О возможности электроосаждения двухкомпонентных износостойких железомолибденовых и железовольфрамовых сплавов из хлористого железного электролита

О ВОЗМОЖНОСТИ ЭЛЕКТРООСАЖДЕНИЯ ДВУХКОМПОНЕНТНЫХ ИЗНОСОСТОЙКИХ ЖЕЛЕЗОМОЛИБДЕНОВЫХ И ЖЕЛЕЗОВОЛЬФРАМОВЫХ СПЛАВОВ ИЗ ХЛОРИСТОГО ЖЕЛЕЗНОГО ЭЛЕКТРОЛИТА

В.И. Серебровский, С.А. Богомолов, Е.С. Калуцкий

Аннотация. Рассматривается возможность электроосаждения двухкомпонентных износостойких железо-молибденовых и железовольфрамовых сплавов из хлористого железного электролита.

Ключевые слова: электроосаждение, железомолиб-деновые и железовольфрамовые сплавы, хлористый железный электролит.

Нанесение электролитических железных покрытий на поверхности стальных деталей является эффективным и широко распространенным методом компенсации их износа. Этот метод весьма экономичен, так как электролитические покрытия получаются из водных растворов дешевых солей железа (и других металлов), минуя дорогостоящие и длительные пирометаллуриги-ческие процессы. Электролитические покрытия непосредственно в процессе электроосаждения приобретают необходимые механические и эксплуатационные свойства и, по большей части, не требуют дополнительной упрочняющей обработки. Изменять свойства электро-осажденных покрытий в широких пределах возможно простыми приемами: изменением режимов электролиза и изменением химического состава покрытий, путем добавления в электролит солей легирующих элементов. Наконец, при электролитическом методе восстановления стальных деталей имеется возможность точно регулировать толщину покрытий, компенсирующих их износ, что сводит к мнимому последующую механическую обработку восстановленных деталей.

Настоящая работа посвящена исследованию особенностей электроосаждения и свойств электролитических осадков на основе железа, легированных вольфрамом и молибденом. Названные элементы являются одними из наиболее эффективных элементов, используемых для легирования конструкционных и инструментальных сталей с целью повышения их износостойкости, теплостойкости и многих других свойств. Надо отметить, что исследованию условий электроосаждения и свойств электролитических сплавов, в том числе сплавов железовольфрам и молибден, посвящено весьма небольшое количество работ, в которых содержатся отрывочные и иногда противоречивые данные, поэтому исследования, расширяющие представления о всех аспектах получения и использования электролитичеких сплавов, можно считать актуальными.

Для получения железовольфрамовых и железомо-либденовых сплавов были использованы хлористые электролиты на основе двухвалентного хлористого железа (3000...350 кг/м3 FeQ2•4H2O) и соляной кислоты (1,0... 1,5 кг/м3). В основной раствор добавляли соли легирующих элементов: 0,5...5,0 кг/м3 вольфрамата натрия NaWO4•4H2O, или 0,5...2,0 молибдата аммония (NH4)6Mo7O24•4H2O (водорастворимые соли, содержащие W и Mo). Кроме того, в электролиты для осаждения железовольфрамовых и железомолибденовых сплавов добавляли интенсифицирующую и комплексообра-зующую добавку - лимонную кислоту (4,0...6,0 кг/м3 С6H8O7•H2O).

Электроосаждение сплавов проводили на ассимет-ричном переменном токе промышленной частоты. Условия варьирования факторов электролиза (по плану латинского квадрата) представлены в таблице 1 .

В качестве критерия оптимизации в эксперименте была принята интенсивность изнашивания покрытия, поскольку эта характеристика является наиболее важной при оценке долговечности восстановленных деталей.

Таблица 1 - Значения факторов, влияющих на характер электроосаждения железовольфрамовых и железомолибденовых сплавов

Испытания образцов с двухкомпонентными электролитическими покрытиями проводились на стандартной машине трения СМЦ-2 по схеме «вращающийся ролик-колодка» при частоте вращения 1000 об/мин, в условиях граничного трения (в зону трения подавалось моторное масло М10ГИ с помощью фитиля). Образцами служили диски диаметром 50 мм и шириной 10 мм с нанесенными на периферию покрытиями различного состава толщиной 0,3...0,5 мм, контробразцами служили колодки из серого чугуна С418 и из бронзы БрС30. Площадь контакта составляла 2 см2, приработка проводилась до стабилизации момента трения и температуры. Длительность испытания составляла 20 мин (20000 циклов), износ определялся по потере массы образца с точностью 0,00001 г.

Обработка результатов эксперимента, согласно рекомендациям, производилась путем группировки данных по значениям каждого из факторов, что позволило найти частные зависимости критерия оптимизации (износа) от параметров электролиза:

= 27,17-5,5С„ + 0/75С2 -4,6^+0,37^2 + 0Д4С„р~0,001Д2;

Зио = 25,6 - 2,72Смо + 13,23СМ - 2р + 0,13^ + 0,65Си„р - 0,014Д2,

где 3 и 3Мо - соответственно интенсивности изнашивания железовольфрамовых и железомолибденовых электролитических сплавов, г- 10-5/час.

Как можно видеть из полученных эмпирических формул (1) и (2) на интенсивность изнашивания сплавов, легированных как вольфрамом, так и молибденом наиболее заметное влияние оказывают такие факторы, как концентрация солей легирующих элементов в железном электролите и величина показателя асимметрии электролизного тока и плотность катодного тока. Остальные факторы, в принятых интервалах варьирования, оказывают износостойкость легированных железных осадков гораздо меньше влияние. Зависимости

Наименование фактора Обозначение фактора Уровни независимых факторов

1 2 3 4 5

1. Показатель асимметрии электролизного тока ß 3 4 5 6 7

2. Плотность катодного тока, А/дм2 Dk 20 30 40 50 60

3. Концентрация солей легирующих элементов: Na2WO4-4H2O, кг/м3 (NH4)6Mo7O24'4H2O, кг/м3 CW Cmo 0,5 0,5 1,6 0,9 2,7 1,3 3,8 1,7 4,9 2,1

4. Кислотность электролита (HCl) pH 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

5. Концентрация лимонной кислоты, кг/м3 Сл.к. 2 3 4 5 6

6. Температура электролита, °С t 20 30 40 50 60

влияния значимых факторов на интенсивность изнашивания электролитических сплавов представлены на рисунках 1-3.

Концентрация соли легирующего элемента в электролите, кг/м

Рисунок 1 - Зависимости интенсивности изнашивания железных осадков, легированных вольфрамом и молибденом, от содержания солей легирующих элементов в железном электролите:

1) - от содержания вольфрамата натрия Na2WO4•4H2O;

2) - от содержания молибдата аммония (NH4)6Mo7O24•4H2O.

Плотность катодного тока Dk=410 Ф/дм2;

показатель асимметрии р=6

Я о 2_

О 2 4 6 8 10

Показатель асимметрии р

Рисунок 2 - Зависимости интенсивности изнашивания железовольфрамовых (1) и железомолибденовыых (2) покрытий от величины показателя асимметрии р.

Концентрация в электролите Na2WO4•4H2O -3 кг/м3; (NH4)6Mo7O24•4H2O - 0,8 кг/м3; плотность катодного тока Dk=40 А/дм2.

Наиболее износостойкие железовольфрамовые покрытия, как показывает проведенный эксперимент, получаются при концентрации вольфрамата натрия Na2WO4•4H2O ^=2...3 кг/м3; при показателе асимметрии р=6 и при плотности катодного тока Dk=40 А/дм2. Оптимальные условия для железомолибденовых покрытий следующие: концентрация молибдата аммония (NH4)6Mo7O24•4H2O ^=0,8^.1,2 кг/м3; показатель асимметрии р=6 и плотность катодного тока Dk=40 А/дм2. Во всех случаях содержание хлористого железа FeQ, в электролите составляет 350 кг/м , концентрация лимонной кислоты 4 кг/м3, кислотность электролита рН=0,7...0,9 и температура электролита t=30...40 °С.

Плотность катодного тока А/дм2

Рисунок 3 - Зависимости интенсивности изнашивания железовольфрамовых (1) и железомолибденовых (2) покрытий от плотности катодного тока Dk.

Концентрация в электролите Na2wO4•4H2O -3 кг/м3; (NH4)6Mo7O24•4H2O - 0,8 кг/м3; показатель асимметрии р=6.

Железовольфрамовые и железомолибденовые покрытия превосходят износостойкость «чистых» железных покрытий в 1,8...2 раза, а также превосходят износостойкость закаленной среднеуглеродистой стали.

Результаты сравнительных испытаний железо-вольфрамовых и железомолибденовых покрытий в различных парах трения показали, что износостойкость железовольфрамовых покрытий при тернии по чугуну оказалась на 70 % выше износостойкости закаленной стали 45, а при трении по бронзе - на 85 %. Еще большую износостойкость показали железомолибденовые покрытия: при трении по чугуну повышение износостойкости составило 76 %, а при трении по бронзе - 94 % по сравнению со сталью 45.

Таким образом можно заключить, что проведенный эксперимент показал, что двухкомпонентные железо-вольфрамовые и железомолибденовые сплавы могут быть с успехом использованы для восстановления изношенных деталей вместо традиционного железнения. Они обладают значительно более высокой износостойкостью, а технология их нанесения на стальные детали практически не отличаются от технологии железнения.

Информация об авторах

Серебровский Владимир Исаевич, доктор технических наук, профессор, проректор по учебной работе ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА».

Богомолов Сергей Александрович, аспирант ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА».

Калуцкий Евгений Сергеевич, аспирант ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА».