способ приготовления электролита для получения композиционных покрытий на основе металлов

Формула изобретения

1. Способ приготовления электролита для получения композиционных покрытий на основе металлов, включающий введение в электролит дисперсной фазы в виде твердых субмикрочастиц, отличающийся тем, что электролит с дисперсной фазой диспергируют до состояния высокодисперсного метастабильного коллоида воздействием ультразвуковых колебаний.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дисперсную фазу перед введением в электролит предварительно очищают от загрязнений в ультразвуковой ванне.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к гальванотехнике, в частности к способам приготовления электролитов для получения композиционных покрытий на основе металлов с включением твердых субмикрочастиц, и может быть использовано в машиностроительной и инструментальной промышленности для увеличения износостойкости и твердости покрытий.

Повышенные физико-механические характеристики композиционных покрытий определяются уникальными свойствами частиц дисперсной фазы в электролите, в частности размером частиц, их природой, устойчивостью к седиментации и коагуляции. Физико-механические характеристики покрытий зависят также от количества частиц дисперсной фазы в покрытии. При этом с уменьшением размеров твердых микрочастиц и увеличением их количества в покрытии указанные характеристики повышаются.

В известных из уровня техники решениях электролиты для получения композиционных покрытий получают простым перемешиванием компонентов. При этом с целью повышения содержания дисперсной фазы в покрытии в электролиты вводят стабилизирующие добавки, в частности поверхностно-активные вещества (ПАВ).

Известен способ приготовления электролита для осаждения композиционных покрытий на основе никеля, по которому в электролит, наряду с твердыми неэлектропроводными микрочастицами дисперсной фазы, вводят амфотерное ПАВ, имеющее в своем составе по меньшей мере одну аминогруппу и одну карбоксигруппу или смесь соединений, содержащую одну из этих групп [1]

Вводимые в рассматриваемый электролит амфотерные ПАВ, адсорбируясь на частицах дисперсной фазы, способствуют миграции частиц дисперсной фазы к катоду, что приводит к повышению содержания дисперсной фазы в покрытии. Вместе с тем за счет сохранения стабилизирующего действия ПАВ на частицы дисперсной фазы в непосредственной близости от катода дисперсная фаза в покрытии характеризуется наименьшими размерами включений.

Изменение свойств электролитов введением стабилизирующих добавок в виде ПАВ требует для разных электролитов подбора определенных качественных и количественных характеристик стабилизирующих добавок, что снижает универсальность способа и повышает его трудоемкость.

Кроме того, применение ПАВ целесообразно для электролитов, в которых частицы твердой дисперсной фазы имеют довольно крупные размеры. Это объясняется тем, что молекулы ПАВ сами по себе велики, а их действие основано на равномерном распределении на межфазной поверхности.

Наиболее близким к предлагаемому является способ приготовления электролита для получения композиционных покрытий на основе хрома, включающий введение в электролит дисперсной фазы в виде твердых кластерных частиц алмаза размером 0,001-0,01 мкм в количестве 5-40 г/л [2]

Малый размер кластеров алмазов и их высокая физико-химическая активность обеспечивают в известном способе получение покрытий с повышенной твердостью и износостойкостью.

Указанный способ приготовления электролита не предусматривает измельчения частиц дисперсной фазы и изменения их энергетического состояния для адсорбирования ионов электролита, способных осуществлять массоперенос частиц дисперсной фазы в электрическом поле ванны. Массоперенос частиц по направлению к катоду осуществляется в анализируемом способе преимущественно инерционными силами гидропотока за счет малой инерционности кластеров алмазов с размерами частиц 0,001-0,01 мкм. Ограниченные возможности массопереноса и, как следствие, относительно небольшое количество частиц в покрытии, вместе с недостаточно высокой степенью дисперсности частиц, приводят к получению сравнительно невысоких физико-механических характеристик покрытия.

Свойствами кластерных алмазов обеспечивается в анализируемом способе также относительная устойчивость суспензии кластерных алмазов в электролите, которая, тем не менее, требует обязательного перемешивания перед началом работы. Однако, в электролите при некоторых условиях наблюдается явление коагуляции объединение микрочастиц в частицы более крупного размера при нейтрализации зарядов этих частиц. При этом дисперсная система стремится перейти в грубодисперсную с большим размером частиц, обладающую свойствами суспензии. Коагуляцию и седиментацию алмазов может вызвать введение в электролит различных добавок, например, для уменьшения поверхностного натяжения электролита или уменьшения испарения. В результате седиментационные характеристики электролита снижаются.

Цель изобретение создание универсального способа приготовления электролита для получения композиционных покрытий на основе металлов с дисперсной фазой в виде твердых субмикрочастиц, который обеспечивал бы более высокую седиментационную и агрегативную устойчивость и повышение физико-механических характеристик покрытий за счет повышения степени дисперсности частиц дисперсной фазы до уровня первоначальных образований и кристаллитов.

Цель достигается тем, что в известном способе приготовления электролита для получения композиционных покрытий на основе металлов, включающем введение в электролит дисперсной фазы в виде твердых субмикрочастиц, согласно изобретению электролит с дисперсной фазой диспергируют до состояния высокодисперсного метастабильного коллоида воздействием ультразвуковых колебаний.

В частном случае выполнения, согласно изобретению дисперсную фазу перед введением в электролит предварительно очищают от загрязнений в ультразвуковой ванне.

Под воздействием энергии ультразвуковых колебаний осуществляется диспергирование тонкое измельчение твердых субмикрочастиц до уровня первоначальных образований или кристаллитов.

Под влиянием ультразвукового воздействия частицы дисперсной фазы приобретают большое количество энергии, достаточное для перехода в состояние высокодисперсного метастабильного коллоида с увеличением вязкостных свойств электролита. В результате повышения вязкости среды повышается седиментационная устойчивость электролита. Агрегативная устойчивость и длительное существование (хранение) высокодисперсной системы обеспечивается за счет электростатического отталкивания диффузных частей двойного электрического слоя, который образуется при адсорбции ионов электролита на поверхности частиц.

Обработанный ультразвуковым полем электролит для получения композиционных покрытий вместе с седиментационной и агрегативной устойчивостью приобретает новое свойство, которое проявляется в процессе электроосаждения покрытий. Это свойство заключается в том, что ионы электролита, адсорбируясь на частицах дисперсной фазы, осуществляют массоперенос указанных частиц в электрическом поле ванны по направлению к катоду. Это приводит к увеличению количества частиц в покрытии.

За счет увеличения количества частиц в покрытии и уменьшения их размеров до предельно малых значений повышаются физико-механические характеристики покрытий.

Кроме того, предварительная очистка дисперсной фазы от загрязнений в ультразвуковой ванне способствует повышению адгезионной способности частиц дисперсной фазы, что, в свою очередь, увеличивает возможность массопереноса частиц дисперсной фазы ионами электролита и приводит к увеличению количества частиц дисперсной фазы в покрытии и повышению их физико-механических характеристик.

Предлагаемый способ приготовления электролита для получения композиционных покрытий на основе металлов включает следующую последовательность операций:

дисперсную фазу в виде твердых субмикрочастиц перед введением в электролит предварительно очищают от загрязнений в ультразвуковой ванне (в частном случае выполнения);

дисперсную фазу в виде твердых субмикрочастиц вводят в электролит;

электролит с дисперсной фазой диспергируют до состояния высокодисперсного метастабильного коллоида воздействием ультразвуковых колебаний.

Для подтверждения результатов было приготовлено несколько сульфатных электролитов для получения медных, никелевых и хромовых покрытий. В качестве дисперсной фазы использовали порошок ультрадисперсных кластерных алмазов с размерами частиц 0,001 0,1 мкм. Перед введением в электролиты порошок предварительно очищали от загрязнений в ультразвуковой ванне. В приготовленные электролиты очищенный порошок засыпали при концентрации 30 г/л. Затем каждый из электролитов подвергали воздействию ультразвуковых колебаний в ультразвуковом концентраторе с энергией теплоты адсорбции 20-40 кДж/моль. Обработку ультразвуковыми колебаниями осуществляли до перехода дисперсной системы в состояние высокодисперсного метастабильного коллоидного раствора с увеличенной вязкостью. Состояние электролитов контролировали седиментационным анализом.

Обработка дисперсной системы электролита не эффективна, если недостаточна дозировка ультразвукового воздействия. При этом передозировка приводит к агрегатированию частиц. Приготовленные растворы электролитов высокодисперсного состава обладают высокой седиментационной и агрегативной устойчивостью в пределах pH 2,2 8,0, стабильной работоспособностью, обеспечивают повышенные физико-механические характеристики покрытий. Это подтверждается результатами сравнительных анализов, представленных графически.

На фиг. 1 изображен график зависимости относительной скорости оседания ультрадисперсных кластерных алмазов из различных электролитов от времени, где: t время в мин; k относительная скорость оседания; кривые 1, 2, 3 - представляют зависимости соответственно для никелевого, хромового и медного сульфатных электролитов, приготовленных простым перемешиванием раствора; кривые 4, 5, 6 представляют зависимости соответственно для никелевого, хромового и медного сульфатных электролитов, приготовленных с помощью ультразвукового воздействия; на фиг. 2 график зависимости микротвердости хромового покрытия, измеренной прибором ПМТ-2 при нагрузке на индентор 20 г, от объемных процентов внедренной фазы ультрадисперсных кластерных алмазов, где: 6 число объемных процентов внедренной фазы ультрадисперсных кластерных алмазов; H микротвердость в ГПа; 1 максимальное значение микротвердости композиционных хромовых покрытий, осаждаемых из электролитов, полученных простым перемешиванием.

Кривые 1, 2, 3 представляют зависимости при осаждении из электролитов с введенной дисперсной фазой кластерных алмазов, состоящих из фракций соответственно 0,001 0,02 мкм, 0,03 0,06 мкм, 0,05 0,1 мкм, приготовленных с помощью ультразвукового воздействия.

Из графика, представленного на фиг.1, видно, что относительная скорость оседания частиц ультрадисперсных кластерных алмазов в никелевых, хромовых и медных сульфатных электролитах, приготовленных традиционным перемешиванием раствора (кривые 1, 2, 3), намного превышает относительную скорость тех же частиц в электролитах, диспергированных ультразвуковым воздействием (кривые 4, 5, 6), следовательно, седиментационная устойчивость последних повышается. Как показали наблюдения и испытания, электролиты, приготовленные посредством ультразвукового воздействия переходят в состояние высокодисперсного коллоидного раствора, с характерными свойствами золь-гель, который восстанавливает свои свойства при незначительном перемешивании, так как сохраняет свойства пептизации и тиксатропии в течение длительного времени.

Как отмечено на графике, представленном на фиг.2, микротвердость хромовых покрытий, приготовленных с помощью ультразвукового воздействия, превышает микротвердость покрытий, полученных осаждением из электролитов, приготовленных традиционным способом, при этом микротвердость возрастает с увеличением процентного содержания ультрадисперсных кластерных алмазов в объеме металла.

Таким образом, приведенными данными подтверждается, что способ приготовления электролита по изобретению позволяет повысить устойчивость электролита, увеличить содержание частиц в покрытии при уменьшении их размеров и тем самым улучшить эксплуатационно-технические качества покрытий.

Этот способ может быть использован в различных областях машиностроения для получения износостойких композиционных покрытий.