Упрочнение электроосажденного железа кобальтом

УПРОЧНЕНИЕ ЭЛЕКТРООСАЖДЕННОГО ЖЕЛЕЗА КОБАЛЬТОМ

Б.С. Блинков, В.И. Серебровский, Р.И. Сафронов

Аннотация. В статье представлена экспериментальная работа по исследованию микротвердости элек-троосажденных железо-кобальтовых покрытий, применительно к восстановлению изношенных деталей машин.

Ключевые слова: кобальт, восстановление, покрытие, микротвердость, соляная кислота, железо, упрочнение, электролит, легирующий элемент.

Одной из самых важнейших эксплуатационных характеристик работающих деталей является их износостойкость. Изнашивание поверхности детали напрямую зависит от условий трения, от свойств материала, из которого изготовлена деталь. Износ поверхности приводит к низким функциональным качествам изделий и потере их потребительской ценности. Увеличению износостойкости деталей способствуют как применение новых материалов с высокой устойчивостью к износу, так и улучшение условий трения [1.-С.78].

Одним из наиболее перспективных методов защиты деталей от абразивного износа является электроосаждение различных сплавов - метод улучшения свойств поверхности детали путем нанесения на его поверхность прочного слоя металлического сплава.

Нами была проведена серия опытов по электроосаждению сплава железо-кобальт. Покрытия осаждали на пластины из стали 45 размером 25*25 мм.

Вначале электроосаждения образцы проходили операцию очистки от масел и грязи промывкой в ацетоне. Для полного удаления остатков жира и масел, образцы завешивали в ванну электролитического обезжиривания на 5 минут. Затем образцы промывали в горячей и холодной воде.

Непосредственно перед осаждением образца проводилось анодное травление для удаления окисной пленки и выявления структуры покрываемого металла с целью получения прочного сцепления с основным металлом.

Для электроосаждения использовался хлоридный электролит следующего состава: хлорид железа, хлорид кобальта, соляная кислота.

Концентрация соляной кислоты в электролите находилась в пределах от 1,0 до 1,5 г/л. С повышением концентрации соляной кислоты резко увеличивается количество разряжающегося водорода и падает выход по току [2.-С.2]. Нижний предел выбран по качественным характеристикам структур электролитического железа. При концентрации соляной кислоты в электролите менее 1 г/л происходит сильное защелачивание прикатодного слоя. Гидроокись, образующаяся в при-катодном слое, включается в покрытие и ухудшает его структуру.

Концентрация хлорида железа равнялась 400 - 450 г/л.

Электролит приготавливался следующим образом. Хлорид железа готовили путем растворения стальной стружки в химически чистой соляной кислоте. Затем хлорид кобальта растворяли в отдельной ёмкости, фильтровали и сливали в ванну с электролитом. После этого добавляли соляную кислоту, устанавливая кислотность рН=1,0.

Приготовленный электролит фильтровался для улучшения качества осаждения и удаления нераство-рившихся частиц.

Электроосаждение проводилось на асимметричном токе при плотности тока 15 А/дм2.

При осаждении покрытия на постоянном токе подвод ионов железа к прикатодному слою идет замедлен-

но и происходит обеднение прикатодного слоя электролита ионами железа. Вследствие этого приходится уменьшать плотность тока, что приводит к снижению скорости осаждения. С увеличением силы тока скорость осаждения только уменьшается.

Асимметричный ток существенно улучшает условия протекания многих электролитических реакций. Во время прямой полуволны ионы железа и кобальта из прикатодного слоя восстанавливаются до металла на поверхности образца. Во время обратной полуволны часть осажденного железа и кобальта стравливается обратно в электролит. Таким образом, концентрация ионов железа и кобальта в прикатодном слое увеличивается, что позволяет повысить катодную плотность тока и увеличить скорость осаждения.

Начало осаждения покрытия происходит при коэффициенте асимметрии р=1, который обеспечивает высокую сцепляемость покрытия с основой. Если коэффициент асимметрии ниже 1, процесс электроосаждения не происходит. В процессе электроосаждения коэффициент асимметрии постепенно повышают до Р=6 [3.-С.2], который характеризуется высокой и стабильной скоростью осаждения покрытия. Дальнейшее повышение коэффициента асимметрии не рекомендуется, т.к. с дальнейшим снижением анодной составляющей процесс переходит в режим, близкий к постоянному току.

При проведении экспериментов плотность тока составляла 15 А/дм2 [4.-С.5]. Считаем, что нецелесообразно использовать плотность тока ниже этого значения, т.к. процесс электроосаждения покрытия будет иметь низкую производительность. А при высокой плотности тока происходит быстрое дендритообразова-ние и значительно снижается выход по току.

Концентрация хлористого кобальта в электролите варьировалась от 0 до 12 г/л с интервалом 2 г/л.

После всех проделанных опытов измеряли микротвердость покрытий получившихся образцов. Результаты измерений показаны на рисунке 1 в виде графика зависимости микротвердости от содержания хлорида кобальта в электролите.

Н¡1, МПа

7240

7240

Г 5720 6420

5400

О 2 4 6 8 10 12 СОС12, г/л

Рисунок 1 - Зависимость микротвердости от концентрации хлорида кобальта в электролите

Из построенного графика видно, что с увеличением концентрации хлорида кобальта в электролите микротвердость плавно возрастает. Это связано с увеличением напряженности покрытий и уменьшением зернистости. Но при повышении концентрации хлорида кобальта в электролите более 8 г/л происходит снижение микротвердости покрытия, что, по-видимому, связано с

появлением окислов и появлением дефектности покрытия.

Выводы

1. В данной статье проанализирован способ электроосаждения железо-кобальтовых покрытий из хло-ридных электролитов на асимметричном токе. Наиболее рациональная концентрация хлорида кобальта в электролите 6-8 кг/м3.

2. Электроосаждение железных покрытий с использованием легирующего элемента позволяет увеличить микротвердость с 5000 до 7240 МПа.

Список использованных источников

1 Упрочнение электроосажденного железа ванадием / В.И. Серебровский и др. // Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии. - 2009. - №1. - С.78-80.

2 Патент 2239672 Российская Федерация. Способ электролитического осаждения сплава железо-молибден-

кобальт / Серебровский В.И., Серебровская Л.Н., Серебровский В.В., Коняев Н.В. - опубликован 10.11.04. - 3с.

3 Патент 2230836 Российская Федерация. Способ электролитического осаждения сплава железо-кобальт / Серебровский В.И., Серебровская Л.Н., Коняев Н.В. - опубликован 20.06.04. - 3с.

4 Патент 2401328 Российская Федерация. Способ электролитического осаждения сплава железо-ванадий-кобальт // Серебровский В.И. и др. - опубликован 10.10.10. - 5 с.

Информация об авторах

Блинков Борис Сергеевич, аспирант ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА».

Серебровский Владимир Исаевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой электротехники и электроэнергетики ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА».

Сафронов Руслан Игоревич, кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА».

HARDENING OF ELECTRODEPOSITED IRON COBALT B.S. Blinkov, V.I. Serebrovsky, R.I. Safronov

Abstract. This paper presents experimental work on the study of microhardness of electrodeposited iron-cobalt coatings applied to the restoration of worn machine parts.

Key words: cobalt, restoration, coating, microhardness, hydrochloric acid, iron, hardening, electrolyte, alloying element.