Исследование микротвердости при электрокристаллизации сплавов на основе железа

ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОТВЕРДОСТИ ПРИ ЭЛЕКТРОКРИСТАЛЛИЗАЦИИ СПЛАВОВ

НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА

Ю.П. Гнездилова, В.В. Серебровский, Н.В. Коняев

Аннотация. Приведены экспериментальные данные по выявлению режимов электролиза на микротвердость покрытий. Показана высокая эффективность упрочнения электролитических железных покрытий фосфором с целью создания электроосажденного сплава. Исследован и рекомендован хло-ридный электролит для получения Ре-Р покрытий высокой твердости.

Ключевые слова: микротвердость, хлорид железа, гипофосфит натрия, электролитические сплавы.

Для ремонтного производства значительный интерес представляют электролитические сплавы на основе железа и фосфора. Они обладают особыми физико-химическими свойствами: высокой микротвердостью и плотностью, износо- и коррозионной стойкостью, малыми внутренними напряжениями и др.

Известные электролиты для получения же-лезо-фосфорных покрытий в качестве основной соли содержат либо двухлористое железо, либо сульфат железа. В качестве фосфорсодержащей добавки обычно используют гипофосфит натрия [1]. При этом малая концентрация солей железа (до 200 г/л) приводит к необходимости поддержания относительно высокой температуры элекгролита (80°С), что является нежелательным с точки зрения его устойчивости.

Нами исследовалась микротвердость покрытий, полученных из электролита, содержащего 300...600 г/л хлорида железа и 2,5...25 г/л гипофосфита натрия.

Осаждение Ре-Р сплавов производилось при использовании периодического тока. Катодами служили образцы стали 30 площадью 2,5 см2. Покрытие наносилось до толщины 150...200 мкм, после чего образцы шлифовались и полировались. Испытание на микротвердость производилось на приборе ПМТ-ЗМ при нагрузке на индентор 1,0 Н.

Результаты исследования влияния концентрации КаН2Р02 х Н20 и РеС12 х 4Н20 на мик-

ротвердость Ре-Р покрытий приведены на рисунке 1.

Как видно, кривая 1, соответствующая микротвердости покрытий в зависимости от содержания гипофосфита при концентрации хлорида железа 500 г/л, имеет три характерных участка.

На первом участке, при увеличении содержания гипофосфита натрия до 5 г/л микротвердость покрытий резко возрастает от 5300 до 7900 МПа. Увеличение концентрации ЫаН2Р02 х Н20 от 5 до 15 г/л на втором участке не сказывается на величине микротвердости осадка.

При дальнейшем увеличении концентрации гипофосфита натрия до 25 г/л микротвердость покрытий постепенно снижается до 6770 МПа.

Микротвердость Ре-Р покрытий при увеличении концентрации хлорида железа уменьшается (рисунок 1, кривая 2). При изменении содержания РеС12х 4Н20 в пределах от 300 до 600 г/л микротвердость покрытий падает от 8590 до 7330 МПа. Уменьшение концентрации хлористого железа ниже 300 г/л при прочих равных условиях приводит к формированию напряженных и плохо сцепленных с подложкой осадков.

Характер влияния показателя асимметрии и pH электролита на микротвердость покрытия различен (рисунок 2, кривые 1 и 3). В то время как увеличение показателя асимметрии от 2,5 до 6,5 вызывает возрастание микротвердости от

Информация об авторах

Гнездилова Юлия Петровна, старший преподаватель кафедры электротехники и механизации животноводства Курской государственной сельскохозяйственной академии имени профессора И.И. Иванова, тел. (4712)53-13-30, Е-таП:асас1ету@1^5Ьа.ги.

Серебровский Вадим Владимирович, кандидат технических наук, доцент кафедры электротехники и механизации животноводства Курской государственной сельскохозяйственной академии имени профессора И.И. Иванова

Коняев Николай Васильевич, кандидат технических наук, доцент кафедры электротехники и механизации животноводства Курской государственной сельскохозяйственной академии имени профессора И.И. Иванова

Рисунок 1 - Влияние концентрации гипофосфита (1) и хлористого железа (2) на микротвердость Fe-P покрытий

6700 до 8050 МПа, увеличение pH от 0,2 до

0,85 приводит к постепенному падению микротвердости от 8230 до 6770 МПа. В обоих случаях экстремума в указанных пределах режимов электролиза обнаружено не было.

О 10 20 30 40 Д,. А/дм2

0,2 0,4 0,6 0,8 pH

Рисунок 2 - Влияние показателя асимметрии (1), плотности тока (2) и кислотности электролита (3) на микротвердость Ре-Р покрытий

К интересным результатам приводит изменение плотности тока от 2,5 до 50 А/дм2 (рисунок 2, кривая 2). При концентрации гипофосфита натрия 10 г/л и показателе асимметрии /3= 5 увеличение плотности тока от 2,5 до 10 А/дм2 приводит к резкому возрастанию микротвердости. При плотности тока 10 А/дм2 наблюдается максимальная микротвердость, равная

8200 МПа. При дальнейшем повышении плотности тока происходит незначительное изменение микротвердости Ре-Р сплава [2].

Результаты исследований показывают, что микротвердость Ре-Р сплавов значительно выше микротвердости железных покрытий, полученных из чистого хлоридного электролита. Известно, что фосфор, наряду с другими металлоидами, способен образовывать с переходными металлами двойные соединения, объединенные под общим названием «Твердые металлы». Это вещества, обладающие высокой твердостью к химическим воздействиям. При совместном электроосаждении железа и фосфора образуется твердый раствор замещения, являющийся, по-видимому, причиной повышения микротвердости и коррозионной стойкости этих покрытий.

Существуют две точки зрения на механизм включения фосфора в электролитический осадок. Согласно первой - разложение гипофосфита происходит за счет катализирующего действия све-жеосажденного железа; согласно второй имеет место адсорбция полярного гипофосфит-иона на катоде с последующим его восстановлением до элементарного фосфора [3]. Исходя из этого, характер кривой 1 (рисунок 1) можно объяснить тем, что при увеличении концентрации гипофосфита натрия в электролите от нуля до 5 г/л возрастает степень заполнения двойною электрического слоя гипофосфит-ионами и, следовательно, увеличивается вероятность их восстановления до элементарного фосфора с образованием твердого раствора. Эго косвенно подтверждается ходом кривой 2: повышение конце! прации хлористого железа затрудняет адсорбцию гит юфосфит-иона в катоде.

При концентрации гипофосфита нагрия 5 г/л микротвердость достигает величины 7900 МПа (рисунок 1, кривая 1), которая сохраняется в дальнейшем. Однако при 18 г/л микротвердость начинает уменьшаться, что может быть следствием двух причин. Первой из них может явиться образование иной фазы твердого раствора; второй - механический захват продуктов восстановления гипофосфита.

Повышение показателя асимметрии (рисунок 2, кривая 1) увеличивает кинетическую энергию гипофосфит-ионов и облегчает их прохождение к катоду, что приводит к увеличению содержания фосфора в покрытии и, следовательно, к возрастанию микротвердости осадка. В этом направлении действует также

повышение плотности тока от нуля до 10 А/дм2 (кривая 2).

Выполненные исследования показали, что для получения железо-фосфорных покрытий, обладающих высокой твердостью, может быть рекомендован электролит, содержащий (г/л): РеС12 х4НгО - 500, ЫаНгРОг хН20 -10; при pH = 0,4...0,6; плотности тока 30...60 А/дм2; температуре 60°С.

Микротвердость железо-фосфорных покрытий можно изменять в широких пределах варьированием режимов электролиза. Однако более полный ответ о причинах подобного изменения следует искать в механизме электрокристаллизации и фазовом составе осадков.

Список использованных источников

1. Способ электролитического осаждения сплава железо-фосфор/ В.И. Серебровский,

Л.Н. Серебровская, Н.В. Коняев и др.// Патент на изобретение №2164560, 2000.-6 с.

2. Гладченко, В.Я. Исследование физикомеханических свойств железо-фосфорного сплава, полученного из хлоридных электролитов применительно для автотракторных деталей: автореф. канд. дисс./ В.Я. Гладченко -Харьков, 1972.-16 с.

3. Определение содержания фосфора и выхода металла по току при формировании гальванического железо-фосфорного покрытия, осажденного на переменно ассиметричном токе/ В.Н. Гадалов, Н.В. Коняев, В.И. Серебровский и др.// Сварка и родственные технологии в машиностроении и электронике. - Курск: КГТУ, 2002,- Вып. 4.-С.86-92.