Результат интеллектуальной деятельности: Способ электролитического осаждения сплава железо-бор

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

Известен способ электролитического осаждения сплава железо-бор из электролита, содержащего хлорид железа 300-450 кг/м³, борную кислоту 2,5-60 кг/м³, соляную кислоту 0,5-1,5 кг/м³. Процесс осаждения ведут на переменном асимметричном токе, начиная с коэффициента асимметрии 1,2 и повышая до 6, катодной плотности тока 15-60 А/дм², температуре электролита 20-40°С и кислотности электролита рН 0,8 (Патент №2250936, 2003 г.)

Недостатком данного способа являются большие пределы расхода легирующего элемента (борная кислота) 2,5-60 кг/м³ и невысокое содержание легирующего элемента в покрытии около 1,0%, что в свою очередь не дает возможность получения максимальной микротвердости и износостойкости электролитического железоборидного покрытия.

Для устранения вышеперечисленных недостатков, предлагается способ электролитического осаждения сплава железо-бор из электролита следующего состава, кг/м³:

Процесс осаждения ведут на переменном асимметричном токе, начиная с коэффициента асимметрии 2 и повышая до 7, катодной плотности тока 60-100 А/дм², температуре электролита 20-30°С. Кислотность электролита находится в пределах рН 0,8-1,2.

Электролит данного состава получают соединением водных растворов хлорида железа, декагидробората натрия и лимонной кислоты. Для поддержания кислотности добавляется соляная кислота.

Концентрация хлорида железа находится в пределах 200-400 кг/м³. Нижний предел показывает зону минимальной вязкости. Верхний предел показывает зону максимальной электропроводности.

Содержание декагидробората натрия находится в интервале 0,6-1,4 кг/м³. Ниже 0,6 кг/м³ применение декагидробората натрия нецелесообразно, т.к. получаемое покрытие по твердости близко к покрытию твердым железом. Выше концентрации 1,4 кг/м³ применение декагидробората натрия приводит к изменению физико-механических свойств покрытия, резко увеличивается хрупкость за счет образования окислов бора, что отрицательно сказывается на износостойкости покрытия.

Содержание соляной кислоты находится в пределах 1,0-1,5 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 1,0 кг/м³ происходит сильное защелачивание прикатодного слоя. Гидроокись, образующаяся в прикатодном слое, включается в покрытия и этим ухудшает их структуру.

Содержание лимонной кислоты находится в интервале 4-5 кг/м³. Ниже 4 кг/м³ применение лимонной кислоты нецелесообразно, т.к. лимонная кислота является связующим звеном между декагидроборатом натрия и хлоридом железа. Недостаточное количество лимонной кислоты отрицательно сказывается на качестве электролита, а впоследствии и на содержании легирующего компонента в электроосажденном покрытии. Верхний предел ограничен с экономической точки зрения, т.к. при концентрации больше 5 кг/м³ лимонной кислоты не происходит изменения качества электролита и концентрации легирующего элемента в покрытии. Также лимонная кислота выступает в электролите как стабилизатор и предотвращает образование трехвалентного железа.

Переменный асимметричный ток дает возможность вести процесс при пониженной температуре 20-30°С. Нижний предел ограничен диффузионными свойствами электролита. Движение ионов замедленное и скорость осаждения низкая. Выше 30°С использовать электроосаждение 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 2-7. Начало осаждения проходит 2-3 минуты при коэффициенте асимметрии β=2. 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=7, 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 электроосаждения ведут при температуре 25°С 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 2, который повышают до 7. В дальнейшем осаждение идет при коэффициенте асимметрии 7. Покрытие имеет сцепляемость Gcц=350 МПа, микротвердость 9500 МПа. Состав покрытия: железо - 97%, бор - 3% (в прототипе около 1,0%). Скорость электроосаждения равна 0,5 мм/ч (в прототипе 0,35 мм/ч.).

Предлагаемый способ имеет высокую производительность за счет применения переменного асимметричного тока с высокой катодной плотностью и высокое содержание бора в электролитическом покрытии. Он экономически эффективен, т.к. осаждение покрытия происходит при высокой катодной плотности тока и имеет высокую скорость осаждения покрытия до 0,5 мм/ч. Покрытия, полученные предлагаемым способом, обладают высокой микротвердостью и износостойкостью за счет высокого содержания бора в электролитическом покрытии, что позволяет их использовать в ремонтном производстве для восстановления и упрочнения поверхностей деталей машин.