электролит для осаждения композиционного покрытия никель-кобальт-оксид кремния-фторопласт
Классы МПК: | C25D15/00 Покрытия с включенными в них материалами, например частицами, спиральными пружинами, проволокой, получаемые электролитическим способом или способом электрофореза |
Автор(ы): | Балакай Владимир Ильич (RU), Иванов Валерий Владимирович (RU), Щербаков Игорь Николаевич (RU), Мурзенко Ксения Владимировна (RU) |
Патентообладатель(и): | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)" (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2012-04-26 публикация патента:
10.08.2013 |
Изобретение относится к области гальванотехники и может быть использовано в различных отраслях промышленности. Электролит содержит, г/л: хлорид никеля 200-350, хлорид кобальта 2-10, борную кислоту 25-40, хлорамин Б 1,5-3,0, оксид кремния 1-30, фторопластовую эмульсию Ф-4Д 7-35. Технический результат: получение мелкокристаллических, равномерных, самосмазывающихся покрытий с высокой износостойкостью и микротвердостью. 2 табл.
Формула изобретения
Электролит для осаждения композиционного покрытия никель-кобальт-оксид кремния-фторопласт, содержащий хлорид никеля, хлорид кобальта, борную кислоту, фторопластовую эмульсию Ф-4Д, хлорамин Б, отличающийся тем, что он дополнительно содержит оксид кремния при следующем соотношении компонентов, г/л:
хлорид никеля | 200-350 |
хлорид кобальта | 2-10 |
борная кислота | 25-40 |
хлорамин Б | 1,5-3,0 |
оксид кремния | 1-30 |
фторопластовая эмульсия Ф-4Д | 7-35 |
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области гальванотехнике, в частности, к осаждению композиционного покрытия никель-кобальт-фторопласт, с целью применения их в различных отраслях промышленности, в качестве износостойких покрытий. Чем выше эти характеристики, тем выше надежность и долговечность изделий и шире область их применения.
Известны электролиты для нанесения сплавов и композиционных покрытий на основе никеля с целью получения покрытий с повышенной износостойкостью следующего состава, г/л:
1. хлорид никеля 200-300, борная кислота 20-30, соль анионного полиэдрического бората (в пересчете на C2 B9H12B10H10 2-,B12H12
2-) 0,5-1,0, спирты ряда 2, 2, 6, 6 - тетраметилпиперидин 0,2-0,9, соляная кислота или гидрокись аммония (35%) до рН 1-5 (Гальванические покрытия сплавом никель-бор взамен хрома. Кукоз Ф.И., Кудрявцева И.Д., Сысоев Г.Н., Балакай В.И. // Теоретические основы технологии нанесения химических покрытий из металлов и сплавов: Тез. докл. Укр. республ. конф. - К., 1988. - С.34-35.).
2. хлорид никеля 200-300, борная кислота 25-35, соль анионного полиэдрического бората (в пересчете на C2 B9H12 В10Н10 B ]2HI2 2-) 0,5-6,0, фторопластовая эмульсия Ф-4Д 5-30 (Балакай В.И. Электролит для осаждения композиционного покрытия никель-бор-фторопласт. Пат. 2213812 Рос. Федерация, МПК 7 С25Д 15/00. - № 2002113832/02; заявл. 27.05.2002; опубл. 10.10.2003, Бюл. № 28.).
3. хлорид никеля 150-350, борная кислота 25-40, хлорамин Б 1,5-4,5, фторопластовая эмульсия Ф-4Д-Э 5-35 (Балакай В.И., Балакай И.В., Герасименко Ю.Я Электролит для осаждения композиционного покрытия никель-фторопласт. Пат. 2297476 Рос. Федерация, МПК 7 C25D 15/00. - № 2005130886/02; - заявл. 05.10.2005; опубл. 20.04.2007; Бюл. № 11.)
Однако покрытия, осажденные из данных электролитов, имеют недостаточную износостойкость.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению относится электролит для осаждения сплава композиционного электролитического покрытия никель-кобальт-фторопласт содержащий хлорид никеля, хлорид кобальта, борную кислоту, хлорамин Б и фторопластовую эмульсию при следующем соотношении компонентов, г/л:
хлорид никеля | 200-350, |
хлорид кобальта | 2-10, |
борная кислота | 25-40, |
хлорамин Б | 1,5-45 |
фторопластовая эмульсия Ф-4Д | 7-35. |
Режимы электролиза: рН 1,1-5,5, температура 18-40°С, катодная плотность тока 1,0-12,0 А/дм2 при перемешивании.
(Балакай В.И., Арзуманова А.В., Курнакова Н.Ю., Балакай И.В., Балакай К.В. Электролит для осаждения композиционного покрытия никель-кобальт-фторопласт Пат.2352694 Рос. Федерация, МПК С25Д 15/00. - № 2008110630/02; заявл. 19.03.2008; опубл. 20.04.2009, Бюл. № . 11.)
Покрытия осажденные из данного электролита имеют недостаточную износостойкость.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение износостойкости микротвердости.
Поставленная задача достигается тем, что электролит, содержащий хлорид никеля, хлорид кобальта, борную кислоту, фторопластовую эмульсию Ф-4Д-Э, хлорамин Б вводили оксид кремния, при следующем соотношении компонентов, г/л:
хлорид никеля | 200-350, |
хлорид кобальта | 2-10, |
борная кислота | 25-40, |
хлорамин Б | 1,5-3,0, |
оксид кремния | 1-30, |
фторопластовая эмульсия Ф-4Д | 7-35. |
Режимы электролиза: рН 1,5-5,5, температура 18-40°С, катодная плотность тока 1,0-11,0 А/дм2 при перемешивании механической мешалкой (50-100 об/мин).
Наличие оксида кремния в электролите позволяет электроосаждать композиционное покрытие никель-кобальт-оксид кремния-фторопласт с высокой износостойкостью.
Сплав никель-кобальт является хорошим конструкционным материалом, и поэтому большое значение имеет разработка на его основе покрытий обладающих высокой износостойкостью и низким коэффициентом трения. С целью увеличения износостойкости сплава никель-кобальт было предложено дополнительно вводить в покрытие фторопласт (так называемый самосмазывающий материал), который образует на поверхности композиционных покрытий никель-кобальт-фторопласт тонкую пленку из фторопласта в результате трения двух поверхностей друг о друге и раздавливанию фторопласта находящегося в покрытии (получены патенты № 2352693, 2352694). Однако из-за того, что покрытие обычно не имеют идеально гладкую поверхностью, то более твердое покрытие в последнем случае своими выступами должно разрушать самосмазывающий материал, который образуется на поверхности покрытий в виде фторопласта с большей скоростью и тем самым снижать износостойкость покрытий и их коэффициент трения. Кроме того основа должна иметь более высокую микротвердость. Поэтому было предложено с целью увеличения износостойкости покрытий и снижения коэффициента трения наносить на трущиеся изделия не композиционное покрытие никель-кобальт-фторопласт, а композиционное покрытие никель-кобальт-оксид кремния-фторопласт, т.к. покрытия при введении в электролит оксида кремния получаются более мелкокристаллическими, равномерными и имеют более высокую микротвердость. В настоящее время из носостойкие и самосмазываемые покрытия представляют определенный практический интерес.
Пример 1. Электролит готовили следующим образом. В электролитической ванне, заполненной до ¾ необходимого объема водопроводной водой, при температуре 60-70°С растворяли 25 г/л борной кислоты, 1,5 г/л хлорамина Б, 200 г/л хлорида никеля и 2 г/л хлорид кобальта, после того как довели уровень электролита до необходимого объема вводили 1 г/л оксида кремния, 7 г/л фторопластовой эмульсии Ф-4Д. рН электролита доводили либо соляной кислотой, либо гидроокисью натрия или калия (100-150 г/л).
Приготовление остальных электролитов, включающих среднее, верхнее и заграничные концентрации компонентов, которые приведены в табл.1, производили по методике описанной выше. А значения износостойкости покрытий, осажденных из каждого электролита, приведены в табл.2, соответственно.
Сравнительные эксплуатационные характеристики электролитов и физико-механические свойства композиционных покрытий никель-кобальт-оксид кремния-фторопласт, осажденных при температуре (18-40°С) из предлагаемого электролита и из прототипа никель-кобальт-фторопласт приведены в табл.2.
Таблица 1 | ||||||
Составы электролитов и режимы электролиза | ||||||
Состав электролитов и режимы электролиза | Концентрация компонентов, г/л | |||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | прот. | |
Хлорид никеля | 150 | 200 | 275 | 350 | 370 | 250 |
Хлорид кобальта | 1 | 2 | 6 | 10 | 15 | 6 |
Борная кислота | 20 | 25 | 32 | 40 | 45 | 30 |
Хлорамин Б | 1,0 | 1,5 | 2,2 | 3,0 | 3,5 | 3,0 |
Оксид кремния | 0,8 | 1 | 15 | 30 | 40 | - |
Фторопластовая эмульсия Ф-4Д (ТУ 6-05-041-508-79) | 5 | 7 | 20 | 35 | 38 | 20 |
рН электролита | 5,7 | 5,5 | 3,0 | 1,1 | 1,0 | 3,0 |
Температура, °С | 16 | 18 | 30 | 40 | 45 | 21 |
Катодная плотность тока, А/дм2 | 4 | 5 | 7 | 11 | 11 | 6 |
Граничные концентрации компонентов электролита выбраны по следующим соображениям:
1. Увеличение содержания никеля в электролите выше верхнего заявляемого предела нецелесообразно, что связано с предельной растворимостью хлорида никеля, уменьшением рассеивающей способности и стабильности электролита, ухудшением качества покрытий, увеличением расхода никеля за счет уноса электролита вместе с деталями;
2. Уменьшение содержания никеля в электролите ниже нижнего заявляемого предела приводит к уменьшению скорости процесса, снижению выхода по току и ухудшению качества осаждаемого покрытия;
3. Увеличение содержания кобальта в электролите выше верхнего заявляемого предела приводит к ухудшению качества покрытий, увеличению внутренних напряжений;
4. Уменьшение содержания кобальта в электролите ниже нижнего заявляемого предела приводит к ухудшению качества покрытий, снижению износостойкости покрытий;
5. Увеличение содержания борной кислоты в электролите выше верхнего заявляемого предела нецелесообразно. Это связано с пределом растворимости борной кислоты и ухудшением качества покрытий;
6. Уменьшение содержания борной кислоты ниже нижнего предела указанной концентрации приводит к уменьшению буферной емкости электролита, снижению выхода по току, интервалов работы электролита, ухудшению качества покрытий;
7. Увеличение содержания хлорамина Б выше верхнего заявляемого предела приводит к ухудшению качества покрытий, увеличению внутренних напряжений, снижению выхода по току и предельно допустимой катодной плотности тока;
8. Уменьшение содержания хлорамина Б ниже нижнего заявляемого предела приводит к ухудшению качества покрытий, увеличению внутренних напряжений;
9. Увеличение содержания оксида кремния выше верхнего заявляемого предела приводит к ухудшению качества покрытий, увеличению внутренних напряжений, снижению выхода по току и предельно допустимой катодной плотности тока;
10. Уменьшение содержания оксида кремния ниже нижнего заявляемого предела приводит к снижению износостойкости покрытий.
11. Увеличение содержания фторопластовой эмульсии выше верхнего заявляемого предела приводит к ухудшению качества покрытий, увеличению внутренних напряжений, снижению выхода по току и предельно допустимой катодной плотности тока.
Таблица 2 | ||||||
Физико-механические свойства покрытий | ||||||
Характеристики электролитов и композиционных покрытий никель-кобальт-оксид кремния-фторопласт и никель-кобальт-фторопласт | Электролиты | |||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | Прот. | |
Износостойкость в условиях граничного трения со сталью Ст 45 при нагрузке 20-30 кгс/см2, мкм/ч | 0,34 | 0,29 | 0,25 | 0,22 | 0,24 | 0,33 |
Микротвердость, ГПа | 7,1 | 7,9 | 8,4 | 8,8 | 9,1 | 6,4 |
Внутренние напряжения, МПа | 64,4 | 65,4 | 67,8 | 71,3 | 85,3 | 67,2 |
Сцепление с основной из стали, меди и ее сплавов | Удовлетворяет ГОСТ 9.302-84 | |||||
Содержание кобальта, мас.% | 0,5 | 1,6 | 4,4 | 6,9 | 9,1 | - |
Содержание оксида кремния, мас.% | 0,4 | 0,8 | 1,5 | 2,2 | 2,7 | - |
Содержание фторопласта, мас.% | 0,5 | 1,0 | 2,3 | 3,7 | 4,3 | 2,9 |
Стабильность, % | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
12. Уменьшение содержания фторопластовой эмульсии ниже нижнего заявляемого предела приводит к снижению износостойкости покрытий.
Как видно из табл.2, износостойкость композиционного покрытия никель-кобальт-оксид кремния-фторопласт, осажденного из заявляемого электролита, превышает износостойкость композиционного покрытия никель-кобальт-фторопласт, осажденного из прототипа в 1,3-1,4 раза при сохранении основных физико-механических свойств покрытий.
Это позволяет расширить область применения композиционного покрытия никель-кобальт-оксид кремния-фторопласт в качестве износостойкого покрытия в машиностроении.
Класс C25D15/00 Покрытия с включенными в них материалами, например частицами, спиральными пружинами, проволокой, получаемые электролитическим способом или способом электрофореза