Повышение эксплуатационных свойств железных гальванических покрытий путем легирования вольфрамом и молибденом

ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ЖЕЛЕЗНЫХ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ПОКРЫТИИ ПУТЕМ ЛЕГИРОВАНИЯ ВОЛЬФРАМОМ И МОЛИБДЕНОМ

В.И. Серебровский, А.Ю. Молодкин, В.В. Бедин, Л.Н. Серебровская

Аннотация. Приведены экспериментальные данные по твердости, усталостной прочности и износостойкости двухкомпонентных железо-вольфрамовых и железо-молибденовых гальванических покрытий. Показано, что введение в электролитическое железо 2 % W или 1 % Мо повышает его твердость и износостойкость в 1,5...2 раза, что приближает железные покрытия по эксплуатационным характеристикам к закаленным среднеуглеродистым сталям.

з =

1 3

Й I

Ключевые слова: гальванические покрытия, легирование, вольфрам, молибден, изнашивание.

Электролитическое железнение широко используется в ремонтном производстве для восстановления широкой номенклатуры деталей машин, имеющих самые различные износы - от долей миллиметра до нескольких миллиметров. Этот способ восстановления отличается высокой производительностью, технологической простотой и относительной дешевизной, однако для многих деталей современных машин, работающих при повышенных нагрузках, железнение оказывается недостаточно эффективным.

Повысить эксплуатационные свойства деталей, восстановленных железнением, можно дополнительной упрочняющей обработкой (химико-термической, электроискровой и др.), однако для этого требуется значительное усложнение и удорожание технологических процессов. При современном состоянии ремонтного производства наиболее приемлемым направлением повышения механических и эксплуатационных свойств восстановленных деталей следует признать использование износостойких гальванических сплавов на основе железа, без дополнительной упрочняющей обработки. При этом наибольший интерес могут представлять сплавы, легированные вольфрамом или молибденом, поскольку названные металлы обладают высокой твердостью и теплостойкостью и благодаря этому используются для легирования многих износостойкий сталей [1].

Для получения железо-вольфрамовых и железо-молибденовых покрытий на стальных деталях были использованы хлоридные электролиты и асимметричный переменный ток промышленной частоты, что обеспечило высокую скорость осаждения и хорошее качество осадков [2,3]. Для насыщения железных покрытий вольфрамом и молибденом в процессе электроосаждения были использованы дешевые соли этих металлов: вольфрамат натрия NaW04•4H20 и молибдат аммония (МН4)6Мо7024 4Н20. Составы электролитов для получения легированных железных покрытий представлены в таблице. Оптимальная плотность катодного тока, обеспечивающая получение качественных покрытий всех типов, составляла Dк=40...50 А/дм2 при коэффициенте асимметрии р=4 .6.

Содержание легирующих элементов в гальванических покрытиях практически прямо пропорционально зависит от концентрации вольфрам - и молибденсо-держащих солей в электролите (рисунок 1).

Микроструктура двухкомпонентных осадков сильно зависит от содержания в них легирующих элементов (рисунок 2).

1 А

________ У у \

I ^

0 0.5 1.0 1,5 2.0 2.5 3.0

Концентрация Ыа,\УО., или ЖН4)Мо70,., в электролите, кг/м'

Рисунок 1 - Влияние концентрации солей вольфрама и молибдена в электролитах на содержание легирующих элементов в железных покрытиях: 1 - Fe - W; 2 - Fe - Mo

Таблица 1 - Составы электролитов для получения

Тип покрытия Концентрация компонентов, кг/м3

хлорид железа Fea4H2O вольф-рамат натрия №№04-4Н2О молибдат аммония (Ж,)бМ07 024-•4Н20 лимонная кислота СбН807-Н2О хлорид натрия №С1 соляная кислота НС1

Железное 400.600 - - - 10.20 1,0

Железо-вольфрамовое 350.400 0,5.5,0 - 4,0.6,0 - 1,0.1,5

Железо-молибденовое 350.400 - 0,5.2,0 4,0.5,0 - 1,0.1,5

Железное покрытие использовалось для сравнительных испытаний

Ее^

W=1%

W=2% Ее-Мо

W=3%

Mo=0,5%

Mo=1,0%

Mo=1,5%

Рисунок 2 - Микроструктуры электроосажденных железо-вольфрамовых и железо-молибденовых покрытий (х300).

Как показал микроструктурный анализ, при содержании в железных покрытиях менее 3 % W или 1,5 % молибдена их структура однородна и достаточно мелкозерниста, она практически не отличается от структуры чистого железа. При повышении концентрации легирующих элементов в покрытиях выше названных значений в них начинают появляться трещины, количество и размеры которых увеличиваются по мере повышения степени легирования.

Микротвердость железных покрытий существенно зависит от содержания в них вольфрама и молибдена (рисунок 3).

О 0.5 1.0 1.5 2,0 2,5

Содержание легирующего элемента в покрытии (W или Мо), %

Рисунок 3 - Влияние содержания легирующих элементов на микротвердость железных покрытий: 1 - Бе -W; 2 - Бе - Мо

Максимальная микротвердость легированных покрытий составляет 8250...8300 МПа при содержании в них 1,5.2,5% W или 1.0.1,5% Мо. Это значительно превышает твердость чистого электролитического железа, которая максимально составляет 5200 .5500 МПа.

Износостойкость гальванических покрытий, наряду с их усталостной прочностью, является определяющим фактором, влияющим на долговечность восстановленных деталей. На износостойкость покрытий влияет структура, химический состав, твердость, внутренние напряжения и другие факторы, определяемые условиями осаждения. Для железо-вольфрамовых и железо-молибденовых покрытий были получены эмпирические зависимости интенсивности изнашивания при граничном трении от параметров электролиза:

ИРе™=27,17-5,5С^0,75С^-4,6р+0,37р2+0,14С^-0,001Дк2;

ИРе-мо=25.6-27.2Смо+13,23С2мо-2Р+0,13р2+0,65СмоР-0,0014Дк2.

где ИРе^ и ИРе-Мо - соответственно интенсивность изнашивания железо-вольфрамовых и железомолибде-новых покрытий (г/ч); ^ и СМо - концентрации вольфрам- и молибденсодержащих солей в соответствующих электролитах (кг/м3); р - коэффициент асимметрии тока; Дк - плотность катодного тока (А/дм2).

Эксперимент показал, что основное влияние на износ железных покрытий оказывает концентрация в них

легирующих элементов. Наибольшую износостойкость, как и наибольшую твердость, имеют покрытия, содержащие ~ 2 % вольфрама или ~ 1 % молибдена. Износостойкость легированных покрытий гораздо выше (более чем в 2 раза) износостойкости чистого электролитического железа и даже выше износостойкости основного металла - стали 45 (рисунок 4).

0

* 7-к

1 6-

£

£

Ьш Бь

Изнашиваемый материал

Рисунок 4 - Интенсивность изнашивания электролитических покрытий при граничном трении

Таким образом, анализируя вышеприведенные экспериментальные данные, можно заключить, что использование для восстановления изношенных деталей железо-вольфрамовых или железо-молибденовых покрытий позволит поднять уровень их эксплуатационных свойств по критериям износостойкости и усталостной прочности) до состояния новых деталей. При этом высокий эффект упрочнения будет достигнут без усложнения и удорожания традиционной технологии электролитического железнения.

Список использованных источников

1 Гудремон Э. Специальные стали. Т.1. - М.: Металлургия, 1966. - 736 с.

2 Способ электролитического осаждения сплава железо-вольфрам / В.И.Серебровский и др. // Патент на изобретение № 2192509. 2002 - 6с.

3 Способ электролитического осаждения сплава железо-молибден / В.И. Серебровский и др. // Патент на изобретение № 2174163. 2001 - 6 с.

Информации об авторах

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

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

Бедин Василий Викторович, соискатель РГАЗУ.

Серебровская Людмила Николаевна, кандидат технических наук, доцент кафедры технологии металлов и ремонта машин ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА».