Гальванический композиционный материал на основе никеля
Владельцы патента RU 2352693:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)" (RU)
Изобретение относится к области гальванотехники и может быть использовано в различных отраслях промышленности, где необходимо применение износостойких материалов. Гальванический композиционный материал содержит, мас.%: кобальт 1,7-7,1, фторопласт 1,1-3,9, никель - остальное. Технический результат: повышение износостойкости. 2 табл.
Предлагаемое изобретение относится к получению композиционного материала электрохимическим способом в качестве износостойкого материала в различных отраслях промышленности.
В промышленности появилась необходимость увеличения износостойкости различных материалов на основе никеля.
Увеличение износостойкости материалов на основе никеля можно достигнуть за счет легирования их металлами и (или) неметаллами.
Известны композиционные материалы на основе никеля с С, Si, SiC, TiC, TaC, ZrC, WC, SiO2, TiO2, BeO, ZrO2, Cr2О3, MoS2, MoSi2 и т.д. (Сайфуллин Р.С. Композиционные покрытия и материалы. - М.: Химия, 1977. - 272 с.), а также с В (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), а также с фторопластом композиционные покрытия никель-бор-фторопласт (1. Балакай В.И. Электролит для осаждения композиционного покрытия никель-бор-фторопласт. Пат. 2213812 Рос. Федерация, МПК 7 C25D 15/00. - №2002113832/02; заявл. 27.05.2002; опубл. 10.10.2003, Бюл. №28. - 4 с. 2. Балакай В.И. Гальванический композиционный материал на основе никеля. Пат. 2213813 Рос. Федерация, МПК 7 C25D 15/00. - №2002113887/02; заявл. 27.05.2002; опубл. 10.10.2003, Бюл. №28. - 3 с.), обладающие повышенной износостойкостью по сравнению с чисто никелевыми покрытиями.
Существенным недостатком этих композиционных материалов и сплавов является то, что износостойкость является недостаточной.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является композиционный материал никель-фторопласт следующего состава, мас.%:
| фторопласт | 0,9-3,6 |
| никель | остальное |
(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(034622); - заявл. 05.10.2005; опубл. 20.04.2007; Бюл. №11. - 3 с.).
Однако данный композиционный материал имеет недостаточную износостойкость.
Задачей настоящего изобретения является повышение износостойкости материалов на основе никеля легированием кобальтом.
Указанная задача достигается получением композиционного материала никель-кобальт-фторопласт при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| кобальт | 1,7-7,1 |
| фторопласт | 1,1-3,9 |
| никель | остальное |
Наличие кобальта в композиционном материале никель-кобальт-фторопласт приводит к увеличению его износостойкости.
Увеличение содержания кобальта в композиции выше верхнего заявляемого предела приводит к увеличению внутренних напряжений, ухудшению качества.
Уменьшение содержания кобальта в композиции ниже нижнего заявляемого предела приводит к снижению износостойкости композиционного материала.
Для апробирования предложенного состава композиционного материала никель-кобальт-фторопласт были изготовлены композиции, химический состав которых приведен в табл.1, где 2, 3, 4 - содержание кобальта на нижнем, среднем и верхнем уровнях, соответственно, а 1 и 5 - содержание кобальта в композиции за граничными значениями.
Композиционный материал никель-фторопласт получали электрохимическим способом из электролита следующего состава, г/л:
| хлорид никеля | 200-350 |
| хлорид кобальта | 2-10 |
| 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 1,0-5,5, температура 18-40°С, катодная плотность тока 0,5-12 А/дм2 при перемешивании.
| Таблица 1 - Химический состав композиционного материала никель-кобальт-фторопласт и прототипа - никель-фторопласт |
|||
| Композиционный материал и прототип | Никель | кобальт | Фторопласт |
| Предложенный 1 | 98,7 | 0,6 | 0,7 |
| 2 | 97,2 | 1,7 | 1,1 |
| 3 | 92,9 | 4,6 | 2,5 |
| 4 | 89,0 | 7,1 | 3,9 |
| 5 | 86,8 | 9,3 | 4,4 |
| Известный | 97,1 | 0 | 2,9 |
Наличие кобальта в никелевых покрытиях позволяет увеличить износостойкость покрытий.
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 композиционных покрытий никель-бор-фторопласт и никель-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 поверхность, 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. Поэтому было предложено с целью увеличения износостойкости покрытий и снижения коэффициента трения наносить на трущиеся изделия не композиционное покрытие никель-бор-фторопласт, никель-фторопласт, а композиционные покрытия никель-кобальт-фторопласт, т.к. покрытия при введении в покрытие кобальта получаются более мелкокристаллическими и равномерными. В настоящее время износостойкие и самосмазываемые покрытия представляют определенный практический интерес.
Пример 1. Композиционный материал химического состава, мас.%: кобальт 0,6, фторопласт 0,7, никель остальное, осаждали из электролита состава, г/л: хлорид никеля 150, хлорид кобальта 1, борная кислота 20, хлорамин Б 1,0, фторопластовая эмульсия Ф-4Д-Э 5,0, при рН 5,7, температуре 16°С и катодной плотности тока 0,5 А/дм2. Электролит готовили следующим образом. В электролитической ванне, заполненной до 3/4 необходимого объема водопроводной водой, при температуре 60-70°С растворяли борную кислоту, хлорамин Б и хлорид никеля, после того как довели уровень электролита до необходимого объема, вводили фторопластовую эмульсию. рН электролита доводили либо соляной кислотой, либо гидроокисью натрия или калия (100-150 г/л).
Пример 2. Композиционный материал химического состава, мас.%: кобальт 1,7, фторопласт 1,1, никель остальное, осаждали из электролита состава, г/л: хлорид никеля 275, хлорид кобальта 2, борная кислота 25, хлорамин Б 1,5, фторопластовая эмульсия Ф-4Д-Э 7,0, при рН 5,5, температуре 18°С и катодной плотности тока 1 А/дм2. Электролит готовили по методике, описанной выше.
Пример 3. Композиционный материал химического состава, мас.%: кобальт 4,6, фторопласт 2,5, никель остальное, осаждали из электролита состава, г/л: хлорид никеля 250, хлорид кобальта 6, борная кислота 32, хлорамин Б 3,0, фторопластовая эмульсия Ф-4Д-Э 20, при рН 3,0, температуре 30°С и катодной плотности тока 6 А/дм2. Электролит готовили по методике, описанной выше.
Пример 4. Композиционный материал химического состава, мас.%: кобальт 7,1, фторопласт 3,9, никель остальное, осаждали из электролита состава, г/л: хлорид никеля 350, хлорид кобальта 10, борная кислота 40, хлорамин Б 4,5, фторопластовая эмульсия Ф-4Д-Э 35, при рН 1,1, температуре 40°С и катодной плотности тока
12 А/дм2. Электролит готовили по методике, описанной выше.
Пример 5. Композиционный материал химического состава, мас.%: кобальт 9,3, фторопласт 4,4, никель остальное, осаждали из электролита состава, г/л: хлорид никеля 370, хлорид кобальта 15, борная кислота 40, хлорамин Б 5,0, фторопластовая эмульсия Ф-4Д-Э 38, при рН 0,9, температуре 45°С и катодной плотности тока
12 А/дм2. Электролит готовили по методике, описанной выше.
Прототип осаждали из электролита по (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(034622); - заявл. 05.10.2005; опубл. 20.04.2007; Бюл. №11. - 3 с.).
В табл.2 приведены физико-механические свойства предложенного композиционного материала никель-кобальт-фторопласт и прототипа - никель- фторопласт.
| Таблица 2 - Физико-механические свойства предложенного композиционного материала никель-кобальт-фторопласт и прототип - никель-фторопласт. |
||||||
| Физико-механические свойства композиционного материала никель-кобальт-фторопласт и никель-фторопласт (прототип) | Предложенный состав композиции | Прототип | ||||
| 1 | 3 | 2 | 4 | 5 | ||
| Износостойкость в условиях граничного трения со сталью Ст 45 при нагрузке 20-30 кгс/см2, мкм/ч | 0,45 | 0,37 | 0,32 | 0,30 | 0,31 | 0,42 |
| Микротвердость, ГПа | 5,2 | 5,8 | 6,4 | 6,9 | 7,2 | 4,6 |
| Внутренние напряжения, МПа | 69,7 | 70,8 | 73,2 | 77,5 | 80,6 | 61,2 |
Как видно из табл.2, износостойкость композиционного материала никель-кобальт-фторопласт превышает износостойкость композиционного материала никель-фторопласт (прототипа) в 1,2-1,3 раза.
Гальванический композиционный материал, содержащий никель и фторопласт, отличающийся тем, что он дополнительно содержит кобальт при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| кобальт | 1,7-7,1 |
| фторопласт | 1,1-3,9 |
| никель | остальное |
