CC BY
0
ВОССТАНОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ МАШИН ЭЛЕКТРООСАЖДЕННЫМИ БИНАРНЫМИ ПОКРЫТИЯМИ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА Серебровский Владимир Исаевич, д.т.н., профессор (e-mail: svi.doc@yandex.ru) Калуцкий Евгений Сергеевич, к.т.н.
(e-mail: kalutsky1990@mail.ru) Серникова Ольга Сергеевна, аспирант (e-mail: olga.sernikova@mail.ru) Курский государственный аграрный университет
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%, фосфора 2,8.3,2%.
Ключевые слова: электроосаждение, железо-фосфор, железо-вольфрам, железо-молибден, переменный ток
Значительный интерес для промышленности представляет применение электроосажденных 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. Шлугера, М.М. Пасечника, А.Т. Васько и др. указывают на 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 [1,2,3,4].
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 (6), плотность катодного тока (Дк), концентрация легирующей соли (Слс), кислотность электролита (рН), концентрация лимонной кислоты (Сл), температура электролита (t) варьировались на пяти уровнях (таблица 1).
Таблица 1 - Значения уровней первичных факторов
Значение факторов Размерность Уровни первичных факторов
1 2 3 4 5
Р А/дм2 3 4 5 6 7
Дк 20 30 40 50 60
С ^л. 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
°С 20 30 40 50 60
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.
Испытания по определению величины износа образцов проводились на машине трения СМЦ-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 см2. Образцы прирабатывались до стабилизации момента трения и температуры. Износ определялся по потере массы образцами [5,6].
Наиболее износостойкие железо-молибденовые покрытия получены при следующих условиях электроосаждения: показатель асимметрии - 6, катодная плотность тока - 40 А/дм , температура электролита - 40 °С, кислотность электролита рН - 0,8 - 1,0; концентрация лимонной кислоты -
3 3
4,5 кг/м ; концентрация молибдата аммония - 0,6-1,0 кг/м . Оптимальная концентрация хлорида железа 350 - 400 кг/м [7].
Оптимальные условия для железо-вольфрамовых покрытий следующие:
33
хлорид железа - 300 кг/м ; натрий вольфрамово-кислый - 4 кг/м ; лимонная кислота - 8 кг/м , температура электролита - 40 °С, кислотность электролита рН - 1,0, плотность тока 30 А/дм [8].
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 (рисунок 1). Толщина слоев достигает нескольких десятков и даже сотен микрометров.
Причиной образования слоистой структуры покрытий, по-видимому, является периодическое защелачивание 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.
4 т ■ ■
Мо=0,5%
Мо=1,0%
Мо=1,5%
W=1% W=2% W=3%
Рисунок 1 - Микроструктуры электроосажденных сплавов железо-молибден и железо-вольфрам (х450)
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 прикатодном 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: хло-
3 3
рид железа - 350...400 кг/м ; гипофосфид натрия - 10...12 кг/м ; температура электролита - 303.313 К; кислотность электролита рН - 1,0; показатель асимметрии тока - 6; катодная плотность тока - 35.40 А/дм . Микроструктура железо-фосфорных осадков имеет ярко выраженную слоистость (рисунок 2).
а) б) в)
Рисунок 2 - Микроструктура железо-фосфорного сплава (поперечный шлиф х350), полученных при различном содержании фосфора в покрытии:
а) 1%; б) 2%; в) 3%
Это объясняется тем, что в процессе электролиза прикатодное пространство обедняется ионами водорода, разряжающимися на катоде и происходит его защелачивание. При этом образуется практически нерастворимый гидрооксид железа, который постепенно накапливается в прикатодном пространстве до возможного максимума насыщения, и адсорбируется на поверхности осаждающегося металла, что вызывает перерыв в росте кристаллов железа. Затем процесс повторяется.
Выводы: 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 %, фосфора 2,8.3,2 %. 2. Термообработка сплавов при температуре 673 К и выдержке в течение часа приводит к резкому повышению микротвердости железо-фосфорных покрытий до 14000МПа. Для железо-молибденовых и железо-вольфрамовых покрытий заметного увеличения микротвердости не происходит.
Список литературы
1. Агеев Е.В., Серебровский В.И. Разработка и исследование технологии восстановления и упрочнения изношенных деталей машин композиционными гальваническими покрытиями с применением в качестве упрочняющей фазы вольфрамсодержащих электроэрозионных порошков микро- и нанофракций // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2021. Т. 11. № 2. С. 42-66.
2. Серебровский В.И., Серебровский В.В., Сафронов Р.И., Калуцкий Е.С. Электроосаждение универсальных беспористых покрытий из хлоридных электролитов // Электрика. 2015. № 4. С. 27-31.
3. Серебровский В.И., Богомолов С.А., Калуцкий Е.С. О возможности электроосаждения двухкомпонентных износостойких железомолибдено-вых и железовольфрамовых сплавов из хлористого железного электролита // Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии. 2014. № 5. С. 77-78.
4. Гадалов В.Н., Сафонов С.В., Серебровский В.И., Скрипкина Ю.В., Го-рецкий В.В. Реновация машиностроительной и сельскохозяйственной техники гальваническими железохромистыми покрытиями с применением цементации // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2013. Т. 9. № 4. С. 54-58.
5. Серебровский В.И., Григоров И.Ю. Повышение прочности и износостойкости легированного электроосажденного железа для восстановления и упрочнения деталей машин // В сборнике: Инновационная деятельность в модернизации АПК. материалы Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых: в 3 частях. 2017. С. 222-225.
6. Серебровский В.И., Калуцкий Е.С., Сафронов Р.И., Гнездилова Ю.П. Влияние параметров нестационарных режимов на структуру электроосаж-денного железа // В сборнике: Современные автомобильные материалы и технологии (САМИТ - 2020). сборник статей XII Международнойнаучно-технической конференции, посвященной 25-летию кафедры технологии материалов и транспорта. Курск, 2020. С. 335-338.
7. Морозов В.С., Букреев И.Н., Кручинов В.В., Серебровский В.И. Восстановление шатунов двигателей внутреннего сгорания электролитическим сплавом ББ-Б // В сборнике: Молодежная наука - развитию агропромышленного комплекса. Материалы Всероссийской (национальной) научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. 2020. С. 82-86.
8. Серебровский В.И., Калуцкий Е.С., Мясоедова М.А. Влияние режимов электролиза на субмикроструктуру электроосажденного железа // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2022. Т. 12. № 2. С. 26-39.
9. Восстановление деталей сельскохозяйственной техники электроосаж-денными сплавами железо-титан/ Калуцкий Е.С., Серебровский В.И., Сер-никова О.С.// Современные материалы, техника и технологии. 2023. № 1 (46). С. 47-52.
10. Влияние подготовки поверхности на прочность сцепления электро-осажденных покрытий/ Серебровский В.И., Серникова О.С., Кончин В .А.// Современные материалы, техника и технологии. 2023. № 1 (46). С. 79-85.
11. Оптимизация процесса электроосаждения покрытия железо-вольфрам/ Серебровский В.И., Калуцкий Е.С., Серникова О.С.// Современные материалы, техника и технологии. 2023. № 2 (47). С. 108-113.
12. Исследование износостойкости электроосажденных покрытий/ Сер-никова О.С., Серебровский В.И., Калуцкий Е.С.// Современные материалы, техника и технологии. 2022. № 6 (45). С. 77-82.
13. Зависимость прочности электроосажденного железа от структуры покрытия/ Серебровский В.И., Калуцкий Е.С., Серникова О.С.// Современные материалы, техника и технологии. 2022. № 6 (45). С. 71-77.
14. Влияние регулировавния периодического тока на скорость осаждения электролитических покрытий/ Калуцкий Е.С., Серебровский В.И., Серникова О.С.// Современные материалы, техника и технологии. 2022. № 6 (45). С. 34-40.
Serebrovsky Vladimir Isaevich, Doctor of Technical Sciences, Professor (e-mail: svi.doc@yandex.ru) Kalutsky Evgeny Sergeevich, Ph.D. (e-mail: kalutsky1990@mail.ru )
Sernikova Olga Sergeevna, PhD, student (e-mail: olga.sernikova@mail.ru) Kursk State Agrarian University
RESTORATION OF MACHINE PARTS WITH ELECTRODEPOSITED BINARY COATINGS BASED ON IRON
New methods of electrodeposition of iron-molybdenum, iron-tungsten and iron-phosphorus alloys using asymmetric alternating current are proposed. The rate of electrodeposition is 0.27...0.32 mm/h. The content of molybdenum in the coating is 1.4...1.6%, tungsten 2.5...3.0%, phosphorus 2.8...3.2%. Keywords: electrodeposition, iron-phosphorus, iron-tungsten, iron-molybdenum, alternating current
