Электроосаждение сплавов на основе железа

УДК 621.359.3/.4

ЭЛЕКТРООСАЖДЕНИЕ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА

БЛИНКОВ Б.С.,

аспирант ФГБОУ ВО Курская ГСХА. СЕРЕБРОВСКИЙ В.В.,

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой программной инженерии ЮЗГУ. КАЛУЦКИЙ Е.С.,

аспирант ФГБОУ ВО Курская ГСХА.

Реферат. В процессе изготовления и восстановления различных деталей машин трудно обеспечить весь необходимый комплекс требований и свойств, предъявляемых к машиностроительным материалам. Эту проблему позволяет решить применение электролитических сплавов. Известно, что ряд ответственных деталей машин изготавливается из высоколегированных сталей и термических сплавов. Но как показал производственный опыт и многие исследования, эти детали и в настоящее время нередко лимитируют безремонтный срок службы машины. Это объясняется, по всей вероятности, тем, что легирующие компоненты сталей и сплавов, полученных металлургическим способом, распределяются неравномерно, что влияет на износ деталей. В то же время небольшой процент легирующего компонента в электроосажденном сплаве дает больший эффект по износостойкости и антифрикционно-сти, чем большее содержание в металлургическом сплаве. Это подтверждается еще и тем, что электролитические сплавы имеют ряд ценных преимуществ в сравнении с покрытиями из чистых металлов. В данной статье рассмотрены легирующие компоненты (кобальт, никель, хром) применяющиеся для упрочнения и восстановления деталей машин. Выбор указанных элементов определяется тем, что все они обладают свойствами обеспечивающими повышение прочностных характеристик электроосажденного железа. Кобальт относится к третьей классификационной группе металлов по износостойкости, которые не проявляют большой склонности к схватыванию, образуют хрупкие, легко разрушающиеся окисные пленки. Не менее ценным свойством является и то, что кобальт, обладает высокой твердостью 4020 МПа. Никель - коррозионностойкий металл - относится к четвертой классификационной группе, металлы которой так же, как и металлы третьей группы в условиях окислительного трения образуют хрупкие пленки окислов. В процессе изнашивания никель упрочняется (микротвердость поверхности трения повышается на 80 - 91 %). Хром обладает высокой твердостью, которая в зависимости от условий электролиза, находится в пределах 5000 - 10000 МПа, низким коэффициентом трения, сравнительно высокой теплостойкостью, высокой коррозионной стойкостью при обычных условиях окружающей среды.

Ключевые слова: легирующий компонент, бинарные сплавы, коррозионная стойкость, кобальт, никель, хром, антифрикционность.

ELECTRODEPOSITION OF ALLOYS BASED ON IRON

BLINKOV B.S.,

graduate student FGBOU IN Kursk State Agricultural Academy. SEREBROVSKY V.V.,

Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Software Engineering SWSU. KALUTSKY E.S.,

graduate student FGBOU IN Kursk State Agricultural Academy.

Essay. In the process of manufacture and recovery of various components of machines it is difficult to provide all the necessary set of requirements and properties applicable to engineering materials. This problem can be solved by applying electrolytic alloys. It is known that a number of critical parts of machinery are made of high-alloy steels and heat-treatment of alloys. But as demonstrated production experience and many studies, these details and is currently often limit maintenance-free service life of the machine. This is due, in all probability, the fact that the alloying components of steels and alloys obtained by metallurgical method are distributed unevenly, which affects the wear of parts. At the same time, a small percentage of the alloying component in the electrodeposited alloy, a greater effect on the wear resistance and antifrictional, the greater the content in the steel alloy. This is confirmed by the fact that electrolytic alloys have a number of valuable advantages in comparison with coatings of pure metals. This article describes the alloying components (cobalt, nickel, chrome) used for hardening and recovery of machine parts. The choice of these elements is determined by the fact that all of them have properties that ensure the increase of the strength characteristics of electrodeposited iron. Cobalt b e-longs to the third classification group metals in wear resistance, which have shown little inclination to gripe, form a fragile, easily crumbling the oxide film. No less valuable feature is the fact that cobalt, learning a high hardness 4020 MPa. Nickel - corrosion resistant metal - refers to a fourth classification group, where the metals as well as metals of the third group in terms of oxidative friction form a fragile film of oxides. Due to wear are hardened nickel (microhardness of friction surface is increased by 80 - 91%). Chrome has high hardness, which, depending on the electrolysis conditions, is in the range of 5000 - 10000 MPa and a low coefficient of friction, relatively high heat resistance, high resistance to corrosion under normal environmental conditions.

Keywords: alloying components, binary alloys, corrosion resistance, cobalt, nickel, chrome.

Введение. При изготовлении и восстановлении деталей машин трудно обеспечить весь комплекс требований и свойств, предъявляемых к машиностроительным материалам в одном материале. Поэтому получение универсальных свойств могут обеспечить сплавы, с распределением компонентов на поверхности и по глубине слоя, позволяющие полнее удовлетворить требования условий, в которых работает сопряженная пара. Такими сплавами могут быть гальванические (электро-осажденные) сплавы.

Известно, что ряд ответственных деталей машин изготавливается из высоколегированных сталей и термических сплавов. Но как показал производственный опыт и многие исследования, эти детали и в настоящее время нередко лимитируют безремонтный срок службы машины.

Это объясняется, по всей вероятности, тем, что легирующие компоненты сталей и сплавов, полученных металлургическим способом, распространяются неравномерно, износ же при трении деталей в условиях трения без смазки и граничного трения (наиболее характерных для большинства сопряженных пар современных машин) представляет собой ряд последовательных актов зацепления и молекулярного схватывания в местах истинного контакта, а затем упругого и пластического деформирования, упрочнения и разрушения металлов в наиболее слабых местах поверхностного слоя - вырывания частиц вблизи поверхности трения в менее прочном металле.

Не подлежит никакому сомнению, что распределение легирующих компонентов в электроосажденном сплаве будет значительно равномернее, чем в металлургическом, т.к. на катоде осаждаются перпендикулярно основе (с учетом хорошей рассеивающей способности электролита) мельчайшие частицы металлов, входящие в сплав, причем в зависимости от электрохимических свойств компонентов, концентрации электролита, условий и режима электролиза в осадке сплава процентное содержание компонентов может изменяться в широких пределах. Поэтому небольшой процент легирующего компонента в электроосажденном сплаве дает больший эффект по износостойкости и антифрик-ционности, чем большее содержание в металлургическом сплаве.

Это подтверждается еще и тем, что электролитические сплавы имеют ряд ценных преимуществ в сравнении с покрытиями из чистых металлов: повышенную твердость, мелкозернистую структуру, коррозионную стойкость, теплостойкость, антифрикционность. Не менее ценным свойством гальванических сплавов является и то, что введение в основной металл покрытия соответствующих добавок других металлов способствует повышению прочности сцепления покрытия с основным металлом.

Проведенный анализ показывает, что лучшей основой для получения сплавов, удовлетворяющих заданным требованиям по износостойкости и долговечности, является электролитическое железо [1. - С.73].

Результаты исследований и их обсуждение. В качестве легирующих компонентов представляют интерес кобальт, никель, хром.

Правильность назначения компонентов для получения износостойких гальванических многокомпонентных сплавов подтверждается рядом исследований [2. -С.188]. По этим исследованиям интересующие нас ле-

гирующие компоненты характеризуются следующими физико-механическими свойствами.

Таблица 1 - Физико - механические свойства легирующих компонентов

Данная таблица позволяет дать краткую характеристику компонентов, входящих в сплав.

Железо, как основа для получения сплава, помимо высоких технологических преимуществ процесса, обладает ценными механическими и химическими свойствами: способность к наклепу (упрочнению) и образованию тонких и твердых окисных пленок. Действительно, имея в исходном состоянии микротвердость 1800 МПа, чистое (без окислов) железо в результате пластической деформации при износе одноименных пар трения увеличило микротвердость поверхности до 8900 МПа, а при трении о закаленную сталь 45 - до 11000 МПа, т.е микротвердость поверхности возросла в 5 - 6 раз и достигла микротвердости хрома. При этом схватывания ни в первом, ни во втором случае не наблюдалось. Хром же при трении о закаленную сталь проявляет схватывание, налипание стали на верхнем хромированном образце. Железо относится к первой классификационной группе металлов по износостойкости, у которых окислы, образующиеся при трении, обладают высокой износостойкостью. Твердость окислов, образующихся на поверхностях трения железа почти в 9 раз превосходит твердость чистого металла (8000 МПа против 900 МПа чистого железа) [3. - С. 222].

Кобальт относится к третьей классификационной группе металлов по износостойкости, которые не проявляют большой склонности к схватыванию, образуют хрупкие, легко разрушающиеся окисные пленки. Но чистый кобальт обладает исключительно высокой износостойкостью, в 100 раз превышающую износостойкость хрома и самый низкий коэффициент трения (0,5 против 2,95 для хрома); износ происходит без схватывания, тогда как хром для тех же условий при трении о закаленную сталь изнашивается со схватыванием. Не менее ценным свойством является и то, что кобальт, обладая сравнительно высокой твердостью (4020 МПа), сохраняет ее к концу испытаний. Это свидетельствует о высокой теплостойкости кобальта.

Трущиеся пары из металлов, имеющих гексагональную плотную кристаллическую решетку, к которым относится кобальт, изнашиваются незначительно, т.к. явление схватывания при трении образцов из этих металлов развития не получают, несмотря на благоприятные условия, увеличение скорости скольжения приводит к снижению интенсивности износа этих металлов.

Температура Ато

Ме- Удельный Предел прочно- Постоянные решетки мн ый ра-

талл вес, г/см3 плавления °С сти МПа

а с ди- у^ Ао

Cr 7,1 1890 - 2,87 - 1,3

Fe 1,86 1539 280 2,86 - 1,26

Ni 8,8 1454 450 3,54 - 1,25

Co 8,8 1490 250 2,502 4,061 1,26

В сплаве с железом кобальт способствует упрочнению основы сплава (железа), повышению его теплостойкости, износостойкости и антифрикционности.

Никель - коррозионностойкий металл - относится к четвертой классификационной группе, металлы которой так же, как и металлы третьей группы в условиях окислительного трения образуют хрупкие пленки окислов, а в условиях глубокого вакуума при трении одноименных пар трения и при трении о закаленную сталь 45 изнашиваются со схватыванием. В процессе изнашивания никель упрочняется (микротвердость поверхности трения повышается на 80 - 91 %).

В бинарном сплаве с железом никель будет способствовать повышению его коррозионной стойкости, а также износостойкости и антифрикционности.

Хром обладает высокой твердостью, которая в зависимости от условий электролиза, находится в пределах 5000 - 10000 МПа, низким коэффициентом трения, сравнительно высокой теплостойкостью, высокой коррозионной стойкостью при обычных условиях окружающей среды, - в этом его решающее преимущество перед большинством металлов и термических сплавов [4. - С. 74].

Сочетание рассмотренных металлов в двух - трех и четырехступенчатых системах даст тот комплекс технологических, физико - механических и химических свойств упрочняющего и восстанавливающего покрытия, который необходим для решения проблемы долговечности машин [5. - С. 142].

При оценке возможности упрочнения электроосаж-денного железа легирующими добавками нами определена возможность получения стабильных сплавов на основе железа с хромом, кобальтом и никелем [6. -С.56]. Возможность получения бинарных сплавов с рациональным содержанием легирующих компонентов

Список использованных источников

1. Упрочнение электроосажденного железа кобальтом / Б.С. Блинков, В.И. Серебровский, Р.И. Сафронов // Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии. - 2015. - № 6. - С.73-74.

2. Применение дисульфида молибдена для повышения износостойкости электролитического железа / В.И. Серебровский, В.В. Серебровский, Л.Н. Серебровская и др. / Материалы VI международной научно-практической конференции Фундаментальная наука и технологии - перспективные разработки.USA: Изд-во н.-и. ц. «Академический». - 2015. - С.187-189.

3. Прогнозирование процесса электроосаждения покрытий на основе железа / В.В. Серебровский, Л.Н. Сереб-ровская, Р.И. Сафронов и др. // Материалы Международной научно-практической конференции. - Курск: Изд-во Курск. гос. с.-х. ак., - 2015. - С.221-222.

4. Влияние кобальта на повышение эксплуатационных свойств электроосажденного железа / Б.С. Блинков, В.В. Серебровский, Ю.П. Гнездилова // Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии. Курск: Изд-во Курская гос. с.-х. ак., - 2015. - №6. - С.74-75.

5. Упрочнение электроосажденного железа химико - термической обработкой / В.И. Серебровский, Р.И. Саф-ронов, Б.С. Блинков, М.В. Журавлев // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. - 2015. - № 3 (65). - С.141-143.

6. К вопросу осаждения электролитического сплава железо - кобальт / Б.С. Блинков, Е.С. Калуцкий, С.А. Грашков, Р.В. Степашов // Материалы Международной научно-практической. - Курск: Изд-во Курск. гос. с.-х. ак., -2015. - С. 55-57.

7. Серебровская Л.Н., Серебровский А.В., Шутченко Д.Л. Электроосаждение сплавов железо-хром // Региональный вестник. - 2016. - № 1. - С. 46-47.

8. Легирование молибденом электролитического железа / В.И. Серебровский, Р.И. Сафронов, Е.С. Калуцкий,

A.Г. Крюков // Региональный вестник. - 2016. - № 1. - С. 45.

9. К вопросу о влиянии кобальта на микротвердость и износ электроосажденного железо-кобальтового сплава /

B.И. Серебровский, Л.Н.Серебровская, Б.С. Блинков, Е.С. Калуцкий // Региональный вестник. - 2015. - № 1. - С. 42-43.

List of sources used

1. Strengthening of electrodeposited iron cobalt / B.S. Blinkov, V.I. Serebrovskу, R.I. Safronov // Bulletin of the Kursk State Agricultural Academy. - 2015. - № 6. - S.73-74.

можно оценить по графикам изображенным на рисунке 1.

1 * I

I 4

s

I 3 I

* 7

8. t 1

7 3 10 СгС12,кг/мJ

2 4 6 8 10Соа2,кг/м3

0 0

0 2 4 6 8 10т.кг/м Рисунок 1 - Содержание легирующих компонентов в зависимости от концентрации в электролите

-я Co

Обоснование способов получения сплавов на основе железа открывает возможности оптимизации физико - механических свойств покрытий с учетом прогнозирования ресурса восстановленных деталей машин.

Выводы.

1. Рассмотрены различные легирующие компоненты для упрочнения и восстановления деталей машин.

2. Проанализированы физико - механические свойства данных легирующих компонентов.

2. The use of molybdenum disulphide to enhance the wear resistance of electrolytic iron / V.I. Serebrovsky, V.V. Serebrovsky, L.N. Serebrovskaya etc / Proceedings of the VI International Scientific and Practical Conference of fundamental science and technology - advanced razrabotki.USA: Izd n.-i. c. "Academic". - 2015. - S.187-189.

3. Prediction of the electrodeposition coating process based on iron / V.V. Serebrovsky, L.N. Serebrovskaya, R.I. Safronov et al. // Proceedings of the International scientific-practical conference. - Voronezh: Publishing house of Kursk. state. agricultural AK. - 2015. - S.221-222.

4. Effect of cobalt to improve the performance properties of electrodeposited iron / B.S. Blinkov, V.V. Serebrovsky, Y.P. Gnezdilova // Bulletin of the Kursk State Agricultural Academy. Kursk: Publishing House of the Kursk State. agricultural ak., - 2015. - № 6. - S.74-75.

5. Strengthening of electrodeposited iron chemical - thermal treatment / V.I. Serebrovsky, R.I. Safronov, B.S. Blinkov, M.V. Zhuravlev // Bulletin of Voronezh State University of Engineering Technology. - 2015. - № 3 (65). - S.141-143.

6. On the question of the electrolytic deposition of an alloy of iron - cobalt / BS Blinky ES Kalutsky, SA Grashkov, RV Stepashi // Proceedings of the International scientific and practical. - Voronezh: Publishing house of Kursk. state. agricultural AK. - 2015. - P. 55-57.

7. Serebrovskaya L.N., Serebrovsky A.V., Shutchenko D.L. Electrodeposition of iron-chromium alloys // Regional Gazette. - 2016. - № 1. - S. 46-47.

8. Doping molybdenum electrolytic iron / V.I .Serebrovsky, R.I. Safronov, E.S. Kalutsky, A.G. Kryukov // Regional Gazette. - 2016. - № 1. - S. 45.

9. On the effect of cobalt on the microhardness and wear electrodeposited iron-cobalt alloy / V.I. Serebrovsky, L.N. Serebrovskaya, B.S. Blinkov, E.S. Kalutsky // Regional Gazette. - 2015. - № 1. - S. 42-43.