Электролит для осаждения композиционного покрытия никель-фторопласт
Владельцы патента RU 2297476:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)", ГОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ) (RU)
Изобретение относится к области электрохимии, в частности к электрохимическому нанесению композиционного покрытия никель-фторопласт. Электролит содержит, г/л: хлорид никеля 150-350, борную кислоту 25-40, хлорамин Б 1,5-4,5, фторопластовую эмульсию Ф-4Д-Э 7-35. Технический результат: повышение износостойкости покрытий. 2 табл.
Изобретение относится к области гальванотехнике, в частности к осаждению композиционного покрытия никель-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. сульфат или сульфамат никеля или кобальта 100-250, хлорид никеля 15-20, борная кислота 15-20, соль анионного полиэдрического бората общей формулой MzCnВmНх (где М - натрий, калий или аммоний, z=1, n=0, 2, m=3, 9, 10, 12, x=8, 10, 12) 0,03-0,45 (а.с. СССР №1129974, 1981);
2. хлорид никеля или кобальта 10-20, сульфамат никеля или кобальта 50-200, борная кислота 25-30, алкилпроизводное бората общей формулой C2B9H12NHnRm (где R - алкил, n=0, 1, 2, 3, m=1, 2, 3, 4) 0,5-4,0 (а.с. СССР №527488,1974);
3. хлорид никеля 60, сульфат никеля 300, борная кислота 30, Cr2O3 100 (TiO2 25, TiC 50) (Сайфуллин Р.С. Композиционные покрытия и материалы. - М.: Химия, 1977. - 272 с.);
4. хлорид никеля 200-300, борная кислота 20-30, соль анионного полиэдрического бората (в пересчете на C2B9H12 2-, В10Н10 2-, В12Н12 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.).
Однако покрытия, осажденные из данных электролитов, имеют недостаточную износостойкость.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению относится электролит для осаждения сплава никель-бор-фторопласт, содержащий хлорид никеля, борную кислоту, соль анионного полиэдрического бората и фторопластовую эмульсию при следующем соотношении компонентов, г/л:
| хлорид никеля | 200-300 |
| борная кислота | 20-30 |
| соль анионного полиэдрического бората | |
| (в пересчете на С2 В9Н122-, В10Н102-, B12H122-) | 0,5-1,0 |
| фторопластовая эмульсия Ф-4Д-Э | 5-30 |
Режимы электролиза: рН 1,0-5,0, температура 23-27°С, катодная плотность тока 4-10 А/дм2 (патент №2213812 РФ, МКИ C25D 15/00. Электролит для осаждения композиционного покрытия никель-бор-фторопласт / В.И.Балакай (РФ). - №2002113832/02; Заявл. 27.05.2002; Опубл. 10.10.2003; Бюл. №28. - 4 с.).
Покрытия, осажденные из данного электролита, имеют недостаточную износостойкость.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение износостойкости.
Поставленная задача достигается тем, что электролит, содержащий хлорид никеля, борную кислоту, фторопластовую эмульсию Ф-4Д-Э, хлорамин Б, отличается тем, что он содержит компоненты при следующем соотношении, г/л:
| хлорид никеля | 150-350 |
| борная кислота | 25-40 |
| хлорамин Б | 1,5-4,5 |
| фторопластовая эмульсия Ф-4Д-Э (ТУ 6-05-041-508-79) | 7-35 |
Режимы электролиза: рН 1,1-5,5, температура 18-40°С, катодная плотность тока 0,5-14,0 А/дм2 при перемешивании.
Наличие фторопластовой эмульсии в электролите позволяет электроосаждать композиционное покрытие никель-фторопласт с высокой износостойкостью.
Никель является хорошим конструкционным материалом, и поэтому большое значение имеет разработка на его основе покрытий, обладающих высокой износостойкостью и низким коэффициентом трения. В связи с этим был разработан материал на основе никеля в виде сплава никель-бор, который обладает высокой твердостью и износостойкостью (получено авторское свидетельство №1387528). С целью увеличения износостойкости сплава никель-бор было предложено дополнительно вводить в покрытие фторопласт (так называемый самосмазывающий материал), который образует на поверхности композиционного покрытия никель-бор-фторопласт тонкую пленку из фторопласта в результате трения двух поверхностей друг о друга и раздавливания фторопласта, находящегося в покрытии (получены патенты №2213812, 2213813). Однако из-за того, что покрытие обычно не имеет идеально гладкую поверхностью, 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 снижает износостойкость покрытий и их коэффициент трения. Поэтому было предложено с целью увеличения износостойкости покрытий и снижения коэффициента трения наносить на трущиеся изделия не композиционное покрытие никель-бор-фторопласт, а композиционное покрытие никель-фторопласт. В настоящее время износостойкие и самосмазываемые покрытия представляют определенный практический интерес.
Пример 1. Электролит готовили следующим образом. В электролитической ванне, заполненной необходимого объема водопроводной водой, при температуре 60-70°С растворяли 25 г/л борной кислоты, 1,5 г/л хлорамина Б и 150 г/л хлорида никеля, после того как довели уровень электролита до необходимого объема, вводили 7 г/л фторопластовой эмульсии Ф-4Д-Э. рН электролита доводили либо соляной кислотой, либо гидроокисью натрия или калия (100-150 г/л). Износостойкость покрытия, осажденного из данного электролита, равна 0,74 мкм/ч.
Приготовление остальных электролитов, включающих среднее, верхнее и заграничные концентрации компонентов, которые приведены в табл.1, производили по методике, описанной выше. Значения износостойкости покрытий, осажденных из каждого электролита, приведены в табл.2 соответственно.
Сравнительные эксплуатационные характеристики электролитов и физико-механические свойства композиционных покрытий никель-фторопласт и сплава никель-бор-фторопласт, осажденных при температуре (18-40°С) из предлагаемого электролита и из прототипа никель-бор-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 | 130 | 150 | 250 | 350 | 370 | 250 |
| Борная кислота | 20 | 25 | 32 | 40 | 45 | 30 |
| Хлорамин Б | 1,0 | 1,5 | 3,0 | 4,5 | 5,0 | - |
| Соль анионного полиэдрического бората общей формулой формулой MzСnВmНх (где М - натрий, калий или аммоний, z=1, n=0, 2, m=3, 9, 10, 12, x=8, 10, 12) | - | - | - | - | - | 3,0 |
| Фторопластовая эмульсия Ф-4Д-Э | 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 | 6 | 9 | 14 | 13 | 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 борной кислоты в электролите выше верхнего заявляемого предела нецелесообразно. Это связано с пределом растворимости борной кислоты и ухудшением качества покрытий;
4) 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;
5) 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;
6) уменьшение содержания хлорамина Б ниже нижнего заявляемого предела приводит к ухудшению качества покрытий, увеличению внутренних напряжений;
7) 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;
8) уменьшение содержания фторопластовой эмульсии ниже нижнего заявляемого предела приводит к снижению износостойкости покрытий.
| Таблица 2 Физико-механические свойства покрытий | ||||||
| Характеристики электролита и сплава никель-бор и композиционного покрытия никель-бор-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 | 0,52 | 0,48 | 0,42 | 0,40 | 0,38 | 0,56 |
| Микротвердость, ГПа | 3,8 | 4,2 | 4,6 | 4,9 | 5,0 | 8,6 |
| Внутренние напряжения, МПа | 58,3 | 59,0 | 61,2 | 64,4 | 69,3 | 64,8 |
| Пористость при толщине 4-5 мкм, пор/см2 | 0 | 1 | 1 | 2 | 4 | 2 |
| Сцепление с основой из стали, меди и ее сплавов | Удовлетворяет ГОСТ 9.302-84 | |||||
| Содержание бора, мас.% | - | - | - | - | - | 1,3 |
| Содержание фторопласта, мас.% | 0,9 | 1,2 | 2,9 | 4,6 | 4,9 | 2,1 |
| Скорость осаждения, мкм/ч | 36 | 61 | 75 | 138 | 147 | 60 |
| Рассеивющая способность (по Херингу и Блюму), % | 10 | 10 | 11 | 13 | 17 | 14 |
| Стабильность, % | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
Как видно из табл.2, износостойкость композиционного покрытия никель-фторопласт, осажденного из заявляемого электролита, превышает износостойкость сплава никель-бор-фторопласт, осажденного из прототипа в 1,2-1,3, раза при сохранении основных физико-механических свойств покрытий.
Это позволяет расширить область применения композиционного покрытия никель-фторопласт в качестве износостойкого покрытия в машиностроении.
Электролит для осаждения композиционного покрытия никель-фторопласт, содержащий хлорид никеля, борную кислоту, фторопластовую эмульсию Ф-4Д-Э, хлорамин Б и воду, отличающийся тем, что он содержит компоненты при следующем соотношении, г/л:
| Хлорид никеля | 150-350 |
| Борная кислота | 25-40 |
| Хлорамин б | 1,5-4,5 |
| Фторопластовая эмульсия ф-4д-э | 7-35 |
