Оптимизация условий электроосаждения железовольфрамовых и железомолибденовых покрытий для получения износостойких покрытий при восстановлении изношенных деталей машин

ОПТИМИЗАЦИЯ УСЛОВИЙ ЭЛЕКТРООСАЖДЕНИЯ ЖЕЛЕЗОВОЛЬФРАМОВЫХ И ЖЕЛЕЗОМОЛИБДЕНОВЫХ ПОКРЫТИЙ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ ПРИ ВОССТАНОВЛЕНИИ ИЗНОШЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

В.В. Серебровский, С.А. Богомолов, А.Ю. Молодкин

Аннотация. Оптимизированы условия электроосаждения железовольфрамовых и железомолибденовых покрытий для получения износостойких покрытий при восстановлении изношенных деталей машин.

Ключевые слова: электроосаждение, железовольф-рамовые и железомолибденовые покрытия, восстановление деталей, электролитическое железнение, микротвердость.

Электролитическое железнение используется в ремонтном производстве для восстановления широкой номенклатуры деталей самых различных машин, имеющих относительно небольшие износы (0,3...0,5 мм). Этот способ восстановления отличается высокой производительностью, технологической и невысокой стоимостью исходных материалов. Однако, в последнее время, в связи с возрастанием нагрузок на детали современных мощных и высокопроизводительных машин, эксплуатационные свойства деталей, восстановленных электролитическими железными покрытиями, оказываются недостаточными для обеспечения требуемого послеремонтного ресурса восстановленных деталей.

Одним из наиболее приемлемых путей повышения механических и эксплуатационных свойств восстановленных деталей можно признать использование электролитических сплавов «чистого» электролитического железа. Осаждение легированных покрытий не потребует изменения традиционной технологии железнения и, поэтому, не создаст трудностей при внедрении электроосаждения легированных покрытий в производство.

В настоящей работе проведено исследование свойств железомолибденовых и железовольфрамовых электролитических сплавов с целью определения возможности их использования для восстановления деталей машин, работающих при повышенных нагрузках. Молибден и вольфрам выбраны для легирования железных электролитических осадков из тех соображений, что эти металлы обладают повышенной теплостойкостью и повышенными, по сравнению с железом, механическими свойствами. Следует ожидать, что введение молибдена и вольфрама в состав железных покрытий позволит повысить их прочность и износостойкость.

Для получения железомолибденовых и железо-вольфрамовых покрытий был использован среднекон-центрированный хлористый железный электролит [1], в состав которого были добавлены в небольших количествах дешевые соли - молибдата аммония (NH4)6Mo7O24•4H2O и вольфрамат натрия NaWO4•4H2O, а также лимонная кислота в качестве комплексообразо-вателя [2, 3]. Составы электролитов для получения легированных железных покрытий представлены в таблице 1.

Электроосаждение железных легированных покрытий проводилось без подогрева электролита на асимметричном переменном токе промышленной частоты. Как показали эксперименты, оптимальная плотность катодного тока, обеспечивающая высокую скорость осаждения и хорошее качество электролитических осадков всех типов, сопоставляла Dk=40...50 А/дм2 при показателе асимметрии р=6.

Повышение концентрации солей легирующих металлов в электролите вызывает практически прямопро-порциональное повышение содержания этих металлов в железном покрытии (рисунок 1). Максимальное коли-

чество молибдена в железомолибденовом сплаве, которое удалось получить в названных выше условиях электролиза, составляет 1,5 % Mo, а максимальное содержание вольфрама - 3,0 % W. При таких содержаниях легирующих элементов структура легированных осадков практически не отличается от структуры чистого железа, т.е. отличается мелкозернистостью и отсутствием крупных дефектов.

4

£

0 12 3 4 5

Концентрация солей Мо и \¥ в электролите, кг/м'

Рисунок 1 - Влияние содержания легирующих элементов в электроосажденных покрытиях от концентрации солей этих элементов в электролите: 1) покрытие Fe-Mo; 2) покрытие Fe-W

При повышении содержания как молибдена, так и вольфрама в электроосажденных покрытиях больше указанных значений, в структуре легированных железных осадков появляются дефекты (трещины, поры), количество и размеры которых увеличиваются по мере повышения степени легирования. Кроме того, при увеличении концентрации солей молибдена и вольфрама снижается выход железного покрытия по току.

Микротвердость легированных железных покрытий существенно зависит от содержания в них легирующих элементов, которое, в свою очередь, зависит от концентрации солей этих элементов в электролите (рисунок 2).

9000

2 8000

X

а 7003 %

-о

Концентрация солей Мо и № в электролите, кт/м3

Рисунок 2 - Влияние концентрации молибдата аммония (NH4)2Mo7O24 (1) и вольфрамата NaWO4 (2) в хлористом железном электролите на микротвердость электролитических осадков

Таблица 1 - Электролиты для получения легированных железных покрытий

Тип покрытия Концентрация компонентов, кг/м3

Хлористое железо РеС12'4Н20 Молибдат аммония СЫН4)бМ07024-4Н20 Вольфрамат натрия Лимонная кислота С6Н807-Н20 Соляная кислота НС1

Железное* 300...350 - - - 1,0... 1,5

Железомолибденовое 300...350 0,5...2,0 - 4,0...6,0 1,0... 1,5

Железовольфрамовое 300...350 - 0,5...5,0 4,0...6,0 1,0... 1,5

* Железные покрытия использовались для сравнительных испытаний

Максимальная микротвердость железных осадков, легированных молибденом, составляет Н^~8300МПа и получается при использовании электролита, содержащего ~1,5 кг/м3 молибдата аммония (соответствует 1,2 % Mo в покрытии). Примерно такую же микротвердость имеют и железовольфрамовые покрытия, Н^=8250...8300 МПа, полученные из электролита с концентрацией вольфрамата натрия 2,5...3,0 кг/м3 (1,75...1,8 % W в покрытии).

Результаты эксперимента позволяют сделать вывод, что легирование железных осадков как молибденом, так и вольфрамом значительно увеличивает твердость электроосажденных покрытий по сравнению с «чистым» электролитическим железом, максимальная микротвердость которого, получаемая в принятых условиях электролиза, составляет Н^=5400...5500 МПа. Для получения легированных железных покрытий максимальной твердости концентрация молибдата аммония в железном электролите должно составлять ~1,5 кг/м3, а концентрация вольфрамата натрия ~ 2,75 кг/м3.

Прочность сцепления железомолибденовых и желе-зовольфрамовых сплавов с основой (ссц=300...350МПа) несколько выше, чем прочность сцепления чистого электроосажденного железа (ссц=250...300МПа). При этом надо отметить, что прочность сцепления электролитических обоих типов сильно зависит от режимов электролиза. Увеличение плотности катодного тока и увеличение показателя асимметрии приводят к снижению прочности сцепления электроосажденного сцепления электроосажденного покрытия с основным металлом.

Легирование железных покрытий вызывает уменьшение внутренних напряжений, которые возникают в них в процессе электрокристаллизации. Внутренние положительные (растягивающие) напряжения в тонких слоях (20...30 мкм) чистого электроосажденного железа достигают свы=250 МПа, в таких же слоях железомолиб-деновых и железовольфрамовых осадков внутренние напряжения составляют свы=180...190 МПа. При увеличении толщины электроосажденных легированных слоев железа внутренние напряжения в них снижаются. Например, при толщине покрытий ~ 100 мкм внутренние напряжения в них составляют свь1=Ш0...120 МПа.

Учитывая влияние легирующих элементов в железном покрытии на величину внутренних напряжений в нем, можно предположить, что молибден и вольфрам, входящие в состав электроосажденных покрытий, будут повышать их предел выносливости. Наши эксперименты показали, что использование легированных покрытий позволяет повысить усталостную прочность восстановленных деталей в 1,2...1,4 раза по сравнению с чистым железнением. По усталостным характеристикам железовольфрамовые и железомолибденое покрытие приближаются к конструкционным сталям: предел выносливости образцов с железомолибденовыми покрытиями, например, составляет а-1р'е-Мо=212 МПа, а предел выносливости образцов из нормализованной стали 45 составляет с-145=250 МПа. Это обстоятельство является одним из главных преимуществ исследуемых сплавов перед традиционным железнением.

Износостойкость электроосажденных покрытий, наряду с усталостной прочностью, определяет долговечность восстановленных деталей. Наибольшую изно-

состойкость имеют железные осадки, содержащие 1,2 % молибдена или 1,8 % вольфрама. Износостойкость таких покрытий, как показывают наши эксперименты, значительно выше не только износостойкости чистого электролитического железа, но даже выше износостойкости металла (рис. 3).

7

А

И Л

5 1

О

Изнашиваемый материал Рисунок 3 - Интенсивность изнашивания электролитических покрытий

Таким образом, можно заключить, что восстановление изношенных деталей железомолибденовыми или железовольфрамовыми электроосажденными покрытиями позволит не только восстановить их первоначальные размеры и форму, но и практически полностью восстановить уровень их эксплуатационных свойств до состояния новых деталей (по критериям износостойкости и усталостной прочности), без усложнения и удорожания традиционной технологии электролитического железнения.

Информация об авторах Серебровский Вадим Владимирович, доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Юго-Западный государственный университет».

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

Молодкин Артем Юрьевич, аспирант ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА».