способ и устройство для изготовления твердых покрытий с низкой степенью износа

Формула изобретения

1. Способ изготовления на металлической поверхности твердого покрытия с низкой степенью износа, содержащего никель и бор, включающий введение в контакт покрываемой металлической поверхности при включении напряжения осаждения с содержащим никель электролитом, который в виде дисперсной ванны содержит частицы бора или частицы соединений бора, причем содержащиеся в электролите частицы бора или частицы соединений бора во время процесса нанесения покрытия удерживают в дисперсном состоянии с помощью протекающего через электролит газа и предотвращают осаждение частиц, причем способ осуществляют в резервуаре, в котором газ протекает от дна резервуара через электролит до поверхности электролита, и в котором дно резервуара, по меньшей мере, частично выполнено герметичным для жидкости и пропускающим газ, который поступает в электролит через упомянутую часть дна резервуара, герметичную для жидкости и пропускающую газ.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что протекающий через электролит газ по существу препятствует воздействию силы тяжести.

3. Способ по одному из п. 1 или 2, отличающийся тем, что протекающий через электролит газ представляет собой, по меньшей мере, газ группы, состоящей из азота, кислорода, гелия, неона, аргона, углекислого газа, водорода или из их смеси.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что герметичная для жидкости и пропускающая газ часть дна резервуара выполнена в виде диафрагмы или мембраны.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что давлением газа на противоположной электролиту стороне герметичной для жидкости и пропускающей газ части дна резервуара регулируют осаждение частиц при нанесении покрытия.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в нем используют постоянное напряжение, импульсное напряжение или реверсивное импульсное напряжение.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что анод экранирован открытой для ионов и герметичной для шлама и диспергата мембраной.

8. Устройство для изготовления на металлической поверхности твердого покрытия с низкой степенью износа, содержащего никель и бор, способом по одному из пп. 1-7, содержащее резервуар для размещения электролита, в котором дно резервуара выполнено, по меньшей мере, частично герметичным для жидкости и пропускающим газ.

9. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что герметичная для жидкости и пропускающая газ часть дна резервуара выполнена в виде диафрагмы или мембраны.

10. Устройство по одному из п. 8 или 9, отличающееся тем, что оно снабжено приспособлением для регулирования давления газа на противоположной электролиту стороне герметичной для жидкости и пропускающей газ части дна резервуара.

11. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что анод экранирован открытой для ионов, но герметичной для шлама и диспергата мембраной.

12. Твердое покрытие на металлической поверхности с низкой степенью износа, содержащее никель и бор, отличающееся тем, что покрытие получено способом по одному из пп. 1-7.

13. Твердое покрытие по п. 12, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит, по меньшей мере, элемент группы, состоящей из Ti, Cr, V, Mn, Mo, Mg, Со, Сu, Zn, Nb, W, Sn, Al, Si, P, C, N или их соединений.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способу и устройству для изготовления содержащих никель и бор твердых покрытий с низкой степенью износа на металлические поверхности. Наряду с этим, изобретение относится также и к самим таким твердым покрытиям.

Из уровня техники известны различные виды нанесения на металлические поверхности, которые подвергаются высоким трибологическим или другим механическим нагрузкам, твердых покрытий. В качестве утвердившихся на практике способов нанесения твердых покрытий на металлические поверхности можно назвать PVD (физическое осаждение из паровой фазы), CVD (химическое осаждение из паровой фазы), наплавка, нанесение покрытий способом газопламенного напыления или также и гальванотехническое нанесение покрытий твердых металлов или сплавов твердых металлов.

Эти способы находят применение в области изготовление двигателей и здесь, например, в области изготовления конструктивных узлов, которые подвергаются высоким механическим нагрузкам, в частности клапанов, стержней клапанов, кулачковых валов и т.д. К другим областям применения можно отнести также и область гидравлики, или полиграфическую промышленность, в которой поршни или печатные валы должны иметь поверхности с низкой степенью износа, чтобы таким образом обеспечить максимальный срок службы.

Известные из уровня техники способы нанесения твердых покрытий на металлические поверхности обладают недостатками. С помощью таких способов, как упомянутый способ CVD, нанесение покрытий способом газопламенного напыления или наплавки, твердые покрытия можно наносить, как правило, только на изделия с простой геометрической конфигурацией или на относительно небольшие детали. Известные гальванотехнические методы часто не обеспечивают достаточной твердости нанесенного слоя

В документе GB 1236954 А описывается электролитическая ванна с долями твердых частиц, которые с помощью газового потока перемещаются относительно покрываемой поверхности. Газовый поток впрыскивается под давлением через сопло в ванну. Для того чтобы обеспечить распределение, газовый поток пропускают через фильтр, например, из спеченного металла.

В документе WO 2008/101550 описывается подача газового потока или потока жидкости в электролит, в котором также содержатся твердые частицы для обеспечения перемещения частиц относительно покрываемой поверхности валика. Скорость отложения регулируется с помощью вращения покрываемого валика.

В документе US 3081239 описывается подача сжатого воздуха в ванну для электролита по системе водопровода, которая снабжена соплами.

Далее в документе DE 2247956 описывается электролитическая ванна для никелирования, в которой находится 50-500 г/л распыленной керамики. Сжатый воздух подается в ванну через перфорированную трубу.

Во всех ранее известных системах в ванну подается в первую очередь газ, причем предпочтительно вдоль покрываемой поверхности формируется газовый поток. Этот поток практически должен подавать на покрываемую поверхность наносимые твердые частицы. Под действием возникающего, как правило, завихрения должен поддерживаться диспергат. При этом с помощью ранее известных систем регулирование скорости осаждения производить невозможно. Обеспечить контролируемое поступление через объем ванны также, как и контролируемое осаждение твердых частиц, на покрываемую поверхность невозможно.

Поэтому задача настоящего изобретения заключается в создании способа изготовления твердого покрытия на металлической поверхности, который по сравнению с известными из уровня техники способами обладает улучшенными характеристиками. Наряду с этим задача изобретения направлена на создание устройства для осуществления такого способа.

Поставленная задача в отношении способа решается с помощью способа изготовления содержащих никель и бор твердых покрытий с низкой степенью износа на металлической поверхности, причем покрываемая металлическая поверхность под воздействием напряжения осаждения контактирует с содержащим никель электролитом, который в виде дисперсной ванны содержит частицы бора и частицы соединений бора в соответствии с признаками пункта 1 формулы изобретения. Дальнейшие преимущества и признаки вытекают из зависимых пунктов формулы изобретения.

Согласно изобретению содержащиеся в электролите частицы бора или частицы соединений бора во время процесса нанесения покрытия удерживаются в дисперсном состоянии и при этом предотвращают осаждение частиц. Частицы бора или частицы соединений бора удерживаются в состоянии дисперсии предпочтительно с помощью пропускаемого через электролит газа. При этом газ протекает через электролит по существу против силы тяжести.

Газ, который протекает через электролит при осуществлении способа согласно настоящему изобретению, представляет собой, по меньшей мере, газ из группы, состоящей из азота, кислорода, гелия, неона, аргона, углекислого газа, водорода или их смесей. В одной из форм выполнения способа согласно настоящему изобретению в качестве газа используется воздух.

Способ согласно настоящему изобретению осуществляется в резервуаре, в котором газ со дна резервуара пропускается через электролит на поверхность. Дно резервуара, по меньшей мере, частично выполнено таким образом, что оно не пропускает жидкость, но пропускает газ, и газ протекает через герметичную для жидкости область дна, но через пропускающую газ часть дна в электролит. Однако в одной из форм выполнения способа согласно настоящему изобретению герметичная для жидкости область дна, но пропускающая газ часть дна выполнена в виде диафрагмы или в виде мембраны.

Система согласно настоящему изобретению обладает преимуществом, заключающимся в том, что с помощью мембраны, которая образует герметичную для жидкости область дна, но пропускающую газ часть дна можно создавать обладающий значительным пространственным размером бисерный газовый поток, так что диспергат поддерживается во всем объеме электролита и при этом исключаются отложения на дне. Наряду с этим можно производить регулирование осаждения с помощью наружного генерирования давления.

С помощью регулирования давления газа со стороны, которая расположена напротив электролита герметичной для жидкости области дна, но пропускающей газ области дна резервуара, можно согласно настоящему изобретению регулировать степень напыления. С помощью изменения давления газа происходит также и изменение протекающего через электролит газа, который в результате наличия выполненной в виде диафрагмы или мембраны герметичной для жидкости области дна, но пропускающей газ части дна резервуара, протекает в виде мелких пор через электролит. В результате этого можно регулировать степень дисперсности находящихся в электролите частиц.

Известно, что во время электролиза в области анода образуются осаждения частиц, которые производят так называемый анодный шлам. Из уровня техники известно, что вокруг анода формируют разновидность мешка для улавливания анодного шлама и для предотвращения его распределения в электролите. Однако при этом существует проблема, заключающаяся в том, что этот анодный мешок не обладает герметичностью для диспергата. В результате этого с течением времени анод спекается и неравномерно распределяет диспергат по всей высоте. Для технического решения изобретение предлагает экранировать анод открытой для ионов и герметичной для шлама и диспергата мембраной. В рамках изобретения под мембраной в этой взаимосвязи следует подразумевать оболочку из материала, который для соответствующего материала и соответствующего направления является герметичным и соответственно открытым.

Таким образом, обеспечивается условие, согласно которому анод не может спекаться и на основании дальнейшего исполнения согласно настоящему изобретению по всей высоте ванны электролита наблюдается одинаковое распределение диспергата. Свойство диспергата, которое заключается в способности связываться с ионами металла со стороны анода, возникает в результате кондиционирования, то есть проводящей способности.

В отношении диапазона температур, концентрации никеля, концентрации бора или концентрации соединений бора, размера частиц, диспергированных в электролите частиц бора или соединений бора, pH среды или приложенного напряжения осаждения, каких-либо ограничений не существуют. При этом в качестве напряжения можно прикладывать постоянное напряжение, импульсное напряжение или реверсивное импульсное напряжение. В рамках изобретения используются обычные диапазоны этих параметров.

В отношении устройства задача изобретения решается с помощью резервуара для размещения электролита, который отличается тем, что дно резервуара выполнено, по меньшей мере, частично герметичным для жидкости, но пропускающим газ.

Герметичная для жидкости область дна резервуара, но пропускающая газ часть дна резервуара выполнена преимущественно в виде диафрагмы.

Устройство согласно настоящему изобретению снабжено приспособлением для регулирования давления газа на расположенной напротив электролита стороне герметичной для жидкости области дна резервуара, но пропускающей газ области дна резервуара.

С помощью способа согласно настоящему изобретению, а также с помощью устройства можно производить осаждение на металлические поверхности содержащие никель и бор твердые покрытия.

Осажденные с помощью способа согласно настоящему изобретению, а также с помощью устройства согласно настоящему изобретению покрытия могут наряду с никелем и бором содержать и другие компоненты. Эти компоненты представляют собой, по меньшей мере, элемент из группы, состоящей из титана, хрома, ванадия, марганца, молибдена, магния, кобальта, меди, цинка, ниобия, вольфрама, олова, алюминия, силиция, фосфора, углерода или азота или соединения этих элементов.