CC BY
66
ВЛИЯНИЕ НЕСТАЦИОНАРНЫХ РЕЖИМОВ ЭЛЕКТРОЛИЗА НА ЭЛЕКТРООСАЖДЕНИЕ ЖЕЛЕЗНЫХ ПОКРЫТИЙ
В.В. Серебровский, кандидат технических наук, доцент кафедры электротехники
и механизации животноводства Курская государственная сельскохозяйственная академия имени профессора ИИ. Иванова
Приведены экспериментальные данные по осаждению железных покрытий из хлоридных электролитов на переменном асимметричном токе. Показано, что использование переменного тока, вместо постоянного, позволяет значительно повысить скорость осаждения, увеличить твердость железных осадков, а также дает возможность восстанавливать детали, имеющие повышенные износы.
Электролитическим железнением в настоящее время с успехом восстанавливаются изно-сы различных стальных деталей, так как осаждаемые железные покрытия по своей химической природе и кристаллическому строению близки к основному металлу. Их физикомеханические свойства могут изменяться в широких пределах в результате простых операций - изменение состава электролита и изменение режимов электролиза.
Наиболее перспективными для современного ремонтного производства следует признать холодные хлоридные электролиты и проведение электролиза на переменном асимметричном токе. Дело в том, что симметричный ток позволяет повысить катодную плотность и, тем самым, значительно повысить производительность процесса электроосаждения металла.
Повышение плотности тока при стационарном процессе (на постоянном токе) приводит к интенсивному разряду катионов железа на катоде, а подвод новых катионов из раствора, из-за рассеяния тока в электролите, не восполняет их убыли в прикатодном пространстве. Чем больше плотность постоянного тока, тем быстрее разряжаются катионы и тем меньше их остается в прилегающем к поверхности катода слое электролита и соответственно меньше скорость осаждения железа.
При ведении электролиза на ассиметричном токе периодически изменяется его полярность на электролизной ванне и катодное осаждение заменяется анодным растворением металла. При этом прикатодный слой электролита обогащается катионами металла и скорость осаждения значительно увеличивается. Кроме того, во время анодного полупериода идет преиму-
щественное растворение микровыступов и наиболее напряженных участков на осаждаемом покрытии, в результате чего оно получается более плотным и гладким.
Основной характеристикой асимметричного электролизного тока является показатель асимметрии, равный отношению средних значений катодного и анодного токов (Р=ТкЛа). Он показывает, какая часть электричества, подводимого к электролизной ванне, участвует в осаждении металла. При правильном выборе показателя асимметрии производительность процесса электроосаждения может быть значительно выше, чем при стационарном режиме, т.е. при постоянном токе.
Эксперименты, проведенные с использованием хлоридного электролита (350...400 кг/м3 FeCb; 1 кг/м3 НС1), позволили выявить влияние показателя асимметрии на производительность процесса железнения (рис. 1.).
^ ТОК
ас! шметр ичнмй
40 А/д VI
с тацио! эдный пежиы
2 3 4 5 6 7 8
Показатель асимметрии р Рис.1. Влияние показателя асимметрии на выход по току электроосаждеиного железного покрытия в хлоридном электролите
При невысоких значениях коэффициента асимметрии ([3=1,3... 1,5) выход железного покрытия по току весьма небольшой, около 40 %, что ниже, чем у покрытия, осажденного на постоянном токе. Однако, с увеличением значений показателя асимметрии выход по току
интенсивно возрастает и при значениях р=4... 5 достигает максимума, после чего остается постоянно высоким (науровне 85...88 %).
Периодическое изменение направления тока в электролизной ванне допускает значительное увеличение плотности катодного тока, что способствует росту скорости осаждения железа (рис.2.)
0,6
2
£
<о
ОС
£
3
о,
*
0 с
РЗ
X
£
1
I
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
2/^
\ 3 \
0 20 4 0 60 8 0 10
Плотность катодного тока Г\. А/дм
Рис.2. Зависимости толщины железных покрытий от плотности катодного тока при различных показателях асимметрии:
1 - р=2; 2 - р=4; 3 - р=8
Проведенные экспериментальные исследования показали, что при относительно низких значениях показателя асимметрии (Р<6) толщина покрытия увеличивается прямо пропорционально увеличению плотности катодного тока, однако при высоких значениях этого показателя появляется некоторая предельная плотность тока, после которой выход покрытия по току снижается (кривая 3 на рис.2).
Качество и толщина железных покрытий, получаемых на асимметричном токе, во многом зависит от катодной плотности тока (табл.)
Если при стационарном процессе (на постоянном токе) максимально возможная толщина железного покрытия за 30 мин может быть получена равной 0,23 мм, то при асимметричном токе, при том же времени электролиза, толщина покрытия может достигать 0,5 мм и более (в 2,5 раза выше) при хорошем качестве. При увеличении длительности процесса на периодическом токе можно получить качественные покрытия весьма значительной толщины.
При использовании для электроосаждения переменного тока, вместо постоянного, значительно изменяется микроструктура покрытия (рис.3).
Качество железных покрытий, полученных на токе переменной полярности
Плотность катодного Толщина Г1п ь'пигти ст Мнкро- твердосп. Внешний вид
тока, IX, микры 1ИХ, б, им покрытия покрытия
А/дмг МПа
10 0.065 5620 Покрытие чистое, гладкое, серебристо-серого цвета
20 0,132 6720 То же
30 0,180 7120 Покрытие гладкое, серое, с заметным блеском
40 0,250 8265 То же
50 0,300 7312 То же
60 0,365 7221 То же
70 0,420 7333 То же
80 0,495 7705 Покрытие серое, блестящее, с точками на поверхности и редкими дендритами по кромкам
90 0,540 7701 То же (дендркты на кромках и точках на поверхности)
100 0,600 7310 Покрытие серое, без блеска, гладкое, дендриты на кромках образца и редкие на поверхности
Во всех случаях сцепление покрытия с основным металлом
прочное
При осаждении железа на постоянном токе образуются слоистые осадки с заметной пористостью на всю глубину покрытия (рис.3, а). При использовании для электролиза переменного тока получается плотная (беспористая) столбчатая структура, имеющая более высокие физико-механические свойства (рис.3, б).
Микротвердость осадков, получаемых с использованием асимметричного тока, значительно зависит от величины коэффициента асимметрии (рис.4). При увеличении коэффициента асимметрии до р~4 микротвердость железных осадков значительно возрастает и достигает Нц=8200...8300 МПа, что в 1,6 раза выше, чем микротвердость осадков, получаемых на постоянном токе (-5000 МПа). Величина катодного тока также влияет на микротвердость железных осадков (см.табл.), однако это влияние значительно меньше, чем влияние показателя асимметрии.
Здесь следует отметить, что микротвердость осадков зависит не только от режимов электролиза, но и от толщины железных покрытий - с
увеличением толщины твердость покрытия заметно снижается (6260 МПа при толщине 0,3 мм и 4700 МПа при 3,0 мм). Объяснить такое снижение твердости можно, по-видимому, тем обстоятельством, что при увеличении толщины покрытия снижается напряженность кристаллической решетки осаждаемого металла за счет улучшения условий кристаллизации верхних слоев на нижележащих слоях гальванического осадка.
Наконец, особенностью железнения на асимметричном переменном токе является то, что при его использовании удается нарастить покрытие большой толщины на деталях относительно малых размеров. В наших экспериментах были получены железные покрытия толщиной до 3 мм на деталях диаметром 50 мм и даже меньше, в то время как на постоянном токе не удается получить такие покрытия на деталях диаметром 80 мм из-за возникновения в них значительных растягивающих напряжений и образования большого количества трещин.
Таким образом, как показали экспериментальные исследования, применение переменного асимметричного тока для осаждения железных покрытий, вместо постоянного, позволяет значительно увеличить скорость осаждения, увеличить твердость железных осадков, а также дает возможность наращивания поверхностных слоев деталей с большими износами.
