способ нанесения покрытия на сталь

Формула изобретения

Способ получения тонкопленочного оксида алюминия на стальных изделиях, включающий оксидирование изделий переменным током в электролите, отличающийся тем, что оксидирование осуществляют из водного раствора электролита, содержащего соль алюминия, пассиватор - нитрат натрия, катализатор - сульфат никеля, стабилизатор - этиленгликоль, буфер - борную кислоту, с использованием переменного асимметричного тока при соотношении катодной и анодной составляющих тока 2,5:1, напряжении 12 В и соотношении компонентов, г/л:

Сульфат алюминия Al2(SO4)3·18Н 2О	75,0-80,0
Борная кислота Н3ВО3	25,0-30,0
Нитрат натрия NaNO3	10,0-15,0
Сульфат никеля NiSO4·7Н2О	2,0-5,0
Этиленгликоль С2Н6O2	10,0-15,0

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электрохимии, в частности к нанесению упрочняющих и защитных покрытий на стальные изделия, и может быть использовано для работы в узлах трения, радиоэлектронной и лакокрасочной промышленности.

Известен способ получения оксида алюминия на подложке [пат. RU № 2129094, C01F 7/02, С23С 18/12. Способ получения тонкопленочного диэлектрика оксида алюминия в производстве металл - диэлектрик - полупроводник устройств. 1999. Т.Э.Саркаров, А.П.Адамов, Х.А.Хаспулатов] при температуре 180-400°С осаждением из газовой фазы за счет реакции между хлоридом алюминия, кислородом и окисью азота.

Недостатком этого способа является высокая трудоемкость и энергоемкость технологического процесса, невозможность нанесения тонкопленочного оксида алюминия непосредственно на стальные изделия ввиду чрезвычайно высокой агрессивности среды.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому способу является способ электролитического нанесения покрытия на стальное изделие. [пат. RU № 2241076, C25D 11/02. Способ электролитического нанесения покрытия на стальное изделие. 2004. Кусков В.Н., Кусков К.В.]

Недостатками этого способа являются высокие плотность тока (до 45 А/дм²) и температура (45-50°С), т.е. большая энергоемкость процесса; многостадийность процесса: на первом этапе наносили алюминиевую пленку на изделие и только затем проводили микроразрядное оксидирование; высокая токсичность компонентов электролита, из которого наносили алюминиевую пленку; недостаточно высокая прочность сцепления покрытия с основой.

Задачей изобретения является снижение энергоемкости и трудоемкости процесса нанесения оксида алюминия на сталь, повышение его экологической безопасности, повышение коррозионной стойкости и износостойкости поверхности стали, увеличение прочности сцепления оксида с основой.

Задача достигается тем, что оксид алюминия на поверхности стали формируется путем осаждения из водного раствора электролита, содержащего соль алюминия (Al ₂(SO₄)₃·18H₂O), пассиватор - нитрат натрия (NaNO₃), каталитическую - сульфат никеля(NiSO₄·7Н₂О), стабилизирующую - этиленгликоль (C₂H₆O₂) и буферную (Н₃ВО₃) добавки, с помощью переменного асимметричного тока.

Использование переменного асимметричного тока позволяет в катодный полупериод осаждать из электролита на поверхность стали ионы металла, входящие в состав соли, содержащейся в растворе электролита, а в анодный - окислять их до оксидов. Наличие в электролите пассиватора препятствует восстановлению ионов металла в катодный полупериод, а каталитическая добавка ускоряет процесс окисления. Вследствие процессов циклирования на поверхности стали образуется переходной слой из шпинели, представляющий собой смесь двух оксидов (стали и наносимого из раствора оксида), что обеспечивает высокую адгезию получаемого покрытия.

Предлагаемый способ получения оксида алюминия на стали позволил:

- значительно упростить процесс, исключив из него стадию предварительного формирования алюминиевой пленки на поверхности стали из токсичного электролита и только потом ее оксидировать;

- обеспечить экологическую безопасность процесса, исключив токсичные компоненты из раствора электролита;

- снизить в десятки раз плотность тока и напряжения при оксидировании;

- увеличить прочность сцепления оксида с основой за счет интенсификации диффузионных процессов на границе раздела сталь-оксид, приводящих к образованию сложных оксидов.

Новизной в предлагаемом изобретении является не только способ электроосаждения оксида алюминия из водного раствора электролита, но и состав электролита. Ни один из электролитов, используемых для получения оксида алюминия, не содержит в своем составе пассиватора, катализатора и стабилизирующей добавки.

Электроосаждение оксида алюминия из водного раствора осуществляли на предварительно подготовленной поверхности плоских образцов из стали марки Ст 3 размером 20×30×1 мм, по стандартной в гальванотехнике методике, электрохимической поляризацией переменным асимметричным током треугольной формы, частотой 50 Гц, с равной длительностью анодного и катодного импульсов, при определенном соотношении амплитуды токов анодного и катодного полупериодов в кислом электролите, содержащем соль алюминия, пассиватор, каталитическую и стабилизирующую добавки. Источником тока служило устройство, состоящее из двух диодов, включенных параллельно и проводящих ток в разных направлениях через регулируемые сопротивления.

В качестве катода использовали пластины из алюминия, размеры которых были в два раза больше размеров обрабатываемых образцов. Электролиз проводили при температуре 20-25°С и перемешивании раствора электромагнитной мешалкой. Длительность формирования оксидной пленки составляла 60 мин.

Для экспериментальной проверки предлагаемого способа были сформированы оксидные пленки из оксида алюминия на поверхности стали Ст 3.

Пример. Качественное покрытие из оксида алюминия получали из электролита следующего состава (при рН 3,5-4,0) г·л^-1:

Сульфат алюминия (Al2(SO4)3·18Н 2O)	75,0-80,0
Борная кислота (Н3ВО3)	25,0-30,0
Нитрат натрия (NaNO3)	10,0-15,0
Сульфат никеля (NiSO4·7Н2O)	2,0-5,0
Этиленгликоль (C2 H6O2)	10,0-15,0

при соотношении средних катодной и анодной составляющих тока 2,5:1, напряжении 12 В, температуре 20-25°С.

Состав вещества покрытия определяли методом растровой электронной микроскопии на микроскопе-микроанализаторе Камебакс-микро (Франция). Анализ подтвердил наличие оксида алюминия, осажденного на поверхности стали. Фазовый состав вещества покрытия - это смесь оксидов -Al₂O₃ и -Al₂O₃ и высокодисперсный алюминий (в совокупности до 75% (мас.)), остальное - сложные оксиды, состоящие из оксида алюминия и железа.

Прочность сцепления покрытия со сталью составляет 455 МПа. Коррозионные испытания в 3% (по массе) растворе хлорида натрия показали, что при нанесении оксида алюминия на поверхность стали защитные свойства металла по сравнению с незащищенной поверхностью повышаются в десятки раз, а в сочетании со фторопластсодержащим материалом после термообработки - в 100 и более раз. Износостойкость поверхности стали повышается в 7-9 раз и коэффициент трения, определенный на торцевой машине трения, равен 0,03.