Результат интеллектуальной деятельности: Способ электролитического осаждения сплава железо-кобальт

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

Известен способ электролитического осаждения сплава железо-кобальт из электролита, содержащего хлорид железа 350-400 кг/м³, хлорид кобальта 5-50 кг/м³, соляную кислоту 0,5-2 кг/м³. Процесс осаждения ведут на переменном асимметричном токе, начиная с коэффициента асимметрии 1,2 и повышая до 6, катодной плотности тока 30-60 А/дм², при температуре электролита 30-50°C (Патент РФ №2230836, 2004 г.).

Недостатком данного способа является быстрое окисление электролита на воздухе, его нестабильность и низкие электропроводность электролита и скорость электроосаждения. В настоящее время на предприятиях при восстановлении изношенных деталей машин из-за небольших программ ремонта происходит простой оборудования. В связи с этим происходит окисление электролита на воздухе и появление окислов трехвалентного железа. Дальнейшее восстановление изношенных деталей машин в таком электролите невозможно и в данном случае необходима его проработка с затратами дополнительной электроэнергии.

Для повышения стабильности электролита, предотвращения быстрого его окисления, а также увеличения электропроводности и скорости электроосаждения, предлагается способ электролитического осаждения сплава железо-кобальт из электролита, содержащего, кг/м³:

Процесс осаждения ведут на переменном асимметричном токе, начиная с коэффициента асимметрии 1,2 и повышая до 6, катодной плотности тока 60-100 А/дм², температуре электролита 30-50°C.

Данный электролит получают соединением водных растворов хлорида железа, хлорида кобальта и хлорида натрия. Для поддержания кислотности добавляется соляная кислота.

Концентрация хлорида 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, 1977. С. 77-79).

Содержание соляной кислоты находится в пределах 0,5-2,0 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.

Содержание хлорида кобальта находится в интервале 5-50 кг/м³. Ниже 5 кг/м³ применение хлорида кобальта нецелесообразно, т.к. получаемое покрытие по твердости близко к покрытию твердым железом. Выше концентрации 50 кг/м³ применение хлорида кобальта приводит к изменению физико-механических свойств покрытия, резко увеличивается хрупкость, что отрицательно сказывается на износостойкости покрытия.

Содержание хлорида натрия находится в интервале 5-20 кг/м³. Ниже 5 кг/м³ применение хлорида натрия нецелесообразно, т.к. электролит нестабилен, происходит окисление электролита, получаемые покрытия имеют повышенную шероховатость. Выше концентрации 20 кг/м³ применение хлорида натрия приводит к повышенному выделению водорода и снижению выхода металла по току.

Переменный асимметричный ток дает возможность вести процесс при пониженной температуре 30-50°C. Нижний предел ограничен диффузионными свойствами электролита. Движение ионов замедленное и скорость осаждения низкая. Выше 50°C использовать осаждение покрытий невыгодно, т.к. получаемые покрытия имеют низкую микротвердость.

Катодная плотность тока находится в пределах 60-100 А/дм². Ниже 60 А/дм² плотность тока использовать нецелесообразно, т.к. процесс электролиза имеет низкую скорость осаждения покрытия. При катодной плотности тока больше 100 А/дм² происходит интенсивное дендритообразование и резко снижается выход по току.

Процесс осаждения покрытия происходит на переменном асимметричном токе с коэффициентом асимметрии 1,2-6,0. Начало осаждения проходит 2-3 минуты при коэффициенте асимметрии β=1,2-1,5. При этом образуется покрытие пониженной твердости, которое имеет высокую сцепляемость с основой Gсц=350 МПа. Потом происходит постепенное уменьшение анодной составляющей до коэффициента асимметрии β=6, который характеризуется стабильной скоростью осаждения и высокой микротвердостью покрытия. Дальнейшее повышение β не рекомендуется, т.к. процесс не отличается от осаждения на постоянном токе.

На основе проведенных испытаний оптимальными условиями способа являются условия, приведенные в качестве примера:

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

Процесс электролитического покрытия ведут при температуре 40°C и катодной плотности тока 80 А/дм². Анодом служит малоуглеродистая сталь. Предварительно деталь подвергается обезжириванию венской известью и анодной обработке в растворе 30% серной кислоты. Процесс осаждения начинается при коэффициенте асимметрии 1,2, который повышают до 6. В дальнейшем осаждение идет при коэффициенте асимметрии 6. Покрытие имеет сцепляемость Gсц=350 МПа, микротвердость 8500 МПа. Состав покрытия: железо - 88%, кобальт - 12%. Скорость осаждения равна 0,7 мм/ч (в прототипе 0,4 мм/ч.).

Предлагаемый способ имеет высокую производительность за счет применения переменного асимметричного тока с высокой катодной плотностью и стабильностью электролита. Он экономически эффективен, т.к. осаждение покрытия происходит при высокой катодной плотности тока и имеет высокую скорость осаждения покрытия до 0,8 мм/ч. Покрытия, полученные предлагаемым способом, обладают высокой микротвердостью и износостойкостью, что позволяет их использовать в народном хозяйстве для восстановления и упрочнения поверхностей деталей машин.