раствор для химического осаждения композиционных никелевых покрытий

Формула изобретения

Раствор для химического осаждения композиционных никелевых покрытий, содержащий сернокислый никель, уксуснокислый натрий и гипофосфит натрия при содержании, г/л: сернокислый никель 20, уксуснокислый натрий 10 и гипофосфит натрия 10, и инертные частицы, отличающийся тем, что инертные частицы имеют размеры 50-80 нм и концентрация их в растворе составляет 0,3 г/л, причем в качестве инертных частиц используются нанодисперсные частицы оксида алюминия.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области нанесения металлических покрытий и может быть использовано при химическом никелировании стальных деталей как с целью антикоррозионной защиты, так и для решения функциональных задач: увеличения микротвердости, износостойкости и жаростойкости, создания режущих слоев.

За прототип к заявленному изобретению принимаем патент РФ № 2108416, МПК С25D 15/00, опубликован 10.04.1998 г., сущность которого заключается в том, что в раствор химического никелирования, содержащий никель сернокислый, натрий уксуснокислый, гипофосфит натрия и инертные частицы, дополнительно введен препарат хромоксан, при этом содержание всех указанных компонентов должно быть в следующих соотношениях (г/л):

сернокислый никель 20

уксуснокислый натрий 10

гипофосфит натрия 10

хромоксан 0,1-0,2

Этот раствор по составу наиболее близок к заявленному. При введении в него инертных частиц (алмаз марки АСВ (размер частиц 63-80 мкм) и тальк (размер частиц 5-10 мкм) при температуре 92°C, кислотности pH 4,6 и плотности загрузки 1 дм²/л формируются композиционные химические покрытия с включенными в них частицами.

Недостатком прототипа является недостаточное включение инертных частиц в покрытие и неравномерность их распределения по всему объему покрытия (особенно по сложному профилю детали), низкая микротвердость и коррозионная стойкость покрытия. На отдельных участках покрываемой поверхности наблюдается избыток частиц, иногда перекрывающих друг друга, а на других участках - полное их отсутствие в никелевом покрытии. Малое количество соосажденных с никелем частиц и их неравномерное распределение приводит к получению различных характеристик покрытий на разных участках, что отрицательно сказывается на эксплуатационных свойствах изделия. Технической задачей изобретения является устранение указанных недостатков путем введения инертных частиц другой природы, увеличения количества включаемых в осадок никеля частиц, повышения равномерности их распределения в покрытии и улучшения физико-механических свойств никелевого покрытия.

Техническая задача решается в растворе для химического осаждения композиционных никелевых покрытий, содержащем сернокислый никель, уксуснокислый натрий, гипофосфит натрия, инертные частицы при следующем содержании, г/л:

сернокислый никель 20

уксуснокислый натрий 10

гипофосфит натрия 10

отличающийся тем, что инертные частицы имеют размеры 50 80 нм и концентрация их в растворе составляет 0,3 г/л, причем в качестве инертных частиц используются нанодисперсный порошок (НДП) оксида алюминия.

Преимущества раствора перед прототипом: достаточное внедрение частиц в покрытии, равномерное распределение частиц в покрытии, высокая микротвердость полученного никелевого покрытия, высокая коррозионная стойкость.

На фигуре 1 представлена схема нанесения композиционных никелевых покрытий. На фигуре 2 представлена поверхность никелевого покрытия: а) без частиц; б) с частицами. В таблице представлены результаты испытаний на микротвердость.

Покрытия наносим в стеклянном сосуде 1 (см. фиг 1).

Приготовление раствора 2 заключается в следующем. Вначале нагреваем дистилированную воду до температуры 60°C. Далее в отдельной фарфоровой емкости смешиваем некоторую часть воды с инертными частицами и путем растирания в течение 30 мин доводим до пастообразного состояния. Полученная концентрированная суспензия выливается в основную емкость при постоянном перемешивании. Далее в полученной суспензии растворяем сернокислый никель и уксуснокислый натрий. Получившийся раствор-суспензию нагреваем до температуры 80°C и добавляем гипофосфит натрия. После тщательного перемешивания поднимаем температуру до рабочей - 92°C.

В раствор помещаем стальные пластинки 3 (сталь 65Г, размер 100×15×2 мм), расположенные вертикально. Процесс химического никелирования осуществляем при режимах: температуре 92°C, кислотности pH 4,6, времени нанесения покрытия 1 ч. В качестве инертных частиц 4 используем нанодисперсный порошок (НДП) оксида алюминия (размер частиц 50 80 нм).

Концентрация НДП подобрана таким образом, чтобы обеспечить достижение максимального эффекта, оптимального количества включаемых в покрытие частиц, равномерности их распределения и улучшение физико-механических свойств никелевого покрытия. При снижении концентрации (менее 0,3 г/л) эффективность внедрения частиц снижается, при повышении частиц в растворе (более 0,3 г/л) ведет к избытку частиц в покрытии, тем самым снижаются функциональные свойства покрытия.

Визуально равномерность включения частиц в осадок химического никеля определяем подсчетом их количества в покрытии в поле зрения электронного микроскопа «MIRA II TESCAN» (Чехия). Для сравнения, фотографии структуры поверхностей никелевого покрытия без частиц а) и покрытия с внедренными частицами б) представлены на фиг.2 (×500).

Чтобы больше удостовериться в равномерности внедрения частиц и повышении микротвердости покрытия были проведены испытания на микротвердость согласно ГОСТ 9450-76 «Измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников» на приборе ПМТ-3. Измерение микротвердости проводили на тех же стальных пластинках в трех зонах (1 - верхняя часть пластинки, 2 - средняя часть пластинки, 3 - нижняя часть пластинки) по шесть измерений в каждой зоне, вычисляя среднее значение микротвердости в каждой зоне.

Результаты опытов, представленные в таблице, показывают, что применение в качестве инертных частиц НДП оксида алюминия с размерами частиц 50 80 нм и концентрацией их в растворе 0,3 г/л позволяет увеличить равномерность внедрения частиц в покрытие и повысить микротвердость покрытия в 1,9 раза по сравнению с покрытием без НДП.

Коррозионные испытания будем проводить согласно ГОСТ 9.308-85 при повышенной относительной влажности и температуре с периодической конденсацией влаги и введением агрессивной составляющей - хлористого натрия. Образцы необходимо взвесить на аналитических весах типа ВЛА-200М и поместить в камеру коррозионных испытаний.

Для проведения испытаний подготавливаем двенадцать образцов. На шесть из них наносим химическое покрытие никеля, на другие шесть - композиционное никелевое покрытие.

Для получения солевого тумана используем раствор хлористого натрия концентрацией 50 г/дм³. Образцы поместим в камеру коррозионных испытаний, которую нагреем до температуры 35°C. Продолжительность испытаний 12 ч. Распыление солевого тумана производим в начале каждого часа испытаний.

Коррозионную стойкость покрытий будем оценивать по потере массы образцов после удаления продуктов коррозии.

Удаление продуктов коррозии осуществим помещением деталей после испытаний в ванну с раствором (8%-ный раствор NaOH) и выдержим их в течение 20 мин при температуре 20°C.

В результате испытаний коррозионная стойкость композиционного никелевого покрытия в 2,2 раза выше, чем у чистого покрытия никеля.