CC BY
0
VISUAL MODEL OF DISLOCATION AND ITS BEHAVIOR IN A METAL CRYSTAL
Abstract. In this article, a kind of visual model of a crystal containing dislocations is proposed, reflecting the effect of crystal hardening due to mutual inhibition by dislocations of each other during metal deformation.
Keywords: visual model, dislocation behavior, crystal model
УДК 621.785.532
ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ЖЕЛЕЗНЫХ ОСАДКОВ, ПОЛУЧЕННЫХ ИЗ СУЛЬФАТНЫХ ЭЛЕКТРОЛИТОВ ПРИ НЕСТАЦИОНАРНЫХ РЕЖИМАХ ЭЛЕКТРОЛИЗА Воробьев Юнис Сергеевич, аспирант Агеева Екатерина Владимировна, д.т.н., профессор E-mail: ageevа-ev@yandex.ru Юго-Западный государственный университет, г.Курск, Россия
Приведены результаты исследования влияния режимов (коэффициента асимметрии и плотности катодного тока) электроосаждения железа на асиметричном переменном токе из сульфатного электролита. Показано, что использование переменного тока (нестационарного режима) позволяет значительно повысить скорость осаждения железа с формированием слоистой структуры осадков.
Ключевые слова: электроосажденное железо, асимметричный ток, толщина железных осадков, слоистая микроструктура.
Железные электрохимические покрытия широко используются в ремонтном производстве для компенсации износа стальных деталей после длительной эксплуатации. Толщина таких покрытий может варьироваться от долей миллиметра до нескольких миллиметров, что позволяет компенсировать износы практически любых автомобильных деталей [1-3].
Электрохимическое железо, используемое для восстановления изношенных деталей, имеет некоторые преимущества перед хромированием, также используемым для этих целей [4-11].
Во-первых, скорость осаждения железа значительно выше, чем скорость осаждения хрома, так как электрохимический эквивалент железа 1,042 г/(А*ч) в три раза больше, чем хрома 0,345 г/(А*ч). Во - вторых, выход металла по току при железнении в 7...8 раз больше, чем Хрома. Если даже принять, что плотность катодного тока при хромировании в 5 раз больше, чем при железнении, то скорость процесса железнения всё равно будет больше, чем скорость процесса электроосаждения хрома примерно в 4.5 раз.
Благодаря своим уникальным свойствам электроосажденное железо может использоваться для получения композиционных электрохимических
покрытий с повышенной износостойкостью, что позволит значительно повысить эффективность ремонта машин.
Целью настоящей работы являлось исследование процесса электроосаждения железа для определения влияния условий электроосаждения на скорость нанесения железного осадка, на его структуру и свойства.
Электрохимические железные покрытия осаждали на изношенные детали из водных растворов солей железа под действием электрического тока напряжением 6...24 В. Исследования проводили с использованием сернокислого электролита, так как он обладает многими достоинствами: низкой температурой процесса, простым составом и дешевизной компонентов, и малой токсичностью раствора.
Электроосаждение железных покрытий в лабораторных условиях проводили с использованием сернокислого электролита следующего состава:
- сернокислое железо Бе804 - 200.600 г/л;
- сульфат натрия КаБ04 - 20.40 г/л.
Названный электролит получали соединением водных растворов названных солей. При этом использовали химически чистые реактивы (ХЧ и ХЧА) и дистиллированную воду. Кислотность раствора поддерживалась на уровне рИ 2,5.3,0 периодическим добавлением лимонной кислоты.
Концентрация железа в электролите поддерживалась за счёт растворения анодов, изготовленных из малоуглеродистой стали (сталь 08кп) и помещённых в чехлы из стеклорогожи. Для каждого опыта использовали свежеприготовленный электролит.
Электроосаждение железных покрытий проводили на специальной лабораторной установке, которая позволяла проводить электролиз на переменном асимметричном токе. Эта установка позволяет периодически (с частотой 50 Гц) изменять полярность электродов. Катод (отрицательный электрод) на котором осаждается металл из электролита, периодически становится анодом (получает положительный заряд), при этом происходит частичное растворение осажденного металла. Если ток катодного полупериода превышает ток анодного (противоположного) полупериода 1а, т.е. если 1к>1а на катоде осаждается больше металла, чем растворяется и толщина электроосаждаемого покрытия увеличивается.
Образцы с нанесенными покрытиями высушивались и рассматривались невооруженным глазом или с использованием лупы (увеличение 2.7 крат) для выявления возможных макродефектов. Затем образцы с качественными покрытиями измерялись или взвешивались для определения толщины покрытия или количества осажденного металла (предварительно образцы были измерены или взвешены).
Исследование микроструктуры железных и железохромистых осадков проводилось на оптическом микроскопе ЕР1Аш8еоре с камерой Х1МЕА и программным обеспечением ЛхаШ. Микрошлифы для металлографического исследования готовили механическим способом: шлифовались на наждачных бумагах разной зернистости, от 16 до 3 (ГОСТ 3647), а затем обра-
батывались на полировочных кругах с применением алмазных паст (40, 14, 7 и 1 мкм) с промежуточной промывкой ацетоном и этанолом. Окончательная доводка микрошлифов проводилась на фетровом круге с окисью хрома. Для выявления структуры шлифы протравливали 4%-ным раствором азотной кислоты в спирте.
Для исследования влияния показателя асимметрии п плотности катодного тока на скорость осаждения железа использовали цилиндрические образцы из стали 10, которые подвергали электролизу в сернокислом электролите (450 г/л Бе804) при нормальной температуре 20.25 °С (без подогрева). В процессе эксперимента проводилась серия опытов, в которых изменяли показатель асимметрии в и плотность катодного тока Дк. Толщину покрытия, нанесённого на образцы за один час, определяли, как среднее значение нескольких замеров в разных местах образца до и после нанесения покрытия. Кроме того, оценивали качество покрытий (цвет, шероховатость, наличие трещин, дендритов и др.) визуальным осмотром. Результаты эксперимента представлены на рисунках 1 и 2.
0.6 0.5
%
14 ол
И
^ | 0,3 0.2
£
0.1
4
3
2
___ - 1 ~--
л
12 3^ 5 6 7 8 9 10 Показатель асимметрии Рисунок 1 - Зависимости скорости осаждение железного покрытия от величины показателя асимметрии при различных плотностях катодного тока
Дк:1-10А/дм2; 2-20А/дм2; 4-60 А/дм2
0.6
0.5
ОА
а ^
§ к
8.1 «* ет С;
£
0,1
О 10 20 30 ¿>0 50 60
Плотность катодного тока Ок А Рисунок 2 - Зависимости скорости осаждения железного покрытия от плотности катодного тока при различных показателях асимметрии в:
1-2; 2-4; 3-6; 4-8; 5-10
Как видно из представленных рисунков показатель асимметрии электролизного тока и плотность катодного тока решающим образом влияют на скорость осаждения железного покрытия.
Показатель асимметрии электролизного тока, который представляет собой отношение количества электричества, затрачиваемого на осаждение железа на катоде, к количеству электричества, затрачиваемого на анодное травление поверхности свежеосаждённого железа, влияет на скорость роста железного осадка неоднозначно. При увеличении показателя асимметрии до в=6 скорость роста железного покрытия увеличивается. При дальнейшем увеличении этого показателя до в=8 наблюдения железа, а при величине показателя асимметрии в=10, скорость осаждения покрытия резко падает и практически становится равной скорости осаждения при стационарном режиме. Очевидно, что при десятикратном превышении катодного тока над анодным, эффект от анодной составляющей исчезает и процесс становится аналогичным осаждению на постоянном токе.
При показателе асимметрии до значений Р=6...8 появляется возможность значительно увеличить силу катодного тока и, соответственно, скорость осаждения железного покрытия.
При использовании асимметричного тока возможно получение железных покрытий большой толщины за приемлемое время. На рис 3. показана кинетика увеличения толщины железного покрытия на стальном образце (сталь 10) при показателе асимметрии в=6 и плотности катодного тока Дк=40А/дм2.
з.а
01 231*56789 10
Длотельность электролиза, ч Рисунок 3 - Зависимость толщины электроосаждённого железного покрытия от длительности процесса электролиза (Дк=40А/дм , в=6)
Как видно из приведенного рисунка, рост толщины железного покрытия до 5-ти часовой выдержке толщины покрытия увеличивается пропорционально времени осаждения. С увеличением длительности электролиза интенсивность роста железного покрытия постепенно снижается. Это объясняется, по-видимому, тем, что с ростом толщины покрытия ухудшаются условия электрокристаллизации железа из-за накопления в электролите примесей (ионов вспомогательных веществ, оксидов, гидридов и т. п.), а также из-за снижения истинной плотности тока на катоде. Плотность тока может уменьшаться за счёт экранирования катода выступами покрытия и дендритами на его поверхности, кроме того, снижение интенсивности электролиза возможно из-за накопления шлама на аноде.
Интенсивность роста покрытий зависит в значительной мере от размеров покрываемой детали, чем больше диаметр и масса детали, тем выше допустимая скорость осаждения и тем большую толщину качественного покрытия можно на ней получить.
Условия электроосаждения железных покрытий оказывают влияние на структуру осадков, которая, в свою очередь, влияет на их свойства. Структура, как показывают наши исследования, определяется главным образом, величиной тока, от которой зависит механизм кристаллизации электро-осаждаемого металла. Микроструктура железных осадков, полученных электролизом из сульфатного электролита на асимметричном токе (в=6) при различных плотностях катодного тока представлены на рис. 4.
Рисунок 4 - Микроструктура железохромистых покрытий, полученных на асимметричном токе (в=6)
Необходимо отметить, что при повышении плотности катодного тока до некоторого критического значения (в нашем случае до 50 А/дм ) в структуре железных осадков, наряду со слоями параллельными подложке, появляются трещины, перпендикулярные подложке и этим слоям. Такие трещины выходят на поверхность покрытия, образуя достаточно густую сетку.
Скорость осаждения электрохимического железа из дешевых и нетоксичных сульфатных электролитов на нестационарных режимах (на асимметричном переменном токе) повышается в несколько раз по сравнению со стационарным режимом (на постоянном токе) При этом асимметричный ток позволяет получить железное покрытие большой толщины за приемлемое время (1,5.2 мм за 3.5 часов).
Однако, использование нестационарных режимов электролиза приводит к возникновению слоистой структуры осадков. Причиной увеличения слоистости при ужесточении режимов электролиза (увеличении плотности катодного тока) можно считать увеличение качества дислокаций и точечных дефектов на границах зерен и субзерен, образующихся в процессе интенсивной кристаллизации металла на катоде.
Список литературы
1. Электрохимический синтез полимерных покрытий на чисто железном электроде / Саргисян С.А., Маргарян К.С. // Химический журнал Армении. 2013. Т. 66. № 4. С. 661673.
2. Получение композиционных электрохимических покрытий на железной основе, упрочненных СВС-частицами с последующей лазерной обработкой / Боровик Д.И., Пантелеенко Ф.И., Столин А.М. // Упрочняющие технологии и покрытия. 2015. № 10 (130). С. 25-28.
3. Оценка износостойкости композиционных покрытий, полученных электроосаждением электролитов-суспензий / Агеева Е.В., Серебровский В.И., Серникова О.С. // Упрочняющие технологии и покрытия. 2023. Т. 19. № 2 (218). С. 73-76.
4. Сравнительная оценка триботехнических свойств покрытий, полученных желез-нением / Денисов В.А., Рещиков Е.О., Агеева Е.В. // Труды ГОСНИТИ. 2016. Т. 124. № 2. С. 46-51.
5. Оценка эффективности применения твердосплавных порошков, полученных электроэрозионным диспергированием отходов твердых сплавов, при восстановлении и упрочнении деталей композиционными гальваническими покрытиями / Агеев Е.В., Семе-нихин Б.А., Агеева Е.В., Латыпов Р.А. // Упрочняющие технологии и покрытия. 2011. № 9 (81). С. 14-16.
6. Применение порошков, полученных электроэрозионным диспергированием отходов твердых сплавов, при восстановлении и упрочнении деталей автотракторной техники композиционными гальваническими покрытиями / Агеев Е.В., Гадалов В.Н., Се-менихин Б.А., Агеева Е.В., Латыпов Р.А., Серебровский В.И. // Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии. 2010. № 4. С. 73-75.
7. Порошковая шарикоподшипниковая сталь, полученная диспергированием в керосине/ Агеева Е.В., Ивахненко А.Г., Куц В.В., Хардиков С.В.// Современные материалы, техника и технологии. 2017. № 5 (13). с. 10-15
8. Строение и свойства порошковых материалов, полученных из отходов шарикоподшипниковой стали марки шх15 методом ЭЭД в воде дистиллированной/ Ивахненко А.Г., Агеева Е.В., Куц В.В., Хардиков С.В. // Современные материалы, техника и технологии. 2017. № 5 (13). с . 28-33
9. Строение и свойства порошковой быстрорежущей стали, полученной электроэрозионным диспергированием в воде/ Куц В.В., Ивахненко А.Г., Агеева Е.В. // Современные материалы, техника и технологии. 2017. № 5 (13). с. 50-54
10. К вопросу о переработке алюминиевых отходов электроэрозионным диспергированием/ Новиков Е.П., Агеев Е.В., Сытченко А.Д.// Современные материалы, техника и технологии. 2015. № 1 (1). С. 169-172.
11. О возможности переработки отходов шарикоподшипниковой стали методом электроэрозионного диспергирования/ Хардиков С.В., Агеев Е.В., Зубарев М.А.// Современные материалы, техника и технологии. 2015. № 1 (1). С. 211-214.
Vorobyov Yunis Sergeevich, PhD student
Ageeva Ekaterina Vladimirovna, Doctor of Technical Sciences, Professor E-mail: ageev-ev@yandex.ru Southwest State University, Kursk, Russia
FEATURES OF ELECTROCHEMICAL IRON PRECIPITATES OBTAINED FROM SULFATE ELECTROLYTES IN NON-STATIONARY ELECTROLYSIS MODES
The results of the study of the influence of modes (asymmetry coefficient and cathode current density) of electrodeposition of iron on an asymmetric alternating current from a sulfate electrolyte are presented. It is shown that the use of alternating current (non-stationary mode) makes it possible to significantly increase the rate of iron deposition with the formation of a layered structure of precipitation.
Key words: electrodeposited iron, asymmetric current, thickness of iron deposits, layered microstructure.
