Способ электролитического осаждения сплава железо-вольфрам

 

Изобретение относится к электролитическому осаждению твердых износостойких покрытий, в частности железовольфрамовых покрытий, применяемых для восстановления и упрочнения поверхностей деталей. Способ включает осаждение железовольфрамового покрытия на переменном асимметричном токе с коэффициентом асимметрии 1,2-6, при температуре электролита 20-40^oС, катодной плотности тока 35-40 А/дм², рН электролита 0,8 с использованием электролита, содержащего г/л: вольфрамово-кислый натрий 2-10, хлористое железо (II) 300-400, лимонную кислоту 5-15, соляную кислоту 0,5-1,5. Полученные из электролита покрытия обладают высокой микротвердостью и износостойкостью, обеспечивается высокая скорость осаждения покрытия.

Изобретение относится к области электролитического осаждения твердых износостойких покрытий, в частности железовольфрамовых покрытий, применяемых для восстановления и упрочнения поверхностей деталей.

Известен способ электролитического осаждения из хлористого электролита железнения, содержащего 200-250 г/л хлористого железа и 2-3 г/л соляной кислоты. (Мелков М. П. Твердое осталивание автотракторных деталей. М., "Транспорт". 1971. с 19-20). Однако этот электролит работает при высокой температуре (60-80^oС) и обеспечивает получение покрытий со значением микротвердости 4500-6500 МПа.

За прототип взят известный способ электролитического осаждения сплава железо-вольфрам из электролита, содержащего: вольфрамово-кислый натрий, железо хлористое, аммоний сернокислый, винную кислоту. Процесс ведут на постоянном токе при температуре 50-70^oС и катодной плотности тока 10-40 A/дм² (авт.cв. 246254, МПК С 23 В 5/32. Способ электролитического осаждения сплава железо-вольфрам. авт. А. Г. Виницкий и др.).

Недостатком данного способа является недостаточная микротвердость покрытия, низкая прочность сцепления покрытия с основой, низкая скорость осаждения покрытия и использование высоких температур электролита.

Для устранения вышеперечисленных недостатков предлагается способ электролитического осаждения сплава железо-вольфрам, который имеет высокую производительность за счет применения переменного асимметричного тока. Он экономически эффективен, т. к. осаждение происходит при высоких катодных плотностях тока и низких температурах электролита, что обеспечивает высокую скорость осаждения покрытий. Получаемые покрытия обладают высокой прочностью сцепления с основой, высокой микротвердостью и износостойкостью. Осаждение происходит из электролита, содержащего: вольфрамово-кислый натрий, железо хлористое (II), лимонную кислоту, соляную кислоту при следующем соотношении компонентов, г/л: Вольфрамово-кислый натрий - 2-10 Железо хлористое (II) - 300-400 Лимонная кислота - 5-15 Соляная кислота - 0,5-1,5 Соляная кислота - 0,5-1,5 Процесс осаждения ведется при температуре 20-40^oС на переменном асимметричном токе с интервалом катодных плотностей тока 35-40 А/дм² и коэффициентом асимметрии β=1,2-6. Кислотность электролита находится в пределах рН 0,8.

Электролит получают соединением хлористого железа и вольфрамоцитратного комплекса. Вольфрамоцитратный комплекс предварительно получают из вольфрамово-кислого натрия и лимонной кислоты. Количество вольфрамово-кислого натрия находится в интервале 2-10 г/л. Ниже 2 г/л применение вольфрамово-кислого натрия нецелесообразно, т.к. получаемые покрытия по микротвердости близки к покрытиям твердым железом. Выше 10 г/л применение вольфрамово-кислого натрия приводит к образованию окислов вольфрама, что резко снижает качество покрытия и его микротвердость. Наиболее оптимальным является содержание вольфрамово-кислого натрия 8 г/л. Содержание лимонной кислоты находится в пределах 5-15 г/л. Нижний предел обусловлен тем, что лимонная кислота является связующим звеном вольфрамово-кислого натрия и хлористого железа, и при концентрации менее 5 г/л не происходит образования вольфрамоцитратного комплекса. Верхний предел ограничен с экономической точки зрения, т.к. применение больше 15 г/л лимонной кислоты дорого, а изменения качества электролита и покрытия не происходит. Лимонная кислота выступает в электролите как стабилизатор и предотвращает образование трехвалентного железа.

Концентрация хлористого железа находится в пределах 300-400 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).

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^oС. Нижний предел ограничен диффузионными свойствами электролита. Движение ионов замедленное и скорость осаждения покрытия низкая. Выше 40^oС использование электролита не выгодно с экономической точки зрения. Качественного изменения покрытия не происходит, однако увеличиваются затраты на подогрев электролита.

Катодная плотность тока находится в пределах 35-40 А/дм². Ниже 35 А/дм² плотность тока использовать не целесообразно, т.к. процесс электролиза имеет низкую скорость осаждения покрытия. При катодной плотности тока выше 40 А/дм² 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.

На основе проведенных испытаний оптимальными условиями способа электроосаждения сплава железо-вольфрам являются условия, приведенные в примере: Электролит готовили соединяя хлористое железо и вольфрамоцитратный комплекс. Предварительно вольфрамоцитратный комплекс получали смешиванием вольфрамово-кислого натрия и лимонной кислоты. Электролит состоял из следующих компонентов в количестве, г/л: Вольфрамово-кислый натрий - 8 Хлористое железо (II) - 350
Лимонная кислота - 12
Соляная кислота - 1,0
Процесс электролитического осаждения покрытия вели при температуре 40^oС и катодной плотности тока 40 А/дм². Процесс осаждения начинали при β=1,2 и постепенно в течение 3-5 минут повышали до β=5. Покрытие имело Gcц=300 МПа, микротвердость Hμ=8200 МПа, скорость осаждения 0,3 мм/ч.

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, что позволяет их использовать в народном хозяйстве для восстановления и упрочнения поверхностей деталей машин.

Формула изобретения

Способ электролитического осаждения сплава железо-вольфрам из электролита, содержащего вольфрамово-кислый натрий, хлористое железо (II), отличающийся тем, что осаждение ведут из электролита, содержащего, г/л:
Вольфрамово-кислый натрий - 2-10
Хлористое железо (II) - 300-400
Лимонная кислота - 5-15
Соляная кислота - 0,5-1,5
на переменном асимметричном токе с коэффициентом асимметрии 1,2-6, при катодной плотности тока 35-40 А/дм², температуре электролита 20-40^oС, рН электролита 0,8.