Способ электролитического осаждения сплава железо-титан

 

Изобретение относится к области электролитического осаждения твердых износостойких покрытий, в частности железо-титановых покрытий, применяемых для восстановления и упрочнения поверхностей деталей. Способ включает осаждение покрытия из электролита, содержащего, кг/м³, хлористое железо 350-400, титан щавелево-кислый 15-25, соляную кислоту 0,5-1,5, на переменном асимметричном токе с коэффициентом асимметрии 1,2-6,0 при температуре электролита 20-40°С, интервале катодных плотностей тока 35-50 А/дм². Технический результат: повышение эффективности способа, прочности сцепления покрытия с основой, микротвердости и износостойкости.

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

Известен способ электролитического осаждения из хлористого электролита железнения, содержащего 200-250 кг/м³ хлористого железа и 2-3 кг/м³ соляной кислоты. (Мелков М.П. Твердое осталивание автотракторных деталей. М.: Транспорт. 1971, с. 19-20).

Однако этот электролит работает при высокой температуре (60-80°С) и обеспечивает получение покрытий со значением микротвердости 4500-6500 МПа.

За прототип взят известный способ электролитического осаждения сплава железо-титан из электролита, содержащего, кг/м³: железо серно-кислое (FeSО₄) - 50, железо хлористое (FeCl₂) - 100-150; титан щавелево-кислый - 15-20; аммоний серно-кислый (NH₄)₂SО₄ - 100-150. Процесс ведут на постоянном токе при температуре 30-40°С и катодной плотности тока 20-30 А/дм². Вячеславов П.М. Электролитическое осаждение сплавов. Л.: Машиностроение. 1977, с. 62-63).

Недостатком данного способа является недостаточная микротвердость покрытия, низкая прочность сцепления покрытия с основой, низкая скорость осаждения покрытия.

Для устранения вышеперечисленных недостатков предлагается способ электролитического осаждения сплава железо-титан, 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: железо хлористое; титан щавелево-кислый; соляную кислоту при следующем соотношении компонентов, кг/м³:

Железо хлористое 350-400

Титан щавелево-кислый 15-25

Соляная кислота 0,5-1,5

Электролиз ведется при температуре 20-40°С на переменном асимметричном токе с интервалом катодных плотностей тока 35-50 А/дм² и коэффициентом асимметрии β=1,2-6,0. Кислотность электролита находится в пределах рН 0,8-1,0.

Электролит получают соединением хлористого железа и титана щавелево-кислого. Количество титана щавелево-кислого находится в интервале 15-25 кг/м³. Ниже 15 кг/м³ применение титана щавелево-кислого нецелесообразно, т.к. получаемые покрытия по микротвердости близки к покрытиям твердым железом. Выше 25 кг/м³ применение титана щавелево-кислого приводит к образованию окислов титана, что резко снижает качество покрытия и его микротвердость. Наиболее оптимальным является содержание титана щавелево-кислого 20 кг/м³.

Концентрация хлористого железа находится в пределах 350-400 кг/м³. 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 кг/м³. 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 кг/м³ 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. Использование электролита при температуре выше 40°С невыгодно с экономической точки зрения. Качественного изменения покрытия не происходит, однако увеличиваются затраты на подогрев электролита.

Катодная плотность тока находится в пределах 35-50 А/дм². Ниже 35 А/дм² плотность тока использовать нецелесообразно, т.к. процесс электролиза имеет низкую скорость осаждения покрытия. При катодной плотности тока выше 50 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-титан являются условия, приведенные в примере.

Электролит состоит из следующих компонентов в количестве, кг/м³:

Железо хлористое 350

Титан щавелево-кислый 20

Соляная кислота 1,0

Процесс электролитического осаждения покрытия ведут на асимметричном токе при температуре 40°С и катодной плотности тока 40 А/дм. Процесс осаждения начинают при β=1,2 и постепенно в течение 3-5 минут повышают до β=5. Покрытие имеет Gсц=300 МПа, микротвердость Нμ=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 - титан из электролита, содержащего хлористое железо, соляную кислоту, отличающийся тем, что осаждение ведут из электролита, состоящего из, кг/м³:

Железо хлористое 350-400

Титан щавелевокислый 15-25

Соляная кислота 0,5-1,5

на переменном асимметричном токе с коэффициентом асимметрии 1,2-6,0, катодной плотностью тока 35-50 А/дм², температурой электролита 20-40°С, кислотностью электролита рН 1-0,8.