Способ электролитического осаждения сплава железо-марганец-фосфор

 

Изобретение относится к области электролитического осаждения твердых износостойких покрытий, в частности железо-марганец-фосфорных покрытий, применяемых для восстановления и упрочнения поверхностей деталей. Способ включает осаждение покрытия из электролита, содержащего, кг/м³: хлорид марганца (II) 5-100; железо хлористое (II) 300-450; гипофосфит натрия 2-15; соляную кислоту 0,5-1,5, на переменном асимметричном токе с коэффициентом асимметрии 1,2-6 при катодной плотности тока 30-60 А/дм², температуре электролита 20-40°С, рН 08. Технический результат: снижение температуры электролита, повышение производительности, сцепления покрытия с основой, микротвердости и износостойкости.

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

Известен способ электролитического осаждения из хлористого электролита железнения, содержащего 200-250 кг/м ³ 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-марганец-фосфор из электролита, содержащего: хлорид марганца, железо хлористое, гипофосфит натрия, соляную кислоту. Процесс ведут на постоянном токе при температуре 50-70°С и катодной плотности тока 5-60 А/дм² (Петров Ю.Н., Сидельников В.К., Ягубец А.Н. Исследование износостойкости электролитических сплавов железа с фосфором. // Тр. КСХИ, т.87. - Кишинев, 1972. - С.60-67).

Недостатком данного способа является ограниченная 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-марганец-фосфор, 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: хлорид марганца (II), железо хлористое (II), гипофосфит натрия, соляную кислоту при следующем соотношении компонентов, кг/м³:

Хлорид марганца (II) 5-100

Железо хлористое (II) 300-450

Гипофосфит натрия 2-15

Соляная кислота 0,5-1,5

Электролиз ведется при температуре 20-40°С 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 водного раствора хлористого железа, гипофосфита натрия и хлорида марганца.

Хлорид марганца находится в пределах 5-100 кг/м³. Нижний предел обусловлен тем, что при содержании менее 5 кг/м³ хлорида марганца не происходит заметного изменения физико-механических свойств покрытия. Верхний предел ограничивается содержанием хлорида марганца 100 кг/м³. При содержании больше 100 кг/м³ происходит интенсивное образование окислов марганца, что резко снижает физико-механические свойства электролитического покрытия.

Концентрация хлористого железа находится в пределах 300-450 кг/м³. Нижний предел показывает зону минимальной вязкости. Верхний предел показывает зону максимальной электропроводности (Швецов А.В. 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 покрытие и этим ухудшает их структуру.

Гипофосфит натрия находится в пределах 2-15 кг/м³ . Нижний предел обусловлен тем, что при содержании менее 2 кг/м ³ гипофосфита натрия не происходит заметного изменения физико-механических свойств покрытия. Верхний предел ограничивается содержанием гипофосфита натрия 15 кг/м³. При содержании больше 15 кг/м³ происходит интенсивное образование окислов фосфора, что резко снижает физико-механические свойства электролитического покрытия.

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.

Катодная плотность тока находится в пределах 30-60 А/дм². Ниже 30 А/дм² плотность тока использовать нецелесообразно, 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, Gcц=300 МПа. Если коэффициент асимметрии ниже 1,2, осаждение 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-марганец-фосфор являются условия, приведенные в примере:

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

Хлорид марганца (II) 50

Железо хлористое (II) 350

Гипофосфит натрия 8

Соляная кислота 1,0

Процесс электролитического осаждения покрытия ведут при температуре 40°С и катодной плотности тока 40 А/дм ². 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=8400 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-марганец-фосфор из электролита, содержащего хлорид марганца (II), хлористое железо (II), гипофосфит натрия, соляную кислоту, отличающийся тем, что осаждение ведут из электролита, состоящего из, кг/м³ :

Хлорид марганца (II) 5-100

Железо хлористое (II) 300-450

Гипофосфит натрия 2-15

Соляная кислота 0,5-1,5

на переменном асимметричном токе с коэффициентом асимметрии 1,2-6 при катодной плотности тока 30-60 А/дм², температуре электролита 20-40°С, кислотности электролита рН 0,8.