СПОСОБ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОГО ОСАЖДЕНИЯ СПЛАВА ЖЕЛЕЗО-ВАНАДИЙ-КОБАЛЬТ
METHOD OF ELECTROLYTIC DEPOSTION OF IRON-VANADIUM-COBALT ALLOY

Изобретение относится к области электролитического осаждения твердых, износостойких покрытий, в частности железо-ванадий-кобальтовых покрытий, применяемых для восстановления и упрочнения поверхностей стальных деталей.
2
Известен способ электролитического осаждения сплава железо-ванадий из электролита, содержащего: хлорид железа (II) 350…400 г/л, метаванадат аммония 5…30 г/л, соляную кислоту 1,5…2 г/л. Процесс осаждения ведут на переменном асимметричном токе с частотой 50 Гц, начиная с коэффициента асимметрии 1,2 и повышая до 6, катодной плотности тока 30…60 А/дм, температуре электролита 30…50°С. Кислотность электролита рН 0,8…1,2 (патент №2231578, МПК C25D/18, 3/56 Способ электролитического осаждения сплава железо-ванадий. Авт. Серебровский В.И. и др.). Данный способ осаждения обеспечивает высокую микротвердость и прочность сцепления с основой. Недостатком данного способа является высокий коэффициент трения, из-за чего снижается износостойкость.
Также известен способ электролитического осаждения сплава железо-кобальт из электролита, содержащего: 350…400 г/л хлористого железа, 5…50 г/л кобальта хлористого и 0,5…2,0 г/л соляной кислоты (патент №2230836, МПК C25D 3/56, 5/18 Способ электролитического осаждения сплава железо-кобальт). Получаемые осадки имеют высокую прочность сцепления с основой и низкий коэффициент трения, вследствие чего повышается износостойкость покрытия. Однако микротвердость покрытия остается недостаточно высокой.
Для получения покрытия с высокой прочностью сцепления с основой, высокой микротвердостью и низким коэффициентом трения предлагается способ электролитического осаждения сплава железо-ванадий-кобальт из электролита, содержащего, г/л:
Хлористое железо 300…400
Ванадат натрия 5…8
Лимонная кислота 7…12
Кобальт хлористый 10…15
Соляная кислота 1,5…2
2
Процесс осаждения ведут на переменном асимметричном токе с частотой 50 Гц, начиная с коэффициента асимметрии 1,2 и повышая до 6, при катодной плотности тока 15…40 А/дм, температуре электролита 20…40°С. В химический состав покрытия входит: кобальт - до 2%, ванадий - до 1,8%, остальное - железо. Кислотность электролита рН 0,8…1,2. Он экономическая эффективность очевидна, т.к. осаждение происходит при высоких катодных плотностях тока и низких температурах электролита, что обеспечивает высокую скорость осаждения покрытий. Железо дает наибольший выход по току и играет роль матрицы. Ванадий обеспечивает повышение микротвердости покрытия. Кобальт обеспечивает снижение коэффициента трения.
Электролит получают соединением хлористого железа, ванадата натрия, лимонной кислоты, хлористого кобальта и соляной кислоты.
Концентрация хлористого железа находится в пределах 350…400 г/л. Нижний предел показывает зону минимальной вязкости. Верхний предел показывает зону максимальной электропроводности (Швецов А. Н. Основы восстановления деталей осталиванием. - Омск, 1973, с.77-79).
Так как электролиты с солями натрия позволяют использовать более высокие плотности тока по сравнению с солями аммония, предлагается использовать ванадат натрия. Количество ванадата натрия находится в интервале 5…8 г/л. Ниже 5 г/л применение ванадата натрия нецелесообразно, т.к. получаемое покрытие по микротвердости близко к покрытию твердым железом. Выше 8 г/л применение ванадата натрия приводит к образованию окислов ванадия, что резко ухудшает качество покрытия, снижает твердость покрытия. Наиболее оптимальным является содержание ванадата натрия 6…7 г/л.
Содержание кобальта хлористого находится в интервале 10…15 г/л. Ниже 10 г/л применение хлористого кобальта нецелесообразно, т.к. получаемое покрытие по физико-механическим свойствам близко к покрытию твердым железом. Выше концентрации 15 г/л применение хлористого кобальта приводит к ухудшению физико-механических свойств покрытия, резко увеличивается хрупкость, что отрицательно сказывается на износостойкости покрытия.
Содержание соляной кислоты находится в пределах 0,5…1,5 г/л. Верхний предел установлен из экономических соображений, электроосаждение железа на катоде происходит с одновременным разряжением водорода. С повышением содержания соляной кислоты резко увеличивается количество разряжающегося водорода и падает выход по току. Нижний предел выбран по качественным характеристикам структур электролитического железа. При содержании соляной кислоты меньше 0,5 г/л происходит сильное защелачивание прикатодного слоя. Гидроокись, образующаяся в прикатодном слое, включается в покрытия и этим ухудшает их структуру.
Лимонная кислота необходима для создания ванадато-цитратного комплекса. При отсутствии лимонной кислоты соли ванадия при приготовлении электролита выпадают в осадок. Содержание лимонной кислоты находится в пределах 7…12 г/л. При концентрации лимонной кислоты ниже 7 г/л затруднено образование ванадато-цитратного комплекса. Повышение концентрации лимонной кислоты свыше 12 г/л не оказывает заметного влияния на качество покрытия.
Температурный интервал находится в пределах 20…40°С. Нижний предел ограничен диффузионными свойствами электролита. Движение ионов замедленное и скорость осаждения покрытия низкая. Выше 40°С использование электролита невыгодно с экономической точки зрения. Качественного изменения покрытия не происходит, однако увеличиваются затраты на подогрев электролита.
2
2
Катодная плотность тока находится в пределах 15…40 А/дм. Ниже 15 А/дм плотность тока использовать нецелесообразно, т.к. процесс электролиза имеет низкую скорость осаждения покрытия. При катодной плотности тока выше 40 А/дм происходит сильное дендритообразование и резко снижается выход по току.
Начало осаждения покрытия происходит, начиная с коэффициента асимметрии β=1, 2, который обеспечивает высокую сцепляемость покрытия с основой Gсц=300 МПа. Если коэффициент асимметрии ниже 1, 2, процесс осаждения не происходит. В процессе электроосаждения коэффициент асимметрии постепенно повышают до β=6, 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 постоянному току. Благодаря разным значениям коэффициента асимметрии можно получать покрытия с различными физико-механическими свойствами.
Физико-механические свойства покрытий в зависимости от коэффициента асимметрии
Показатели
Fe
Fe-V
Fe-Co
Fe-V-Co
Микротвердость, МПа
4500…6300
7000…8200
6800…8200
8100…9200
Коэффициент трения, µ
0,2…0,1
0,1…0,09
0,06…0,04
0,03…0,02
На основе проведенных испытаний оптимальными условиями способа электроосаждения сплава железо-ванадий-кобальт являются условия, приведенные в примере:
Электролит состоит из следующих компонентов в количестве, г/л:
Хлористое железо 350
Ванадат натрия 6
Лимонная кислота 10
Кобальт хлористый 12
Соляная кислота 1,5
2
Процесс электролитического осаждения покрытия ведут при температуре 30°С и катодной плотности тока 30 А/дм. Анодом служит малоуглеродистая сталь. Предварительно деталь подвергается обезжириванию венской известью и анодной обработке в растворе 30% серной кислоты. Процесс осаждения начинают при β=1, 2 и постепенно в течении 3…5 минут повышают до β=6. Покрытие имеет Gсц=300 МПа, микротвердость Нµ=9200 МПа, скорость осаждения 0,25 мм/ч и включает в себя: кобальт - до 2%, ванадий - до 1,8%, остальное - железо.
Предлагаемый способ имеет высокую производительность за счет применения переменного асимметричного тока. Он экономически эффективен, т.к. осаждение покрытия происходит при высокой катодной плотности тока и имеет высокую скорость осаждения покрытия. Покрытия, полученные предлагаемым способом обладают высокой микротвердостью и износостойкостью и низким коэффициентом трения, что позволяет их использовать в народном хозяйстве для восстановления и упрочнения поверхностей стальных деталей машин.