способ получения металлических покрытий на поверхности стальных изделий

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ НА ПОВЕРХНОСТИ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ, заключающийся в том, что процесс формирования покрытий ведут в растворе, содержащем соль металла-покрытия, и при нагреве покрываемого изделия токами высокой частоты, отличающийся тем, что в качестве раствора, содержащего соль металла-покрытия, берут раствор хлорида меди при концентрации не ниже 0,25 а нагрев ведут при 1130 1180^oС.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нанесению металлических покрытий и может быть использовано для получения защитного, антифрикционного, электропроводного поверхностного слоя.

Известен способ меднения углеродистых сталей, включающий электролитическое меднение.

Наиболее близким является способ нанесения металлических покрытий на поверхность стальных изделий путем их обработки в растворе, содержащем соль металла покрытие при нагреве изделия токами высокой частоты.

К недостаткам известных способов следует отнести необходимость в предварительной подготовке омедняемой поверхности (зачистка, обезжиривание, травление), использование сложных растворов, включающих дефицитные химикаты, длительность процесса меднения и относительно невысокую механическую стойкость медного покрытия.

Представляет интерес способ, позволяющий покрыть сплошным слоем меди стальное изделие без предварительной очистки, с использованием простейшего раствора в течение короткого (секунды) времени.

Это достигается тем, что обработку изделия проводят в водном растворе хлорида меди при интенсивном нагреве его поверхности токами высокой частоты до предплавленного состояния в течение предельно короткого промежутка времени.

В известных способах ведется обработка специально очищенной и протравленной поверхности, так как без этого контактный процесс невозможен. Обработку ведут при нагревании, ускоряющем химический процесс, но недостаточно интенсивном, чтобы повлиять на свойства образующегося на поверхности изделия слоя меди.

Восстановление меди происходит взаимодействием ее ионов с присутствующими в растворе восстановителями. Это требует довольно жестких параметров по составу раствора, введения в него корректирующих добавок и т.д. При отклонениях от заданного содержания восстановителей и добавок, в особенности при достаточно высоком содержании меди, идет интенсивный процесс восстановления меди с образованием рыхлого опадающего осадка.

Основной недостаток способов состоит в том, что и при удовлетворительном проведении процесса образующегося слоя меди удерживается на поверхности только за счет адгезии и, следовательно, прочность его сцепления с поверхностью изделия невысока.

В прототипе отсутствует упоминание об использовании медьсодержащих растворов и о способе меднения поверхности изделия.

По предлагаемому способу возможна обработка поверхности изделия в разбавленных растворах хлорида меди, без добавления дополнительных ингредиентов и без предварительной очистки от продуктов коррозии и других загрязнений. Образующийся слой медного покрытия органично внедряется в поверхность изделия и составляет с ней единое целое, образуя твердый раствор, покрытый слоем чистой меди.

Это можно наблюдать визуально верхний красный слой (чистая медь) постепенно переходит в желтый (раствор меди в железе) и, наконец, в серебристо серый (железо) слой. Подтверждается это обстоятельство температурой плавления поверхностного слоя (1150^оС) и металлографическими исследованиями поперечного среза стального образца.

Полученный таким способом медный слой удерживается настолько прочно, что снимается только грубо-абразивным воздействием (наждачный круг, напильник) вместе с металлом основой изделия.

В процессе обработки происходит очистка поверхности изделия от загрязнений за счет явлений кавитации, возникающих при активном парообразовании, так как металл разогревается до температуры выше 1000^оС, а водный раствор имеет температуру не выше 70^оС.

Попадающий на разогретую деталь раствор мгновенно вскипает и образующийся перегретый пар сбивает загрязнения с поверхности. Одновременно идет химическое восстановление меди

Cu²⁺+2Cl^-=Cu⁰+Cl₂

Cu²+Fe⁰=Fe²+Cu⁰

При высокой температуре атомарная медь внедряется в поверхность изделия, образуя твердый раствор, на котором достаточно легко кристаллизуется медь, чему способствует резкое охлаждение поверхности при контакте с водным раствором.

Подогрев детали токами высокой частоты происходит очень быстро, поэтому и время прохождения всего процесса исчисляется секундами (см. примеры выполнения).

Большое значение имеет температура обработки. В опытах наблюдалось следующее: при комнатной температуре и относительно небольшом нагреве идет обычный процесс контактного восстановления меди с образованием рыхлого, легко смываемого слоя (особенно в достаточно крепких растворах); при высокой температуре (>800^оС) начинается бурно проходящий химический процесс; при температуре близкой к 1200^о, наблюдается плавление поверхности металла.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет, в определенных условиях, меднить поверхность стальных изделий без предварительной их подготовки.

П р и м е р. Исходные материалы:

трубка из Ст-3 диаметром 28 мм;

растворы хлорида меди CuCl₂ разных концентраций.

Методика обработки, образец длиной 15-20 см вставляется в специально устройство, позволяющее обработать трубку в динамическом (при одновременном вращении и поступательном движении) режиме. Трубка вставляется в двухвитковый индуктор, конец ее разогревается в течение 5 с, после чего включаются движение и вращение. Обработка заканчивается после прохождения всей трубки через индуктор со скоростью 6 мм/с, обеспечиваемой установкой. В процессе обработки изменялась концентрация раствора, температура обработки, скорость движения и вращения. Контроль по металлографическому анализу поперечного среза образца и измерению толщины обработанного слоя, которая является основным контрольным показателем. В показатель толщины слоя, приводимый в таблицах, входит поверхностный слой изделия, содержащий медь.

Методика опытов во всех примерах постоянна (по примеру 1), поэтому описание каждого опыта в виде примера опускается, приводятся только результаты, полученные при изменении отдельных параметров и приведенные в таблице.

Результаты опытов показывают, что обработку следует проводить при температуре поверхности образца 1130-1180^оС.

Концентрация раствора не ниже 0,25% практически не сказывается на качестве покрытия, но при ее повышении активизируется процесс контактного выделения меди в виде рыхлого осадка и непродуктивная ее потеря.

Скорость вращения заметного влияния не оказывает, но при слишком большом числе оборотов наблюдается небольшая неравномерность плотности покрытия, что является нежелательным, хотя и не очень существенным моментом, наилучшие результаты получаются при скорости вращения около 75 об/мин.