Упрочнение электроосаждённого железа ванадием

УПРОЧНЕНИЕ ЭЛЕКТРООСАЖДЁННОГО ЖЕЛЕЗА ВАНАДИЕМ

В.И. Серебровский, И.М. Ахмадуллин, Е.А. Сумин

Аннотация. Приведены экспериментальные данные по исследованию микротвёрдости электроосаждённых железо-ванадиевых покрытий, применительно к восстановлению и улучшению изношенных деталей машин.

Ключевые слова: упрочнение, железо, ванадий, лимонная кислота, серная кислота,

микротвёрдость покрытия, легирование.

Одной из основных эксплуатационных характеристик работающей детали является её износостойкость. Она зависит от конструкции детали, свойств материала, из которого изготовлена деталь, и условий трения. Износ приводит к снижению функциональных качеств изделий и потере их потребительской ценности. Увеличению износостойкости изделий способствуют как применение материалов с высокой прочностью, так и конструктивные решения, обеспечивающие общее улучшение условий трения (применение высококачественных смазочных материалов, защиты от абразивного воздействия, например, газотер-

мическое напыление, металлизация).

Одним из методов защиты металлических деталей от абразивного износа является электроосаждение сплавов - метод модификации свойств поверхности изделия путем нанесения на его поверхность слоя металлического сплава.

На кафедре электротехники и механизации животноводства была проведена серия опытов по элеюроосаждению сплава железо-ванадий. Во время опытов покрытия осаждали металлические пластинки из стали 45 размером 25*25 мм.

Перед электроосаждением образцы шлифовались для удаления ржавчины и обезжиривались в растворе кальцинированной соды.

Информация об авторах

Серебровский Владимир Исаевич, доктор технических наук, профессор, проректор по учебной работе, заведующий кафедрой электротехники и механизации животноводства Курской государственной сельскохозяйственной академии имени И.И. Иванова, тел. (4712)39-40-28, факс: (4712) 53-84-36, E-mail: academy@kgsha.ru.

Ахмадуллин Ильдар Музгирович, соискатель Курской государственной сельскохозяйственной академии имени профессора И.И. Иванова.

Сумин Евгений Александрович, соискатель Курской государственной сельскохозяйственной академии имени профессора И.И. Иванова.

Непосредственно перед осаждением образца проводилось анодное травление в течение одной минуты. Благодаря анодному травлению удаляется поверхностный слой с образовавшимися на нём оксидами, при этом улучшается сцепляемость покрытия с

основным металлом.

Для электроосаждения использовался

сернокислый электролит следующего состава: сульфид железа, лимонная кислота, ванадат натрия (№УОз), серная кислота для

стабильности кислотности.

Количество лимонной кислоты в

электролите находится в интервале 5-30 г/л. Низкое (ниже 5 г/л) содержание лимонной кислоты приводит к образованию окислов ванадия, что резко ухудшает качество покрытия, снижает его твёрдость. Содержание лимонной кислоты свыше 30 г/л приводит к ухудшению качества покрытия в связи с увеличением содержания углерода. Наиболее оптимальным является содержание лимонной кислоты 10 г/л. Получаемое покрытие имеет микротвердость порядка 8500 МПа.

Содержание серной кислоты находится в пределах 1,0-1,5 г/л. Верхний предел установлен из экономических соображений, электроосаждение железа на катоде происходит с одновременным разряжением водорода С повышением содержания серной кислоты резко увеличивается количество разряжающегося водорода и падает выход по току. Нижний предел выбран по качественным характеристикам структур электролишческого железа. При содержании серной кислоты менее 1 г/л происходит сильное защелачивание прикагодного слоя. Гидроокись, образующаяся в прикатодном слое, включается в покрытие и 7шм ухудшает их структуру.

Концентрация сернокислого железа равна 300-400 г/л.

Электролит приготавливался следующим образом.

Ванадат натрия растворялся в воде при нагревании, т.к. его растворимость в воде ограничена. Отдельно растворялась лимонная кислота. Затем эти два раствора смешивались, и образовывался ванадато-цигратный комплекс. К получившемуся соединению приливался раствор сульфида железа. После этого добавлением серной кислоты устанавливалась кислотность в пределах 0,8-1,0.

После приготовления электролита, он

фильтровался для удаления нерастворившихся частиц и улучшения качества осаждения.

Электроосаждение производилось на асимметричном токе при плотности тока 30 А/дм2.

При осаждении покрытия на постоянном токе подвод ионов железа к при катодному слою идёт замедленно 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 ванадия из прикатодного слоя восстанавливаются до металла на поверхности образца. Во время обратной полуволны часть осаждённого железа и ванадия стравливается обратно в электролит. Таким образом концентрация ионов железа и ванадия в прикатодном слое увеличивается, что позволяет повысить катодную плотность тока и увеличить скорость осаждения.

Начало осаждения покрытия происходит при коэффициенте асимметрии Р=1,2, который обеспечивает высокую сцепляемость покрытия с основой. Если коэффициент асимметрии ниже 1,2, процесс осаждения не происходит. В процессе электроосаждения коэффициент асимметрии постепенно повышают до Р =5, который характеризуется высокой и

стабильной скоростью осаждения покрытия. Дальнейшее повышение коэффициента

асимметрии не рекомендуется, т.к. с дальнейшим снижением анодной

составляющей процесс переходит на режим, близкий к постоя иному току.

Использовать плотность тока ниже 30 А/дм' нецелесообразно, т.к. процесс электролиза имеет низкую скорость осаждения покрытия. При высокой катодной плотности тока происходит сильное дендритообразование и резко снижается выход по току.

Содержание ванадата натрия в электролите в различных опытах варьировалось от 0 до 10 г/л с интервалом 2 г/л.

У получившихся образцов измерялась микротвёрдость как одно из основных свойств, определяющих износостойкость. Результаты измерения показаны на рисунке 1.

Содержание ванадата натрия

Рисунок 1 — Зависимость микротвёрдости покрытия от содержания ванадата натрия

в электролите Как видно из рисунка, с увеличением концентрации ванадия в электролите микротвёрдость образцов плавно растёт. По-видимому, это связано с уменьшением размера зерна и увеличением внутренних напряжений.

Повышение концентрации ванадия более 8 г/л приводит к снижению микротвёрдости покрытия, что, по-видимому, связано с появлением окислов ванадия в структуре сплава и снижением плотности покрытия.

Выводы

1. Рассмотрен способ получения железованадиевых покрытий из сульфитных электролитов на асимметричном токе.

Наиболее рациональное содержание ванадата натрия в электролите — 7-9 г/л.

2. Легирование электроосаждённых

железных покрытий ванадием позволяет увеличить микротвёрдость сплавов с 6000 до 8300 Мпа.

Список использованных источников

1 Серебровский В.И. и др. Патент №2231578 Российской Федерации. Способ электролитического осаждения сплава железо-ванадий.

2 Упрочнение деталей транспортных машин гальваническими покрытиями / В.Н. Гадалов, В.И. Серебровский // Сварка и родственные технологии в машиностроении и электронике. — Курск: КГТУ, 2003.-Вып. 5. -

С. 86-92.