RU2486294C1

RU2486294C1 - Method for electrolytic deposition of iron-aluminium alloy

Info

Publication number: RU2486294C1
Application number: RU2012100524/02A
Authority: RU
Inventors: Владимир Исаевич Серебровский; Людмила Николаевна Серебровская; Вадим Владимирович Серебровский; Николай Васильевич Коняев; Сергей Иванович Жданов
Priority date: 2012-01-10
Filing date: 2012-01-10
Publication date: 2013-06-27

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: method includes deposition from electrolyte, containing the following components, kg/m³: aluminium chloride 50-600, iron chloride (II) 100-400, iron sulfate (II) 100-400, potassium (sodium) chloride 80-100, hydrochloric acid 0.5-1.5, on asymmetrical AC with asymmetry ratio of 1.2-6, cathode current density 20-80 A/dm², temperature of electrolyte 20-40°C, pH of electrolyte 0.8.

EFFECT: higher content of an alloying component, higher efficiency, microhardness and wear resistance.

Description

Изобретение относится к области электролитического осаждения твердых, износостойких покрытий, в частности железоалюминиевых покрытий, применяемых для восстановления и упрочнения поверхностей деталей.The invention relates to the field of electrolytic deposition of hard, wear-resistant coatings, in particular iron-aluminum coatings used to restore and harden the surfaces of parts.

Известен способ электролитического осаждения сплава железо-алюминий из электролита, содержащего: хлористый алюминий, железо хлористое, хлористый калий (натрий), соляную кислоту, глицерин. Процесс ведут на постоянном токе при температуре 20-100°С и катодной плотности тока 5-100 А/дм² (а.с. №377432, МПК C23b 5/32. Способ электролитического осаждения сплава железо-алюминий). Недостатком данного способа является ограниченная микротвердость покрытия, низкая прочность сцепления покрытия с основой, низкая скорость осаждения покрытия и использование высоких температур электролита, низкая износостойкость.A known method of electrolytic deposition of an alloy of iron-aluminum from an electrolyte containing: aluminum chloride, iron chloride, potassium chloride (sodium), hydrochloric acid, glycerin. The process is carried out with direct current at a temperature of 20-100 ° C and a cathode current density of 5-100 A / dm ² (AS No. 377432, IPC C23b 5/32. Method of electrolytic deposition of an iron-aluminum alloy). The disadvantage of this method is the limited microhardness of the coating, low adhesion of the coating to the base, low coating deposition rate and the use of high electrolyte temperatures, low wear resistance.

За прототип взят известный способ электролитического осаждения сплава железо-алюминий из электролита, содержащего: хлористый алюминий, железо хлористое, хлористый калий (натрий), соляную кислоту. Процесс ведут на переменном асимметричном токе с интервалом катодных плотностей тока 30-70 А/дм² и коэффициентом асимметрии β=1,2-6. (Патент №2263727, МПК C25D 3/56. Способ электролитического осаждения сплава железо-алюминий).The prototype is a well-known method of electrolytic deposition of an iron-aluminum alloy from an electrolyte containing: aluminum chloride, iron chloride, potassium chloride (sodium), hydrochloric acid. The process is conducted on an alternating asymmetric current with an interval of cathodic current densities of 30-70 A / dm ² and an asymmetry coefficient β = 1.2-6. (Patent No. 2263727, IPC C25D 3/56. Method of electrolytic deposition of an iron-aluminum alloy).

Недостатком данного способа является низкая износостойкость и низкое содержание легирующего компонента - алюминия.The disadvantage of this method is the low wear resistance and low content of the alloying component is aluminum.

Технической задачей изобретения является повышение износостойкости покрытия и содержания легирующего компонента - алюминия.An object of the invention is to increase the wear resistance of the coating and the content of the alloying component is aluminum.

Предлагается способ электролитического осаждения сплава железо-алюминий, который имеет в своем составе до 2% алюминия. Получаемые покрытия обладают высокой прочностью сцепления с основой, высокой микротвердостью и износостойкостью. Осаждение происходит из электролита, содержащего хлористый алюминий, железо хлористое (II), железо сернокислое (II), хлористый калий (натрий), соляную кислоту при следующем соотношении компонентов, кг/м³:A method for electrolytic deposition of an alloy of iron-aluminum, which has in its composition up to 2% aluminum. The resulting coatings have high adhesion to the base, high microhardness and wear resistance. Precipitation occurs from an electrolyte containing aluminum chloride, iron chloride (II), iron sulfate (II), potassium chloride (sodium), hydrochloric acid in the following ratio of components, kg / m ³ :

хлористый алюминийaluminum chloride 50-60050-600 железо хлористое (II)iron chloride (II) 100-400100-400 железо сернокислое (II)iron sulfate (II) 100-400100-400 хлористый калий (натрий)potassium chloride (sodium) 80-10080-100 соляная кислотаhydrochloric acid 0,5-1,50.5-1.5

Электроосаждение ведется при температуре 20-40°С на переменном асимметричном токе с интервалом катодных плотностей тока 20-80 А/дм² и коэффициентом асимметрии β=1,2-6. Кислотность электролита находится в пределах рН 0,8.The electrodeposition is carried out at a temperature of 20-40 ° C at an alternating asymmetric current with an interval of cathodic current densities of 20-80 A / dm ² and an asymmetry coefficient β = 1.2-6. The acidity of the electrolyte is in the range of pH 0.8.

Электролит получают соединением водного раствора хлористого железа, сернокислого железа, хлористого алюминия и хлористого калия (натрия).The electrolyte is obtained by combining an aqueous solution of ferric chloride, ferrous sulfate, aluminum chloride and potassium chloride (sodium).

Хлористый алюминий находится в пределах 50-600 кг/м³. Нижний предел обусловлен тем, что при содержании менее 50 кг/м³ хлористого алюминия не происходит заметного изменения физико-механических свойств покрытия. Верхний предел ограничивается содержанием хлористого алюминия 600 кг/м³. При содержании больше 600 кг/м³ происходит интенсивное образование окислов алюминия, что резко снижает физико-механические свойства электролитического покрытия.Aluminum chloride is in the range of 50-600 kg / m ³ . The lower limit is due to the fact that when the content of less than 50 kg / m ³ aluminum chloride there is no noticeable change in the physico-mechanical properties of the coating. The upper limit is limited to an aluminum chloride content of 600 kg / m ³ . When the content is more than 600 kg / m ³ there is an intensive formation of aluminum oxides, which sharply reduces the physical and mechanical properties of the electrolytic coating.

Концентрация хлористого железа находится в пределах 100-400 кг/м³. Нижний предел показывает зону минимальной вязкости. Верхний предел показывает зону максимальной электропроводности. Концентрация сернокислого железа находится в пределах 100-400 кг/м³. Нижний предел показывает зону минимальной вязкости. Верхний предел показывает зону максимальной смачиваемости поверхности электроосаждения и максимальной растворимости сернокислого железа.The concentration of ferric chloride is in the range of 100-400 kg / m ³ . The lower limit indicates the zone of minimum viscosity. The upper limit indicates the zone of maximum electrical conductivity. The concentration of iron sulfate is in the range of 100-400 kg / m ³ . The lower limit indicates the zone of minimum viscosity. The upper limit shows the zone of maximum wettability of the electrodeposition surface and the maximum solubility of iron sulfate.

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 разрядом 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.The content of hydrochloric acid is in the range of 0.5-1.5 kg / m ³ . The upper limit is set for economic reasons, the electrodeposition of iron at the cathode occurs with the simultaneous discharge of hydrogen. With an increase in the content of hydrochloric acid, the amount of discharging hydrogen sharply increases and the current efficiency decreases. The lower limit is selected according to the qualitative characteristics of the structures of electrolytic iron. When the content of hydrochloric acid is less than 0.5 kg / m ³ there is a strong alkalization of the cathode layer. Hydroxide formed in the near-cathode layer is included in the coating and this worsens their structure.

Хлористый калий (натрий) находится в пределах 80-100 кг/м³. Нижний предел обусловлен тем, что при содержании менее 80 кг/м³ хлористого калия (натрия), не происходит заметного повышения электропроводности электролита и как следствие повышения катодной плотности тока. Верхний предел ограничивается содержанием хлористого калия (натрия) 100 кг/м³. При содержании больше 100 кг/м³ происходит интенсивное образование окислов калия (натрия), что резко снижает физико-механические свойства электролитического покрытия.Potassium chloride (sodium) is in the range of 80-100 kg / m ³ . The lower limit is due to the fact that when the content of less than 80 kg / m ³ potassium chloride (sodium), there is no noticeable increase in the electrical conductivity of the electrolyte and as a result of the increase in cathodic current density. The upper limit is limited by the content of potassium chloride (sodium) of 100 kg / m ³ . When the content is more than 100 kg / m ³ there is an intensive formation of potassium (sodium) oxides, which sharply reduces the physical and mechanical properties of the electrolytic coating.

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.The temperature range is in the range of 20-40 ° C. The lower limit is limited by the diffusion properties of the electrolyte. The ion motion is slow and the deposition rate of the coating is low. Above 40 ° C, the use of electrolyte is unprofitable from an economic point of view. A qualitative change in the coating does not occur, but the cost of heating the electrolyte increases.

Катодная плотность тока находится в пределах 20-80 А/дм². Ниже 20 А/дм² плотность тока использовать не целесообразно, т.к. процесс электролиза имеет низкую скорость осаждения покрытия. При катодной плотности тока выше 80 А/дм² происходит сильное дендритообразование и резко снижается выход по току.The cathodic current density is in the range of 20-80 A / dm ² . Below 20 A / dm ² the current density is not advisable to use, because The electrolysis process has a low coating deposition rate. At a cathodic current density above 80 A / dm ² , strong dendritic formation occurs and the current efficiency decreases sharply.

Начало осаждения покрытия проходит при коэффициенте асимметрии β=1,2, который обеспечивает высокую сцепляемость покрытия с основой, Gсц=350 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, и качество покрытий ухудшается. Благодаря разным значениям коэффициента асимметрии можно получать покрытия с различными физико-механическими свойствами.The beginning of coating deposition takes place with an asymmetry coefficient β = 1.2, which provides high adhesion of the coating to the substrate, Gst = 350 MPa. If the asymmetry coefficient is lower than 1.2, precipitation does not occur. In the process of electrodeposition, the asymmetry coefficient is gradually increased to β = 6, which is characterized by a high and stable deposition rate of the coating. A further increase in the asymmetry coefficient is not recommended, because with a further decrease in the anode component, the process switches to a mode close to constant current, and the quality of the coatings deteriorates. Due to the different values of the asymmetry coefficient, it is possible to obtain coatings with various physical and mechanical properties.

На основе проведенных испытаний оптимальными условиями способа электроосаждения сплава железо-алюминий являются условия, приведенные в примере:Based on the tests, the optimal conditions for the method of electrodeposition of the iron-aluminum alloy are the conditions given in the example:

Электролит состоит из следующих компонентов в количестве, кг/м³:The electrolyte consists of the following components in quantities, kg / m ³ :

хлористый алюминийaluminum chloride 350350 железо хлористое (II)iron chloride (II) 300300 железо сернокислое (II)iron sulfate (II) 300300 хлористый калий (натрий)potassium chloride (sodium) 9090 соляная кислотаhydrochloric acid 1,01,0

Процесс электролитического осаждения покрытия ведут при температуре 40°С и катодной плотности тока 50 А/дм². Процесс осаждения начинают с β=1,2 и постепенно в течение 3-5 минут повышают до β=6. Покрытие имеет Gcц=350 МПа, микротвердость Нµ=9000 МПа, скорость осаждения 0,45 мм/ч, содержание алюминия в покрытии 1,8%.The process of electrolytic deposition of the coating is carried out at a temperature of 40 ° C and a cathodic current density of 50 A / DM ² . The deposition process begins with β = 1.2 and is gradually increased to β = 6 over 3-5 minutes. The coating has Gcc = 350 MPa, microhardness Нµ = 9000 MPa, deposition rate of 0.45 mm / h, the aluminum content in the coating is 1.8%.

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.The proposed method has high performance due to the use of alternating asymmetric current. It is cost effective because coating deposition occurs at a high cathodic current density and has a high coating deposition rate. The coatings obtained by the proposed method have high microhardness and wear resistance, which allows them to be used in the national economy for the restoration and hardening of surfaces of machine parts.

Claims

The method of electrolytic deposition of an iron-aluminum alloy from an electrolyte containing aluminum chloride, iron chloride (II), iron sulfate (II), potassium chloride (sodium), hydrochloric acid, characterized in that the deposition is carried out from an electrolyte containing, kg / m ³ :
aluminum chloride 50-600 iron chloride (II) 100-400 iron sulfate (II) 100-400 potassium chloride (sodium) 80-100 hydrochloric acid 0.5-1.5

on an asymmetric alternating current with an asymmetry coefficient of 1.2-6, a cathode current density of 20-80 A / dm ² , an electrolyte temperature of 20-40 ° C and an acid pH of 0.8.