Способ получения многофункционального покрытия никель-бор
Изобретение относится к гальванотехнике, в частности к электрохимическому осаждению никелевых покрытий, и может быть использовано для получения многофункционального твердого, коррозионно-, термо- и износостойкого, а также защитно-декоративного покрытия в машиностроении. Способ включает электрохимическое осаждение покрытия при плотности тока 0,5-5,0 А/дм2, температуре 30-60°С из электролита при рН 2,5-5,5, содержащего 250-400 г/л никеля серно-кислого семиводного, 20-60 г/л никеля двухлористого шестиводного, 30-60 г/л борной кислоты, 0,01-2,0 г/л блескообразующих добавок, при этом перед электрохимическим осаждением покрытия в электролит вводят борирующую добавку, принадлежащую к классу неорганических или органических бороводородов и их солей. Технический результат: получение эластичных беспористых покрытий, удовлетворяющих высоким требованиям по коррозионной стойкости, твердости, термо- и износостойкости; получение больших толщин (до 0,25 мм) покрытия с сохранением заданных свойств по всей его толщине; возможность регулирования физико-механических и химических свойств покрытия; повышение стабильности процесса нанесения покрытия никель-бор за счет упрощения корректировки электролита по борирующей добавке; снижение времени выхода электролита на рабочие режимы и повышение процента выхода готовых изделий с заданными физико-механическими и химическими свойствами; повышение равномерности распределения бора в кристаллической решетке осаждаемого никеля. 1 з.п. ф-лы.
Изобретение относится к гальванотехнике, в частности к электрохимическому осаждению никелевых покрытий, и может быть использовано для получения многофункционального твердого, коррозионно-, термо- и износостойкого, а также защитно-декоративного покрытия в машиностроении.
Известны электролиты электрохимического осаждения покрытий никель-бор, содержащие в своих составах соли никеля, такие как никель серно-кислый, никель сульфаминовокислый, никель двухлористый, никель уксуснокислый, буферные добавки - борную кислоту, уксусную кислоту или малоновую кислоту, блескообразующие добавки - сахарин, формальдегид, "Прогресс", 1,4-бутиндиол и другие, стабилизаторы и смачиватели - натрий фтористый, СВ-102, ОС-20, акрилат-ионы и другие, а в качестве борирующей добавки соли высших бороводородов - декагидроборат натрия, полиэдрический борат (см. патент РФ №2080422 с приоритетом от 02.02.1993 г., патент РФ №2149927 с приоритетом от 08.06.1998 г, патент РФ №2058437 с приоритетом от 15.11.1993 г. и др.).
Недостатками указанных электролитов являются:
нестабильность процесса осаждения покрытия никель-бор, связанная со сложностью корректировки электролитов по борирующей добавке, высокая степень наводораживания покрытия, что делает его хрупким и напряженным, большая длительность проработки электролита после каждой корректировки до выхода на рабочие режимы и, как следствие, низкий % выхода изделий с заданными физико-механическими и химическими свойствами.
Известен также способ получения композиционных покрытий никель-бор, включающий электрохимическое осаждение никеля из стандартных электролитов никелирования и последующую термообработку в вакууме при температуре образования боридов никеля, по которому термообработку проводят в присутствии порошкообразной смеси, содержащей, мас.%:
| Углеродистый молибден | 25-30 |
| Гексафторсиликат никеля | 3-5 |
| Технический углерод | 1-5 |
| Борный ангидрид | 0,1-0,3 |
| Силицид никеля | Остальное |
(см. авторское свидетельство СССР №1664877 с приоритетом от 21.06.1989 г.).
Указанный способ получения композиционных покрытий никель-бор, как наиболее близкий аналог, может быть принят в качестве прототипа.
Недостатками прототипа являются:
- сложность регулирования процесса получения покрытия;
- невозможность получения больших толщин покрытия;
- невысокая степень воспроизводимости получения покрытия с заданными физико-механическими и химическими свойствами;
- неравномерность распределения борида никеля как по толщине, так и по площади поверхности покрытия;
- получение напряженных, хрупких и пористых покрытий.
Задачами, на решение которых направлено данное изобретение, являются:
- получение эластичных беспористых покрытий, удовлетворяющих высоким требованиям по коррозионной стойкости, твердости, термо- и износостойкости;
- получение больших толщин (до 0,25 мм) покрытия с сохранением заданных свойств по всей его толщине;
- возможность регулирования физико-механических и химических свойств покрытия;
- повышение стабильности процесса нанесения покрытия никель-бор за счет упрощения корректировки электролита по борирующей добавке;
- снижение времени выхода электролита на рабочие режимы и, как следствие, повышение % выхода готовых изделий с заданными физико-механическими и химическими свойствами;
- повышение равномерности распределения бора в кристаллической решетке осажденного никеля.
Согласно изобретению поставленные задачи решаются дозированным, в зависимости от суммарного времени работы электролита, введением в состав электролита борирующей добавки в виде разбавленного раствора заданной концентрации.
Процесс электрохимического осаждения покрытия никель-бор проводят из электролита, содержащего никель серно-кислый семиводный, никель двухлористый шестиводный, борную кислоту, блескообразующие добавки, борирующую добавку в виде одной из солей органических или неорганических бороводородов, при этом компоненты взяты в следующем соотношении, г/л:
| Никель серно-кислый семиводный | 250-400 |
| Никель двухлористый шестиводный | 20-60 |
| Кислота борная | 30-60 |
| Блескообразователи | 0,01-2,0 |
| Борирующая добавка | 0,01-2,0 |
при плотности тока 0,5-5,0 А/дм2, рН 2,5-5,5. температуре 30-60°С.
Используют борирующие добавки, принадлежащие к классу неорганических и органических бороводородов и их солей, такие как:
натрия боргидрид, гидразин боран, декагидроборат натрия, дикарбаунддекаборан, диметиламиноборан, морфинборан, высшие бороводороды и др.
Электролит готовят следующим образом:
предварительно соли никеля, кислоту борную, сахарина натриевую соль растворяют раздельно в дистиллированной воде при комнатной температуре.
Раствор фильтруют и смешивают. Затем к приготовленному раствору добавляют 1,4-бутиндиол и формальдегид.
Отдельно готовят раствор ДГБН с концентрацией 1-10 г/л или натрия боргидрид концентрацией 2-20 г/л, который вводят в электролит непосредственно перед началом электрохимического осаждения покрытия в количестве 50% от заданной концентрации. Проводят проработку электролита при плотности тока 1,0 А/дм2 в течение 1,5-2 часов. Вводят остальное количество борирующей добавки и проводят проработку электролита в том же режиме.
Подготовку поверхности деталей перед нанесением покрытия никель-бор проводят стационарными способами с использованием известных растворов.
Корректировку электролита проводят по результатам аналога.
Корректировку электролита по борирующей добавке проводят в процессе электроосаждения малыми объемами систематически после прохождения через электролит 0,1-0,6 А·ч/л в виде разбавленного раствора.
Для улучшения физико-механических и химических свойств, а также снижения наводораживания покрытия сушку деталей проводят при температуре 40-300°С в течение 15-120 мин.
Пример 1:
Нанесение покрытия на палец шарового шарнира.
Электрохимическое осаждение покрытия никель-бор на предварительно подготовленную поверхность основы деталей проводят в электролите, содержащем, г/л:
| Серно-кислый семиводный никель | 310 |
| Двухлористый шестиводный никель | 40 |
| Натриевая соль сахарина | 1,0 |
| Кислота борная | 40 |
| Формальдегид | 1,0 |
| 1,4-Бутиндиол | 0,5 |
| Декагидроборат натрия (ДГБН) | 0,1 |
| или | |
| Натрия боргидрид | 1,0 |
при рН 4,0, плотности тока 2,0 А/дм2 и температуре 45°С и времени 15 мин.
В течение 15 минут получают покрытие толщиной 9 мкм при загрузке на ванну в 700 л и плотности тока 220 А / 110 дм2.
Корректировку электролита проводят раствором декагидроборат натрия (ДГБН) концентрацией 2 г/л в количестве 375 мл или раствором натрия боргидрида концентрацией 4 г/л в количестве 400 мл.
Пример 2:
Нанесение покрытия на корпус свечи зажигания.
Электрохимическое осаждение покрытия никель-бор на предварительно подготовленную поверхность основы деталей проводят в электролите, содержащем, г/л:
| Серно-кислый семиводный никель | 300 |
| Никель двухлористый шестиводный | 35 |
| Натриевая соль сахарина | 1,2 |
| Кислота борная | 35 |
| Формальдегид | 1,1 |
| 1,4-Бутиндиол | 0,6 |
| Декагидроборат натрия (ДГБН) | 0,06 |
| или | |
| Натрия боргидрид | 1,5 |
при рН 4,5, плотности тока 2,5 А/дм2 и температуре 50°С и времени 20 мин.
В течение 20 минут получают покрытие толщиной 12 мкм при загрузке на ванну в 500 л и токе 150 А - 75 дм2.
Корректировку электролита проводят раствором декагидроборат натрия (ДГБН) концентрацией 8 г/л в количестве 120 мл или раствором натрия боргидрида концентрацией 16 г/л в количестве 150 мл.
Пример 3:
Нанесение покрытия на корпус свечи зажигания.
Электрохимическое осаждение покрытия никель-бор на предварительно подготовленную поверхность основы деталей проводят в электролите, содержащем г/л:
| Серно-кислый семиводный никель | 320 |
| Двухлористый никель шестиводный | 45 |
| Сахарин | 1,2 |
| Кислота борная | 45 |
| 1,4-Бутиндиол | 0,8 |
| Дикарбаунддекаборан | 0,05 |
при рН 3,5, плотности тока 1,5 А/дм2 и температуре 40°С и времени 30 мин.
В течение 30 мин получают покрытие толщиной 15 мкм при загрузке на ванну в 700 л и токе 150 А - 100 дм2.
Корректировку электролита проводят раствором дикарбаунддекаборана концентрацией 5 г/л в количестве 190 мл.
Пример 4:
Нанесение покрытия на палец шарового шарнира. Электрохимическое осаждение покрытия никель-бор на предварительно подготовленную поверхность основы деталей проводят в электролите, содержащем, г/л:
| Серно-кислый семиводный никель | 320 |
| Никель двухлористый шестиводный | 50 |
| Натриевая соль сахарина | 0,8 |
| Кислота борная | 50 |
| Формальдегид | 1,14 |
| Нафталиндисульфокислота | 0,6 |
| Морфинборан | 0,01 |
при рН 4,5, плотности тока 1,7 А/дм2 и температуре 48°С и времени 15 мин.
В течение 15 мин получают покрытие толщиной 6 мкм при загрузке на ванну в 700 л и токе 190-108 дм2.
Корректировку электролита проводят раствором морфинборана концентарцией 6 г/л в количестве 150 мл.
Полученное покрытие беспористое, хорошо сцеплено с основой, поверхность зеркальная. Покрытие износостойкое, обладает высокими коррозионными, антифрикционными свойствами. Указанные характеристики получаемого покрытия никель-бор позволяют использовать предложенный способ нанесения покрытия в машиностроении, в частности в автомобильной промышленности, для осаждения покрытия на поверхность шаровых пальцев передней подвески и рулевых тяг автомобилей.
Высокая стабильность электролита, эффективность способа нанесения покрытия никель-бор, возможность контроля состава и своевременной корректировки в процессе осаждения покрытия позволяют получать сравнительно большие толщины покрытий (до 0,25 мм) в одном электролите с сохранением заданных свойств в то время, как при применении известных способов большие толщины покрытий можно получить при послойном и неоднократном нанесении в различных условиях.
Основные физические свойства покрытия:
| ПР1 | ПР2 | ПР3 | ПР4 | |
| Микротвердость: без термообработки с термообработкой (300°С) ГПа | ||||
| Коэффициент трения: без термообработки | 0,1 | 0,09 | 0,12 | 0,14 |
| с термообработкой (300°С) | 0,06 | 0,06 | 0,08 | 0,1 |
| Износ в паре со ст 45 г/м2: без термообработки | 5,2 | 5,0 | 5,4 | 6,0 |
| с термообработкой (300°С) | 0,55 | 0,5 | 0,6 | 1,0 |
| Переходное электрическое сопротивление, Ом | 0,003 | 0,002 | 0,004 | 0,005 |
| Мин. рабочее напряжение (мкВ) | 6 | 7 | 6 | 10 |
| Мин. рабочие токи (мкА) | 0,08 | 0,085 | 0,09 | 1,0 |
Благодаря универсальности способа нанесения покрытия он имеет широкий диапазон применения и может быть использован не только для получения твердого, прочного, износо- и коррозионно-стойкого покрытия, но и одновременно декоративного покрытия на стали, чугуне, алюминии, меди, титане и других металлах.
1. Способ получения многофункционального покрытия никель-бор, включающий электрохимическое осаждение покрытия при плотности тока 0,5-5,0 А/дм2, температуре 30-60°С из электролита при рН 2,5-5,5, содержащего 250-400 г/л никеля серно-кислого семиводного, 20-60 г/л никеля двухлористого шестиводного, 30-60 г/л борной кислоты, 0,01-2,0 г/л блескообразующих добавок, при этом перед электрохимическим осаждением покрытия в электролит вводят борирующую добавку, принадлежащую к классу неорганических или органических бороводородов и их солей.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что борирующую добавку готовят заданной концентрации, вводят в электролит дозированно, в зависимости от суммарного времени работы электролита, в виде разбавленного раствора заданной концентрации.
