбровский, доктор технических наук, профессор, проректор по учебной работе, заведующий кафедрой электротехники и механизации животноводства, Р.И. Сафронов, кандидат технических паук, старший преподаватель, кафедры электротехники и механизации животноводства, В.В. Ссрсбровский, кандидат технических наук, доцент кафедры электротехники и механизации

животноводства, Д.В. Ко л.мыкав, аспирант Курская государственная сельскохозяйственная академия имени профессора И.И. Иванова

1. Сплавы железо-молибден и железо-вольфрам

Значительный интерес для промышленности представляет применение электроосажден-ных сплавов на основе железа. Одними из наиболее эффективных легирующих элементов являются молибден и вольфрам, оказывающие наиболее резко выраженное воздействие на улучшение свойств стали.

Исследования А.Т. Ваграмяна, М.А. Шлу-гера. М.М. Пасечника, А.Т. Васько и др. указывают па то. что при легировании молибденом и вольфрамом электролитических металлов получаются сплавы с высокими механическими свойствами. Однако исследованию свойств электролитических сплавов молибдена и вольфрама с наиболее распространенным и дешевым элементом - железом посвящено крайне незначительное количество работ, причем имеющиеся сведения зачастую носят противоречивый характер. Детальное решение этого вопроса будет способствовать получению покрытий высокого качества для упрочнения и восстановления деталей машин.

Для определения условий электролиза, обеспечивающих получение износостойких железо-молибденовых и железо-вольфрамовых покрытий, применялась методика планирования экспериментов. В качестве плана многофакторного эксперимента был принят латинский квадрат. Шесть первичных факторов: показатель асимметрии тока (/3), плотность катодного тока (Д), концентрация легирующей соли (С,,), кислотность электролита (рН). концентрация лимонной кислоты (С„). температура электролита (?) варьировались на пяти уровнях (табл.1).

Обработка результатов экспериментов производилась путем группировки данных по значениям каждого фактора. Поэтому при усреднении все прочие факторы, кроме того, по которому произведена группировка, уравнивались. Следовательно, результаты зависели только от одного рассматриваемого фактора при средних

значениях остальных. В дальнейшем производилась группировка исходных данных по значениям второго фактора, что позволило найти вторую частную зависимость результата от второго фактора, затем частную зависимость от третьего фактора и т.д. Окончательная эмпирическая формула получилась как сумма и произведение частных эмпирических формул.

1.Значения уровней первичных факторов

Значе- Размер- Уровни первичных

ние фак- ность факторов

торов 1 2 3 4 5

Р 3 4 5 6 7

д А/дм2 20 30 40 50 60

кг/м3 0,2 0,5 0,8 и М

рН кг/м3 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

С 2 3 4 5 6

( °с 20 30 40 50 60

Испытания по определению величины износа образцов проводились на машине трения СМТ{-2 по схеме: вращающийся ролик-колодка в условиях, близких к граничному трению, и при трении без смазки. Контробразцами служили колодки из серого чугуна СЧ 18 и бронзы Брс 30. Площадь соприкасающихся поверхностей образцов составляла 2 см . Образцы прирабатывались до стабилизации момента трения и температуры. Износ определялся по потере массы образцами.

Наиболее износостойкие железо-

молибденовые покрытия получены при следующих условиях электроосаждения: показатель асимметрии - 6, катодная плотность тока -40 Л дм . температура электролита - 40 °С, кислотность электролита рН - 0,8 - 1,0; концентрация лимонной кислоты - 4-5 кг м : концентрация моли б дата аммония - 0.6-1,0 кг. м . Оптимальная концентрация хлорида железа 350 — 400 кг/м' (6).

Оптимальные условия для железо-вольфрамовых покрытий следующие: хлорид железа - 300 кг/\г; натрий вольфрамово-кислый

Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии. - 2008. - №1

- 4 кг/м3; лимонная кислота - 8 кг/м3, температура электролита - 40 °С, кислотность электролита рН - 1,0, плотность тока 30 А/дм2 (7).

Результаты сравнительных испытаний на износ показали, что износостойкость железо-молибденовых покрытий к стали 45 составила 176 % при трении в паре с чугуном и 194 % в паре с бронзой.

Износостойкость железо-вольфрамовых покрытий на 72 % выше износостойкости закаленной стали 45 при трении с чугуном и на 85 % больше при трении с бронзой.

При трении без смазки железо-молибденовые и железо-вольфрамовые покрытия превосходят износостойкость железных покрытий в 1,87...1,95 раза.

Металлографические исследования показали, что электролитические железо-молибденовые и железо-вольфрамовые покрытия имеют ярко выраженную слоистую структуру (рис. 1). Толщина слоев достигает нескольких десятков и даже сотен микрометров.

Причиной образования слоистой структуры покрытий, по-видимому, является периодическое защелачиванис прикатодного пространства и, соответственно, периодическая кристаллизация гидрооксида железа.

Термообработка сплавов до температуры 673 К приводит к практическому исчезновению слоистости, но на микротвердость покрытий заметного влияния не оказывает.

Ре-Мо

Мо = 0,5 % Мо = 1,0 %

Мо = 1,5 %

УЖ

= 1 %

= 3 %

Рис. 1. Микроструктуры электроосажденных сплавов железо-молибден и железо-вольфрам (х 450)

2. Сплав железо-фосфор

Электролитические сплавы железа с фосфором благодаря своим особым эксплуатационным свойствам привлекают все больше внимание промышленности. Процесс осаждения железо-фосфорного покрытия на переменном асимметричном токе отличается высокой производительностью и малой стоимостью (1).

Для осадков железа характерными признаками структуры являются слоистость, пористость и волокнистость. В зависимости от условий электролиза структура покрытий принимает тот или иной вид.

Асимметричный ток существенно влияет на протекание многих электролитических реакций. Концентрация ионов железа в при катодном слое увеличивается, что позволяет повысить рабочую плотность тока, а применение гипофосфита натрия несколько активирует поверхность катода, увеличивая скорость осаждения. Скорость возникновения центров кристаллизации опережающе растет по сравнению со скоростью формирования самих кристаллов, а это приводит к образованию мелкокристаллической структуры.

Оптимальные условия для железо-фосфорных сплавов следующие: хлорид железа - 350...400 кг/м3; гипофосфид натрия - 10... 12 кг/м3; температура электролита - 303...313 К; кислотность электролига рН - 1,0; показатель асимметрии гока - 6; катодная плотность тока -35...40 А/дм2.

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

■ тш ■ ■>/ ^'ДДД^Р

8 '-

¿¿ш

шп

а)

б)

в)

Рис.2. Микроструктура железо-фосфорного сплава (поперечный шлиф х350), полученного при различном содержании фосфора в покрытии:

а) 1 %;

б)2%;

в)3%

Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии. - 2008. - №1.

Это объясняется тем. что в процессе электролиза прикатодное пространство обедняется ионами водорода, разряжающимися на катоде, и происходит его защелачиванис. При этом образуется практически нерастворимый гидрооксид железа, который постепенно накапливается в ирикатод-ном пространстве до возможного максимума насыщения и адсорбируется на поверхности осаждающегося металла, что вызывает перерыв в росте кристаллов железа. Затем процесс повторяется.

а)

б)

в)

Рис. 3. Микроструктура железо-фосфорных покрытий (поперечный шлиф х350), подвергнутых различной температуре термообработки:

а) 473 К;

б) 573 К;

в) 673 К.

При термообработке слоистость железо-фосфорных осадков исчезла (рис. Зв). На это также указывает автор (2). В пересыщенном растворе образуется химическое соединение, в результате чего >ш поверхности формируется монолитный упрочненный диффузионный слой.

С увеличением температуры термообработки микротвердость железо-фосфорного покрытия увеличиваегся (2). При нагреве покрытия с 473 К до 673 К его микротвердость изменяется с 7800 МПа до 14000 МПа (рис. 4).

Судя по ширине линий на рентгенограммах, можно считать, что исходный сплав и термооб-работанный при температурах до 623 К находятся также в псевдоаморфном состоянии. Непосредственно после осаждения сплав является метастабильным, а после термической обработки при 673 К выделяется избыточный фосфор, образуя химическое соединение-фосфид железа Ре3Р. После термической обработки сплав представляет собой смесь кристаллического железа и фосфида железа Ре3Р.

В процессе электролиза происходит образование железо-фосфорного сплава при температурах ниже температуры плавления и рекристаллизации в металлургических сплавах, по-

Нц, МПа

14000

12000

10000

8000

6000

0 473 673 873 1073 Т, К

Рис. 4. Зависимость микротвердости железо-фосфорных покрытий от температуры термообработки

этому полученный электролитический сила оказывается в неравновесном состоянии. Та как диффузия при температурах осажденш сплава осуществляется с ничтожно малой ска ростью, то равновесие не успевает установиться | образуются пересыщенные твердые растворы

Результаты рентгеноструктурного анал полностью согласуются с результатами из рения микротвердости. На рентгенограм образцов, не подвергнутых термообрабо проявляются сильно размытые линии (галло' соответствующие сильно пересыщенным р творам. После термообработки при температур ре 673 К четко обнаруживается эффект «старения», при котором происходит выделение к пересыщенного раствора фосфида Fe^P. Кром того, обнаруживаются линии, принадлежать объемноцентрированной решетке, характерно! для твердого раствора фосфора в а-железе.

Дальнейшее повышение температуры 973 К приводит к росту кристаллов, что с вается на снижении микротвердости жел фосфорного сплава.

Термообработка железо-фосфорных покр| тий оказывает положительное влияние и на сцспляемость с основным металлом. Mi структурное исследование переходной зо» (покрытие - основной металл) показало, рост температуры термообработки приводит полному сращиванию покрытия с основ» металлом. В исходном состоянии видна чс

Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии. - 2008. - №1.

переходная зона, которая при росте температуры все более размывается и при 1173 К полностью исчезает (рис. 5).

Рис. 5. Микроструктуры переходных зон желе-зо-фосфориых сплавов (х 450)

Покрытия, содержащие фосфор, прочно удерживаются па поверхности образца при нагреве его до 1173 К. а появившиеся микротрещины не увеличиваются в своих размерах.

Вы виды

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 %, вольфрама 2,5...3,0%, фосфора2,8...3,2 %.

2. Термообработка сплавов при температуре 673 К и выдержке в течение часа приводит к резкому повышению микротвердости железо-фосфорных покрытий до НОООМПа. Для желе? зо-молибденовых и железо-вольфрамовых по-

крытии заметного увеличения микротвердости не происходит.

Литература

1. Способ электролитического осаждения сплава железо-фосфор В.И. Ссрсбровский. JI.H. Серебровская, H.H. Коняев и др. Патент на изобретение №2164560, 200!. - 6 с.

2. Гладченко В.Я. Исследование физико-механических свойств железо-фосфорного сплава, полученного из хл о р и д н ы х электролитов применительно для автотракторных деталей: Автореферат кандидатской диссертации. -Харьков. 1972. - 16с.

3. Определение содержания фосфора и выхода металла по току при формировании гальванического железо-фосфорного покрытия. осажденного па переменном асимметричном токе H.H. Гадалов. П.В. Коняев, В.И. Се-ребровский и др. Сварка и родственные технологии в машиностроении и электропике. -Курск: КГТУ, 2002. Выпуск 4. - С. 86 - 92.

4. Гадалов D.H.. Коняев П.В., Серебров-ский В.И. Вопросы термообработки железо-фосфорного покрытия, полученного на переменном асимметричном токе Медико-экологические информационные технологии-2002,- Курск: КГТУ, 2002. - С. 179 - 185.

5. Упрочнение деталей транспортных машин гальваническими покрытиями В.П. Гадалов. В.И. Серебровский. H.H. Коняев и др. Сварка и родственные технологии в машиностроении и электронике, - Курск: КГТУ, 2003. Выпуск 5 - -С . 86-92.

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

7. Способ электролитического осаждения сплава железо-вольфрам В.И. Серебровскяй и др. //Патент на изобретение № 2192509, 2002 . - 6 с.

РГ-Р Ьез «грею

Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии. 2008. - №1 .