СПОСОБ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОГО ОСАЖДЕНИЯ СПЛАВА ЖЕЛЕЗО-ТИТАН-КОБАЛЬТ
METHOD OF ELECTROLYTIC DEPOSITION OF IRON-TITANIUM-COBALT ALLOY

Изобретение относится к области электролитического осаждения твердых, износостойких покрытий, в частности железо-титан-кобальтовых покрытий, применяемых для восстановления и упрочнения поверхностей стальных деталей.
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 С25В 3/56, 5/18. Способ электролитического осаждения сплава железо-кобальт). Получаемые покрытия имеют низкий коэффициент трения, вследствие чего повышается износостойкость покрытия, и высокую прочность сцепления с основой. Недостатком является недостаточная микротвердость покрытия.
Известен способ электролитического осаждения сплава железо-титан из электролита, содержащего 350-400 г/л хлористого железа, 15-25 г/л титана щавелевокислого и 0,5-1,5 г/л соляной кислоты (патент №2230139, МПК С23В 5/04. Способ электролитического осаждения сплава железо-титан). Данный способ осаждения обеспечивает высокую микротвердость и прочность сцепления с основой. Недостатком данного способа является высокий коэффициент трения, из-за чего снижается износостойкость.
Для получения покрытия с высокой прочностью сцепления с основой, высокой микротвердостью и низким коэффициентом трения предлагается способ электролитического осаждения сплава железо-титан-кобальт из электролита, содержащего, г/л:
Хлористое железо
350-400
Титан щавелевокислый
15-25
Кобальт хлористый
10-15
Соляная кислота
0,5-1,5
2
Процесс осаждения ведут на переменном асимметричном токе с частотой 50 Гц, начиная с коэффициента асимметрии 1,2 и повышая до 6, катодной плотности тока 15-40 А/дм, температуре электролита 20-40°С. В химический состав покрытия входит: кобальт - до 2%, титан - до 3%, остальное - железо. Кислотность электролита рН 0,8-1,2. Данный процесс экономически эффективен, 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. Титан обеспечивает высокую микротвердость и прочность сцепления с основным металлом. Кобальт играет роль сухой смазки и обеспечивает низкий коэффициент трения.
Электролит получают соединением водных растворов хлористого железа, титана щавелевокислого и кобальта хлористого.
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).
Количество титана щавелевокислого находится в интервале 15-25 г/л. Ниже 15 г/л применение титана щавелевокислого нецелесообразно, т.к. получаемые покрытия по микротвердости близки к покрытиям твердым железом. Выше 25 г/л применение титана щавелевокислого приводит к образованию окислов титана, что резко снижает качество покрытия и его микротвердость. Наиболее оптимальным является содержание титана щавелевокислого 20 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.
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
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.
На основе проведенных испытаний оптимальными условиями способа электроосаждения сплава железо-титан-кобальт являются условия, приведенные в примере.
Электролит состоит из следующих компонентов в количестве, г/л:
Хлористое железо
350
Титан щавелевокислый
20
Кобальт хлористый
15
Соляная кислота
1,0
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%-ной серной кислоты. Процесс осаждения начинают при β=1,2 и постепенно в течение 3-5 минут повышают до β=6. Покрытие имеет Gcц=300 МПа, микротвердость Нµ=9200 МПа, скорость осаждения 0,25 мм/ч и включает в себя: кобальт - до 2%, титан - до 3%, 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.