Способ электролитического осаждения сплава железо-ванадий

 

Изобретение относится к области электролитического осаждения твердых износостойких покрытий, в частности железо-ванадиевых покрытий, применяемых для восстановления и упрочнения поверхностей деталей. Способ включает осаждение железованадиевого покрытия из электролита, содержащего, г/л: хлористое железо 350-400, метаванадат аммония 5-30, соляную кислоту 1,5-2,0, на переменном асимметричном токе с коэффициентом асимметрии 1,2-6 и частоте тока 50 Гц при температуре электролита 30-50°С, интервале катодных плотностей тока 30-60 А/дм². Технический результат: повышение микротвердости, износостойкости, толщины покрытий и скорости осаждения.

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

Известен способ электролитического осаждения из хлористого электролита, содержащего хлорид железа (II) 90 г/л, метаванадат аммония 30 г/л, хлорид натрия и воду. Покрытие осаждается на постоянном токе при катодной плотности тока 5-12 г/л. (Васько А.Т. и Ковач С.К. Электрохимия тугоплавких металлов. Киев: Техника, 1983, с.92). Недостатком данного способа является высокая шероховатость получаемого покрытия и плохое его сцепление с металлической основой.

За прототип взят известный способ электролитического осаждения сплава железо-ванадий из электролита, содержащего хлорид железа (II) 90 г/л, метаванадат аммония 30 г/л, хлорид натрия 80 г/л. Осаждение покрытия ведут в режиме импульсного униполярного тока при плотности тока 300-1300 А/дм², частота импульсов 0,03-0,07 с (а.с. №1758091 МПК C 25 D 5/18, 3/56. Способ получения железо-ванадиевого покрытия. Авт. О.И.Ахмеров, B.C.Кондратьев, А.М.Кудлай). Недостатком данного способа является низкая микротвердость и износостойкость получаемого покрытия, низкая скорость осаждения покрытия.

Для повышения микротвердости, износостойкости получаемых покрытий, скорости осаждения и толщины покрытия предлагается способ электролитического осаждения сплава железо-ванадий из электролита, содержащего, г/л:

Хлористое железо 350-400

Метаванадат аммония 5-30

Соляная кислота 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 30-60 А/дм², температуре электролита 30-50°С. Кислотность электролита рН 0,8-1,2. 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.

Электролит получают соединением хлористого железа и метаванадата аммония.

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).

Количество метаванадата аммония находится в интервале 5-30 г/л. Ниже 5 г/л применение метаванадата аммония нецелесообразно т.к. получаемое покрытие по твердости близко к покрытию твердым железом. Выше 30 г/л применение метаванадата аммония приводит к образованию окислов ванадия, что резко ухудшает качество покрытия, снижает твердость покрытия. Наиболее оптимальным является содержание метаванадата аммония 25 г/л. Получаемое покрытие имеет микротвердость порядка 8500 МПа.

Содержание соляной кислоты находится в пределах 1,5-2,0 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 1,5 г/л происходит сильное защелачивание прикатодного слоя. Гидроокись, образующаяся в прикатодном слое, включается и покрытия и этим ухудшает их структуру.

Температурный интервал находится в пределах 30-50°С. Нижний предел ограничен диффузионными свойствами электролита. Движение ионов замедленное и скорость осаждения покрытия низкая. Выше 50°С использование электролита невыгодно с экономической точки зрения. Качественного изменения покрытия не происходит, однако увеличиваются затраты на подогрев электролита.

Катодная плотность тока находится в пределах 30-60 А/дм². Ниже 30 А/дм² плотность тока использовать не целесообразно, т.к. процесс электролиза имеет низкую скорость осаждения покрытия. При катодной плотности тока выше 60 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-ванадий являются условия, приведенные в примере.

Электролит состоит из следующих компонентов в количестве, г/л:

Хлористое железо 400

Метаванадат аммония 25

Соляная кислота 1,8

Процесс электролитического осаждения покрытия ведут при температуре 40°С и катодной плотности тока 50 А/дм². Анодом служит малоуглеродистая сталь. Предварительно деталь подвергается обезжириванию венской известью и анодной обработке в растворе 30% серной кислоты. Процесс осаждения начинают при β=1,2 и постепенно в течение 3-5 минут повышают до β=5. Покрытие имеет Gcц=300 МПа, микротвердость Нμ=8500 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-ванадий из электролита, содержащего хлористое железо, метаванадат аммония, соляную кислоту, отличающийся тем, что осаждение ведут из электролита при следующем соотношении компонентов, г/л:

Хлористое железо 350 - 400

Метаванадат аммония 5 - 30

Соляная кислота 1,5 - 2,0

на переменном асимметричном токе с коэффициентом асимметрии тока 1,2-6 и частоте тока 50 Гц при температуре электролита 30-50°С, интервале катодных плотностей тока 30-60 А/дм².