Исследование микротвердости при электрокристаллизации сплавов на основе железа

агроинженерия

_______________________________________________________________________________

Размещено на http://www.Allbest.ru/

_______________________________________________________________________________________

Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии.-2009.-№1.

76

Курская государственная сельскохозяйственная академия имени профессора И.И. Иванова

Кафедра электротехники и механизации животноводства

Исследование микротвердости при электрокристаллизации сплавов на основе железа

Ю.П. Гнездилова, ст. преподаватель

В.В. Серебровский, к.т.н., доцент

Н.В. Коняев, к.т.н., доцент

Аннотация

Приведены экспериментальные данные по выявлению режимов электролиза на микротвердость покрытий. Показана высокая эффективность упрочнения электролитических железных покрытий фосфором с целью создания электроосажденного сплава. Исследован и рекомендован хлоридный электролит для получения Fe-P покрытий высокой твердости.

Ключевые слова: микротвердость, хлорид железа, гипофосфит натрия, электролитические сплавы.

Для ремонтного производства значительный интерес представляют электролитические сплавы на основе железа и фосфора. Они обладают особыми физико-химическими свойствами: высокой микротвердостью и плотностью, износо- и коррозионной стойкостью, малыми внутренними напряжениями и др.

Известные электролиты для получения железо-фосфорных покрытий в качестве основной соли содержат либо двухлористое железо, либо сульфат железа. В качестве фосфорсодержащей добавки обычно используют гипофосфит натрия [1]. При этом малая концентрация солей железа (до 200 г/л) приводит к необходимости поддержания относительно высокой температуры электролита (80°С), что является нежелательным с точки зрения его устойчивости.

Нами исследовалась микротвердость покрытий, полученных из электролита, содержащего 300...600 г/л хлорида железа и 2,5...25 г/л гипофосфита натрия.

Осаждение Fe-P сплавов производилось при использовании периодического тока. Катодами служили образцы стали 30 площадью 2,5 см². Покрытие наносилось до толщины 150...200 мкм, после чего образцы шлифовались и полировались. Испытание на микротвердость производилось на приборе ПМТ-3М при нагрузке на индентор 1,0 Н.

Результаты исследования влияния концентрации NaH₂PО₂ H₂О и FeCl₂ 4H₂О на микротвердость Fe-P покрытий приведены на рисунке 1.

Как видно, кривая 1, соответствующая микротвердости покрытий в зависимости от содержания гипофосфита при концентрации хлорида железа 500 г/л, имеет три характерных участка.

На первом участке, при увеличении содержания гипофосфита натрия до 5 г/л микротвердость покрытий резко возрастает от 5300 до 7900МПа. Увеличение концентрации NaH₂PО₂ H₂О от 5 до 15 г/л на втором участке не сказывается на величине микротвердости осадка.

При дальнейшем увеличении концентрации гипофосфита натрия до 25 г/л микротвердость покрытий постепенно снижается до 6770 МПа.

Микротвердость Fe-P покрытий при увеличении концентрации хлорида железа уменьшается (рисунок 1, кривая 2). При изменении содержания FeCl₂ 4H₂О в пределах от 300 до 600 г/л микротвердость покрытий падает от 8590 до 7330МПа. Уменьшение концентрации хлористого железа ниже 300 г/л при прочих равных условиях приводит к формированию напряженных и плохо сцепленных с подложкой осадков.

Характер влияния показателя асимметрии и рН электролита на микротвердость покрытия различен (рисунок 2, кривые 1 и 3). В то время как увеличение показателя асимметрии от 2,5 до 6,5 вызывает возрастание микротвердости от

Рисунок 1 - Влияние концентрации гипофосфита (1) и хлористого железа (2) на микротвердость Fe-P покрытий

6700 до 8050МПа, увеличение рН от 0,2 до 0,85 приводит к постепенному падению микротвердости от 8230 до 6770МПа. В обоих случаях экстремума в указанных пределах режимов электролиза обнаружено не было.

микротвердость электроосажденный хлоридный покрытие

Рисунок 2 - Влияние показателя асимметрии (1), плотности тока (2) и кислотности электролита (3) на микротвердость Fe-P покрытий

К интересным результатам приводит изменение плотности тока от 2,5 до 50 А/дм² (рисунок 2, кривая 2). При концентрации гипофосфита натрия 10 г/л и показателе асимметрии = 5 увеличение плотности тока от 2,5 до 10 А/дм² приводит к резкому возрастанию микротвердости. При плотности тока 10 А/дм² наблюдается максимальная микротвердость, равная 8200 МПа. При дальнейшем повышении плотности тока происходит незначительное изменение микротвердости Fe-P сплава [2].

Результаты исследований показывают, что микротвердость Fe-P сплавов значительно выше микротвердости железных покрытий, полученных из чистого хлоридного электролита. Известно, что фосфор, наряду с другими металлоидами, способен образовывать с переходными металлами двойные соединения, объединенные под общим названием «Твердые металлы». Это вещества, обладающие высокой твердостью к химическим воздействиям. При совместном электроосаждении железа и фосфора образуется твердый раствор замещения, являющийся, по-видимому, причиной повышения микротвердости и коррозионной стойкости этих покрытий.

Существуют две точки зрения на механизм включения фосфора в электролитический осадок. Согласно первой - разложение гипофосфита происходит за счет катализирующего действия свежеосажденного железа; согласно второй имеет место адсорбция полярного гипофосфит-иона на катоде с последующим его восстановлением до элементарного фосфора [3]. Исходя из этого, характер кривой 1 (рисунок 1) можно объяснить тем, что при увеличении концентрации гипофосфита натрия в электролите от нуля до 5 г/л возрастает степень заполнения двойного электрического слоя гипофосфит-ионами и, следовательно, увеличивается вероятность их восстановления до элементарного фосфора с образованием твердого раствора. Это косвенно подтверждается ходом кривой 2: повышение концентрации хлористого железа затрудняет адсорбцию гипофосфит-иона в катоде.

При концентрации гипофосфита натрия 5 г/л микротвердость достигает величины 7900МПа (рисунок 1, кривая 1), которая сохраняется в дальнейшем. Однако при 18 г/л микротвердость начинает уменьшаться, что может быть следствием двух причин. Первой из них может явиться образование иной фазы твердого раствора; второй - механический захват продуктов восстановления гипофосфита.

Повышение показателя асимметрии (рисунок 2, кривая 1) увеличивает кинетическую энергию гипофосфит-ионов и облегчает их прохождение к катоду, что приводит к увеличению содержания фосфора в покрытии и, следовательно, к возрастанию микротвердости осадка. В этом направлении действует также повышение плотности тока от нуля до 10 А/дм² (кривая 2).

Выполненные исследования показали, что для получения железо-фосфорных покрытий, обладающих высокой твердостью, может быть рекомендован электролит, содержащий (г/л): FеС1₂ 4Н₂О - 500, NaH₂PO₂ Н₂O - 10; при рН = 0,4...0,6; плотности тока 30...60 А/дм²; температуре 60°С.

Микротвердость железо-фосфорных покрытий можно изменять в широких пределах варьированием режимов электролиза. Однако более полный ответ о причинах подобного изменения следует искать в механизме электрокристаллизации и фазовом составе осадков.

Список использованных источников

1. Способ электролитического осаждения сплава железо-фосфор / В.И. Серебровский, Л.Н. Серебровская, Н.В. Коняев и др. // Патент на изобретение №2164560, 2000.-6 с.

2. Гладченко, В.Я. Исследование физико-механических свойств железо-фосфорного сплава, полученного из хлоридных электролитов применительно для автотракторных деталей: автореф. канд. дисс. / В.Я. Гладченко - Харьков, 1972.-16 с.

3. Определение содержания фосфора и выхода металла по току при формировании гальванического железо-фосфорного покрытия, осажденного на переменно ассиметричном токе/ В.Н. Гадалов, Н.В. Коняев, В.И. Серебровский и др. // Сварка и родственные технологии в машиностроении и электронике. - Курск: КГТУ, 2002.- Вып. 4.-С.86-92.

Размещено на Allbest.ru