CC BY
101
ПОВЫШЕНИЕ ПРОЧНОСТИ СЦЕПЛЕНИЯ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ С МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ОСНОВОЙ
В.И. Серебровский, А.Ю. Молодкин, Д.В. Колмыков, Л.Н. Серебровская, В.В. Бедин
Аннотация. Проведен анализ важнейших факторов, влияющих на прочность сцепления гальванических осадков с основным металлом. Дана схема формирования связи осадка с основой. Экспериментально установлены оптимальные режимы осаждения электролитического железа, обеспечивающие высокую прочность сцепления с основой.
Ключевые слова: прочность сцепления, гальванические осадки, оптимальный режим, электролитическое железо.
Важнейшей характеристикой электролитических покрытий является прочность их сцепления с основой. Реализация всех положительных качеств покрытий возможна лишь в том случае, если они прочно держатся на поверхности детали.
Прочность сцепления покрытий с основным металлом определяется силами притяжения, действующими между атомами основного металла и покрытия. Эта прочность зависит от многих факторов, главными из которых являются физико-химические свойства металлов (основного и осаждаемого), структура основы и состояние поверхности, на которую производится осаждение.
Наибольшая прочность сцепления, а во многих случаях и сама возможность осаждения, имеет место если кристаллическая решётка покрытия будет в большей или меньшей степени когерентным продолжением кристаллической решётки основы. Известно [1], что воспроизводство кристаллической решётки основного металла в гальваническом покрытии возможно, если их параметры отличаются не более чем на 10... 15%. В противном случае (при большей разнице параметров) атомы осаждаемого металла, разряжающиеся на поверхности катода из ионов, которые подходят к ней из электролита, оказываются не связанными с атомами основы и покрытие как таковое не образуется.
Наряду с характеристиками кристаллических решёток осаждаемого металла и основы, на прочность сцепления гальванического осадка значительно влияет структура основы. В сплавах железа с углеродом, например, структура в равновесном состоянии представлена двумя фазами - ферритом и цементитом, входящим в состав перлитных зерен. Как известно, феррит практически не содержит в своём составе углерода и этим он подобен безуглеродистому гальваническому железу, параметры их ОЦК решёток (а - железу) практически совпадают. Можно с некоторым допущением считать, что участки феррита на покрываемой поверхности и гальваническое железное покрытие имеют когерентную связь и высокую прочность сцепления.
По современным представлениям [2] поверхность металла в обычном состоянии (без подключения электрического потенциала) состоит из участков, значительно отличающихся по степени активности, т.е. по способности адсорбировать атомы из окружающей среды. При электролизе металл из электролита кристаллизуется на более активных участках поверхности и в дальнейшем на этих участках происходит преимущественный рост уже образовавшихся кристаллов. Осаждение на менее активных местах катода, еще не покрытых электролитическим осадком, все более затрудняется в связи с тем, что образование новых зародышей на чужеродном катоде требует гораздо большего перенапря-
жения (подвода энергии), чем рост кристаллов уже на готовых зародышах. Кроме того, непокрытые участки катода интенсивно окисляются при соприкосновении с электролитом и еще более теряют активность, растущие же кристаллы, непрерывно обновляющие поверхность, сохраняют свою активность.
Поэтому для получения качественного гальванического покрытия, прочно связанного с основой, необходимо выровнять активность всех участков поверхности катода. Это достигается с помощью специального технологического приема, который называется пассивированием. При пассивировании поверхность катода в электролизной ванне без подключения тока покрывается тонкой (в несколько атомных слоев) окисной пленкой, причем на более активных участках образуется более толстая пленка, а на менее активных участках -менее толстая, при этом активность поверхности выравнивается.
При включении напряжения окисная пленка начинает восстанавливаться до металла атомарным водородом, выделяющимся на поверхности катода. Так как на менее активных участках катода пленка будет тоньше, то она может восстановиться раньше, и эти участки раньше покроются осажденным металлом. В следующие промежутки времени восстанавливается более толстая пленка на более активных участках исходного металла, и эти участки также покрываются осажденным металлом. Таким образом, создается сплошной слой покрытия.
Прочность сцепления гальванических покрытий с основным металлом в решающей степени зависит от режимов электролиза. Они должны быть такими, хотя бы в начальный период электроосаждения, чтобы появилась возможность для проявления в максимальной степени сил взаимодействия растущего осадка и металла подложки.
Для прочного сцепления с основой покрытий, осаждаемых на асимметричном токе, необходимо предусматривать так называемый разгонный цикл, при котором плотность катодного тока и коэффициент асимметрии плавно повышается с минимальных значений до рабочего уровня. При этом первые слои покрытия осаждаются в условиях, обеспечивающих максимальную прочность сцепления осадка с подложкой.
Для исследования влияния условий электролиза на прочность сцепления железного покрытия с малоуглеродистой сталью (сталь 10) был проведен эксперимент с использованием хлористого электролита и асимметричного электролизного тока.
При подготовке поверхности обезжиривание проводили венской известью (3 части окиси кальция и 1 часть окиси магния), после обезжиривания проводили анодное травление в 30 %-ном растворе серной кислоты с добавлением 20 г/л сернокислого железа. Плотность тока 40 А/дм2, продолжительность травления - 3 мин. Качество подготовки поверхности проверяли визуально - правильно протравленная поверхность должна иметь характерный матовый, тускло-серебристый цвет.
Осаждение железного покрытия проводили в хлористом электролите (500 г/л FeQ2•4ШО) при температуре 30 °С. В эксперименте изменяли коэффициент асимметрии и плотность тока. Результаты опытов представлены на рисунке 1.
поверхности детали и покрытия и, как следствие, к уменьшению прочности сцепления.
Список использованных источников
1 Мелков М.П., Швецов А.Н., Мелкова И.М. Восстановление автомобильных деталей твердым железом . - М.: Транспорт, 1982. - 198 с.
2 Каданер Л.И. Защитные пленки на металлах. -Харьков: Изд-во Харьковского университета. 1956. -316 с.
Информация об авторах
Серебровский Владимир Исаевич, доктор технических наук, проректор по учебной работе, профессор кафедры электроснабжения и электрооборудования ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА».
Молодкин Артем Юрьевич, аспирант ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА».
Колмыков Денис Валерьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры электроснабжения и электрооборудования ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА».
Серебровская Людмила Николаевна, кандидат технических наук, доцент кафедры технологии металлов и ремонта машин ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА».
Бедин Василий Викторович, соискатель РГАЗУ.
Рисунок 1 - Зависимости прочности сцепления электролитического железа с основой (сталь 10), от плотности катодного тока (а) и коэффициента асимметрии (б)
Как видно из приведенных данных, повышение плотности катодного тока, и особенно увеличение коэффициента асимметрии тока при осаждении железа ведут к снижению прочности сцепления гальванического осадка с основой. Поэтому для обеспечения высокой прочности сцепления необходимо начинать осаждение при минимальных плотностях тока и низких значениях коэффициента асимметрии. В результате использования плавного разгонного режима появляется возможность получать прочность сцепления покрытия в пределах ссц = 280...300 МПа, а в некоторых случаях и выше.
Исходя из проведенных опытов, для обеспечения высокой прочности сцепления железного покрытия с основой можно рекомендовать следующий порядок подготовки поверхности и начала электролиза: обезжиривание;
промывка в горячей, затем холодной воде; анодное травление в 30%-ном растворе серной кислоты;
промывка в холодной воде;
завешивание в ванну для железнения и выдержка без тока 30...60 сек;
начальная плотность тока Dk= 3...5 А/дм, коэффициент асимметрии в = 1,5...2;
плавный, в течение 10 мин, подъём режимов электролиза до в = 6 и Dk=25...50 А/дм2.
Наряду с выбором оптимальных режимов электролиза и тщательной подготовкой поверхности на прочность сцепления гальванического осадка и основного металла большое влияние оказывает и шероховатость покрываемой поверхности. Высота неровностей на ней не должна превышать 10...20 мкм.
При больших неровностях происходит экранирование глубоких впадин поверхности катода (плотность тока во впадинах меньше, чем плотность тока на возвышенностях), что приводит к уменьшению контактной
