Упрочнение электролитического железа легирующими добавками молибдена

УПРОЧНЕНИЕ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОГО ЖЕЛЕЗА ЛЕГИРУЮЩИМИ ДОБАВКАМИ МОЛИБДЕНА

В.И. Серебровский, А.Ю. Молодкин, А.Н. Пронин

Аннотация. Приведены экспериментальные данные по твёрдости, усталостной прочности и износостойкости двухкомпонентного железо-молибденового гальванического покрытия. Показана, что введение в электролитического железо 1% Мо повышает его твёрдость и износостойкость в 1,5...2 раза (что приближает железные покрытия по эксплуатационным характеристикам к закалённым среднеуглеродистым сталям).

Ключевые слова: гальванические покрытия, электроосаждение, асимметричный ток.

Нанесение гальванических покрытий на поверхности стальных деталей является одним из эффективных методов компенсации износа. Этот метод весьма экономичен, так как гальванические покрытия получаются из водных растворов дешевых солей металлов, минуя дорогостоящие и длительные пирометаллургические процессы. Кроме того, покрытие прямо во время процесса электролиза приобретает необходимые эксплуатационные свойства и, по большей части, не требует дополнительной упрочняющей обработки.

В этой связи значительный интерес представляет осаждение не только чистого железа, но и сплавов на его основе. Одним из наиболее эффективных элементов, с точки зрения повышения прочности гальванических осадков, является молибден [1]. Однако исследованию условия электроосаждения, а также механических и служебных свойств электролитических сплавов железо-молибден посвящено очень небольшое количество работ, причем сведения, имеющиеся в этих работах, зачастую носят противоречивый характер.

Нами исследованы особенности электроосаждения двухкомпонентных сплавов железо-молибден на переменном асимметричном токе из хлоридных электролитов. Основы этих электролитов составлял раствор хлорида железа 300 г/ л соляной кислоты 1,0.1,5 г/л. Для получения легированных осадков в основной раствор добавляли молибдат аммония, а также комплексообра-зующую добавку - лимонную кислоту [2].

При определении условий электролиза, обеспечивающих получение износостойких покрытий, применяли планирование эксперимента по методу латинского квадрата. В качестве независимых факторов были приняты: показатели асимметрии тока (Р), плотность катодного тока (Дк), концентрация легирующей соли (Сл.с.), температура электролита 0) Эти факторы согласно плану эксперимента варьировались на пяти уровнях (таблица 1).

Таблица 1 - Значения уровней первичных факторов

Название факторов Обозначение фактора Уровни первичных факторов

1 2 3 4 5

1. Коэффициент асимметрии Р 3 4 5 6 7

2. Плотность катодного тока Дк 20 30 40 50 60

3. Концентрация молибдата аммония, г/л С 0,2 0,5 0,8 1,1 1,4

4. Кислотность электролита рН 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

5. Концентрация лимонной кислоты, г/л Сл 2 3 4 5 6

6. Температура электролита г 20 30 40 50 60

В качестве критерия оптимизации в эксперименте был принят износ покрытия, так как эта характеристика является одной из наиболее важных при оценке качества восстановленных деталей.

Испытания по определению величины износа образцов с двухкомпонентными гальваническими покрытиями проводились на машине трения СМЦ-2 по схеме: вращающийся ролик-колодка в условиях граничного трения (в зону трения подавалось моторное масло М10Ги с помощью фитиля). Контрольными образцами служили колодки из серого чугуна СЧ18 и бронзы БрС30. Площадь контакта составляла 2 см2, приработка производилась стабилизацией момента трения и температуры. Длительность испытаний составляла 20 минут (2000 циклов), износ определялся по потере массы образца (ролика).

Обработка результатов эксперимента проводилась путем группировки данных по значениям каждого фактора, причем все прочие факторы усреднялись. Таким образом, результаты опыта определялись изменением только одного фактора при средних значениях остальных.

Наиболее износостойкие железо-молибденовые покрытия получены при следующих условиях электроосаждения: показатель асимметрии - 6; катодная плотность тока - 40 А/дм ; температура электролита - 40 °С, кислотность электролита рН - 0,8... 1,0; концентрация лимонной кислоты - 4,5 кг/м3; концентрация молибдата аммония - 0,6... 1,0 кг/м. Оптимальная концентрация хлорида железа 350...400 кг/м [2].

Результаты сравнительных испытаний на износ показали, что износостойкость железо-молибденовых покрытий к стали 45 составила 176% при трении в паре с чугуном и 194% в паре с бронзой.

При трении без смазки железо-молибденовые покрытия превосходят износостойкость железных покрытий в 1,87...1,95 раза.

Металлографические исследования показали, что электролитические железо-молибденовые покрытия имеют ярко выраженную слоистую структуру (рисунок 1). Толщина слоев достигает нескольких десятков и даже сотен микрометров. Причиной образования слоистой структуры покрытий, по-видимому, является периодическое защелачивание прикатодного пространства и, соответственно, периодическая кристаллизация гидрооксида железа.

Термообработка сплавов до температуры 400 °С приводит к практическому исчезновению слоистости, но на микротвёрдость, а следовательно, и на износостойкость покрытий заметного влияния не оказывает.

Мо = 0,5 % Мо = 1,0 % Мо = 1,5 %

Рисунок 1 - Микроструктуры электроосажденных сплавов железо-молибден

Таким образом, проведённые результаты эксперимента показывают, что двухкомпонентные железо-молибденовые сплавы обладают более высокой износостойкостью, чем электролитическое железо и вполне могут быть применены для восстановления изношенных деталей машин.

Список использованных источников

1 Гудремон Э. Специальные стали. Т.1.- М.: Металлургия, 1966.-376 с.

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

Информация 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».

Пронин Андрей Николаевич, соискатель РГАЗУ.