Особенности использования легирующих элементов при нанесении гальванопокрытий

ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИ НАНЕСЕНИИ

ГАЛЬВАНОПОКРЫТИЙ

С.А. Богомолов, Е.А. Афанасьев, В.В. Серебровский, Р.В. Степашов

Аннотация. В статье рассмотрены способы восстановления изношенных деталей, достоинства технологии нанесения гальванопокрытий, по сравнению с другими распространенными методами. Изучено влияние легирующих элементов на физикомеханические и эксплуатационные свойства покрытий. Помимо влияния легирующих элементов также были изучены условия технологического процесса электроосаждения, и их воздействия на получаемые покрытия. Была выявлена эффективность получения покрытий с высокой твердостью.

Ключевые слова: гальванопокрытия, легирующие элементы, вольфрам, молибден, фосфор, микротвердость, влияние количества легирующего элемента на микротвердость покрытия, влияние коэффициента ассиметрии тока на микротвердость покрытия, влияние плотности тока на микотвердость покрытия, мелкозернистость, микроискажение кристаллической решетки.

Восстановление деталей выступает как одно из стратегических и приоритетных направлений ресурсосбережения, новейшие технологии приближают восстановленные детали по уровню качества к новым, стирают грань между первичными и вторичными ресурсами, превращая их в альтернативные. Восстановление деталей обеспечивает значительное со-

кращение расхода запасных частей, экономию денежных средств и трудовых затрат при ремонте техники. Для большой номенклатуры деталей себестоимость их восстановления составляет 30 - 70% от цены новых деталей, а ресурс зачастую значительно выше благодаря использованию упрочняющих технологий. Наиболее распространенными способами восстановления деталей в ремонтном производстве России и за рубежом являются дуговая наплавка, контактная наварка металлического слоя, газотермическое напыление, нанесение полимерных и гальванических покрытий. Большинство деталей, поступающих на участки восстановления, имеют износ менее 0,3 мм. Эффективным способом их восстановления является нанесение гальванопокрытий. По сравнению с распространенными сварочно-наплавочными способами он имеет следующие преимущества: отсутствие коробления детали, небольшие припуски на механическую обработку, возможность регулирования свойств покрытий в широких пределах путем изменения режимов электролиза, получение покрытий высокого качества из недефицитных дешевых материалов.

Для исследования были выбраны железные покрытия, легированные фосфором, молибденом и вольфрамом.

Выбранные элементы характеризуются следующими свойствами.

Вольфрам обладает рядом ценных свойств. Для этого металла характерны высокие показатели прочности. Коэффициент сжимаемости вольфрама является самым низким по сравнению с коэффициентами сжимаемости всех остальных металлов. Возрастающий интерес к описываемому элементу объясняется высокой температурой плавления, высокой жаропрочностью, значительным сопротивлением усталости, большой тепло- и электропроводностью. Недостатком вольфрама является то, что он плохо поддается механической обработке, однако это в определенной степени может быть преодолено при использовании электрохимических методов изготовления и защиты деталей.

В сплаве с железом вольфрам будет способствовать упрочнению основы сплава (железа), повышению его теплостойкости, износостойкости и анти-фрикционности.

Молибден относится к группе металлов, которые при трении не проявляют большой склонности к схватыванию и образуют хрупкие, легко разрушающиеся окисные пленки. Чистый молибден обладает исключительно высокой износостойкостью, значительно превышающей износостойкость хрома, и имеет низкий коэффициент трения. Износ происходит без схватывания, тогда как хром для тех же условий при трении о закаленную сталь изнашивается со схватыванием. Не менее ценным свойством является и то, что молибден, обладая сравнительно высокой твердостью, сохраняет ее к концу испытаний. Это свидетельствует о высокой теплостойкости молибдена.

В бинарном сплаве с железом молибден будет способствовать повышению его коррозионноостой-кости, а также износостойкости и антифрикционно-сти.

Фосфор. Электроосажденные сплавы фосфора с металлами группы железа представляют значительный научный и практический интерес. Это объясняется тем, что фосфор придает электролитическим осадкам особые механические и эксплуатационные свойства, а их термообработка значительно повышает твердость и износостойкость покрытий.

Легирование железа вышеуказанными элементами обеспечит комплекс технологических, механических и эксплуатационных свойств, который необходим для решения проблемы долговечности машин.

Этому должно предшествовать подробное изучение данных систем, сопровождающееся тщательными исследованиями прочностных характеристик, износостойкости и антифрикционности в зависимости от условий их получения и условий изнашивания.

Микротвердость является важнейшей характеристикой свойств сплавов, так как она позволяет косвенно оценить другие механические характеристики сплавов, между которыми имеется определенная корреляция.

В зависимости от состава и концентрации электролита микротвердость покрытия существенно изменяется. Так, с увеличением концентрации хлористого железа в электролите с 200 до 600 кг/м микротвердость покрытия снижаетеся почти на 2000 МПа (рисунок 1), а добавки в этот электролит небольших количеств молибдена, вольфрама и фосфора способствуют увеличению микротвердости на 2500-3000 МПа.

РеС124Н20,кг/м3

Ре-\Л/ Ре-Мо Ре-Р

Рисунок 1 - Влияние количества хлористого железа на микротвердость покрытия

При увеличении содержания молибдена и вольфрама микротвердость покрытий проходит через максимум, достигая уровня 8000...8300 МПа. Микротвердость молибдена и вольфрама составляет около 3500... 3700 МПа, железа - 600 МПа.

Микротвердость Ре-Р покрытия при увеличении концентрации хлорида железа уменьшается. При изменении содержания РеС12 ' 4Н20 в пределах от 300 до 600 кг/м микротвердость покрытий падает от 8500 до 7300 МПа (рисунок 1). Очевидно, это связано с тем, что повышение концентрации хлористого железа затрудняет адсорбцию гипофосфит - иона на катоде. Уменьшение концентрации хлористого железа ниже 300 кг/м при прочих равных условиях приводит к формированию напряженных и плохо сцепленных с подложкой осадков.

Увеличение концентрации молибдата аммония и вольфромата натрия в электролите вызывает увеличение содержания молибдена и вольфрама в покрытии (рисунок 2). При этом микротвердость проходит через максимум [1.-С. 138-185].

Максимальная микротвердость легированных покрытий составляет 8250-8300 МПа при содержании молибдата аммония ~ 1 кг/м , а вольфрамата натрия - 2,7 кг/м . Это значительно превышает твердость железа, вольфрама и молибдена, полученных методом литья. Микротвердость молибдена и вольфрама составляет около 3500-3700 МПа, железа - 600 МПа [2.-С.230].

Кг/м3

— Ре-Мо — Ре-\Л/ --Ре-Р

Рисунок 2 - Влияние количества легирующего элемента на микротвердость покрытия

Уменьшение коэффициента асимметрии в пределах от 5 до 1 значительно влияет на микротвердость сплавов (рисунок 3). При снижении показателя асимметрии до значений - 1,3-1,5, микротвердость сплавов уменьшается до 3500 МПа. Такое влияние названного параметра асимметричного тока на мик-

ротвердость обусловлено увеличением размеров осаждаемых кристаллов и, как следствие, улучшением условий для движения дислокаций в кристаллической решетке покрытия.

р

Рисунок 3 - Влияние коэффициента асимметрии тока на микротвердость покрытия

Ок.АЮт2 Ре-Мо —Ре-\Л/ —*— Ре-Р

Рисунок 4 - Влияние плотности тока на микротвердость покрытия

При повышении плотности катодного тока микротвердость покрытий возрастает до некоторого предела, после чего стабилизируется на определенном достаточно высоком уровне. Наблюдаемое замедление и прекращение роста твердости покрытий при повышении плотности тока свидетельствует о том, что микротвердость электролитических железомолибденовых, желез о-в ольфрамовых и железофосфорных покрытий в этих условиях приближается

к определенному предельному значению (рисунок 4). Это явление можно рассматривать как своеобразное упрочнение, которое, по-видимому, ограничено физической природой осаждаемых сплавов, когда упрочнение сплавов достигает предельных значений и при дальнейшем форсировании режима остается неизменным. При увеличении плотности тока выше критического значения, равного 50-55 А/дм , в покрытии появляется значительное количество окислов молибдена и вольфрама, что значительно отражается как на количественных показателях процесса, так и на внешнем виде покрытий [З.-С. 4-8].

Итак, причиной высокой твердости являются мелкозернистость (мелкоблочность) и микроискажения кристаллической решетки сплава, характер роста и плотность дефектов структуры, которые обусловливаются включениями легирующих компонентов. Легирующие компоненты и водород образуют с железом твердые растворы замещения и внедрения, вызывая искажения кристаллической решетки; молекулярный водород, гидраты, оксиды и другие кристаллы распадаются на маленькие когерентные зоны решеток, блоки измельчаются. Микротвердость сплавов железа зависит от структуры, которая плотностью определяется составом электролита и режимом электролиза.

Список использованных источников

1 Серебровский, В.И. Электроосаждение двухкомпонентных покрытий на основе железа и их химикотермическая обработка деталей машин: диссертация. -Курск: КГТУ, 2004. - 362 с.

2 Кэй, Д. Таблицы физических и химических постоян-ных/Д. Кей, Т. Лобию. -М: Физматгиз, 1962,- 247 с.

3 Косов, В.П. Влияние промышленного переменного тока на процесс гальванического осаждения железа/ В.П. Косов, Ю.Н. Петров, Д.М. Эрлих// Научные труды Кишинёвского СХИ,- Кишинёв, 1974. -95 с.

Информация об авторах

Богомолов Сергей Александрович, аспирант ФГОУ ВПО «Курская ГСХА», 8-920-261-53-30.

Афанасьев Евгений Андреевич, аспирант ФГОУ ВПО «Курская ГСХА», 8-910-219-87-44.

Серебровский Вадим Владимирович, профессор, доктор технических наук, заведующий кафедрой «Информационных и электротехнических систем и технологий», директор МЦИТО ФГОУ ВПО «Курская ГСХА», 50-10-63, serebro@kgsha.ru.

Степашов Роман Владимирович, аспирант ФГОУ ВПО «Курская ГСХА», 8-906-689-45-78.