Электролит для осаждения композиционного покрытия никель-кобальт-фторопласт
Владельцы патента RU 2352694:
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 областях промышленности, где необходимо применение износостойких покрытий. Электролит содержит, г/л: хлорид никеля 200-350, хлорид кобальта 2-10, борную кислоту 25-40, фторопластовую эмульсию Ф-4Д-Э 7-35, хлорамин Б 1,5-4,5 и воду. Технический результат: повышение износостойкости. 2 табл.
Изобретение относится к области гальванотехники, 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 60, сульфат никеля 300, борная кислота 30, Cr2О3 100 (TiO2 25, TiC 50) (Сайфуллин Р.С. Композиционные покрытия и материалы. - М: Химия, 1977. - 272 с);
2) хлорид никеля 200-300, борная кислота 20-30, соль анионного полиэдрического бората (в пересчете на С2В9Н12 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.).
3) хлорид никеля 200-300, борная кислота 25-35, соль анионного полиэдрического бората (в пересчете на С2В9Н12 2-, В10Н10 2-, В12Н12 2-) 0,5-6,0, фторопластовая эмульсия Ф-4Д-Э 5-30 (1. 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. - 4 с).
Однако покрытия, осажденные из данных электролитов, имеют недостаточную износостойкость.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению относится электролит для осаждения сплава никель-фторопласт, содержащий хлорид никеля, борную кислоту, хлорамин Б и фторопластовую эмульсию при следующем соотношении компонентов, г/л:
| хлорид никеля | 150-350, |
| борная кислота | 25-40, |
| хлорамин Б | 1,5-4,5, |
| фторопластовая эмульсия Ф-4Д-Э | 5-35. |
Режимы электролиза: рН 1,0-5,0, температура 20-40°С, катодная плотность тока 6-14 А/дм2 (Балакай В.И., Балакай И.В., Герасименко Ю.Я Электролит для осаждения композиционного покрытия никель-фторопласт. Пат. РФ 2297476, МПК 7 C25D 15/00. - №2005130886/02(034622); - заявл. 05.10.2005; опубл. 20.04.2007; Бюл. №11. - 3 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, хлорид кобальта при следующем соотношении компонентов, 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 1,1-5,5, температура 18-40°С, катодная плотность тока 1,0-12,0 А/дм2 при перемешивании.
Наличие кобальта в электролите позволяет электроосаждать композиционное покрытие никель-кобальт-фторопласт с высокой износостойкостью.
Никель является хорошим конструкционным материалом, 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 друге и раздавливания фторопласта, находящегося в покрытии (получены патенты №2213812, 2213813, 2297476). Однако из-за того, что покрытие обычно не имеет 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. Поэтому было предложено с целью увеличения износостойкости покрытий и снижения коэффициента трения наносить на трущиеся изделия не композиционное покрытие никель-бор-фторопласт и никель-фторопласт, а композиционное покрытие никель-кобальт-фторопласт, т.к. покрытия при введении в электролит хлорида кобальта получаются более мелкокристаллическими и равномерными. В настоящее время износостойкие и самосмазываемые покрытия представляют определенный практический интерес.
Пример 1. Электролит готовили следующим образом. В электролитической ванне, заполненной до 3/4 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 7 г/л фторопластовой эмульсии Ф-4Д-Э. 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-фторопласт, осажденных при температуре (18-40°С) из предлагаемого электролита и из прототипа никель-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 | - |
| Борная кислота | 20 | 25 | 32 | 40 | 45 | 30 |
| Хлорамин Б | 1,0 | 1,5 | 3,0 | 4,5 | 5,0 | 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 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 фторопластовой эмульсии 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 фторопластовой эмульсии ниже нижнего заявляемого предела приводит к снижению износостойкости покрытий.
| Таблица 2 | ||||||
| Физико-механические свойства покрытий | ||||||
| Характеристики электролитов и композиционных покрытий никель-кобальт-фторопласт и никель-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 | 0,45 | 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 | 63,7 | 64,8 | 67,2 | 70,5 | 84,6 | 61,2 |
| Пористость при толщине 4-5 мкм, пор/см2 | 0 | 1 | 1 | 1 | 2 | 1 |
| Сцепление с основной из стали, меди и ее сплавов | Удовлетворяет ГОСТ 9.302-84 | |||||
| Содержание кобальта, мас.% | 0,6 | 1,7 | 4,6 | 7,1 | 9,3 | - |
| Содержание фторопласта, мас.% | 0,7 | 1,1 | 2,5 | 3,9 | 4,4 | 2,9 |
| Скорость осаждения, мкм/ч | 36 | 61 | 75 | 138 | 147 | 75 |
| Рассеивющая способность (по Херингу и Блюму), % | 9 | 11 | 13 | 15 | 18 | 11 |
| Стабильность, % | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
Как видно из табл.2, износостойкость композиционного покрытия никель-кобальт-фторопласт, осажденного из заявляемого электролита, превышает износостойкость композиционного покрытия никель-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-кобальт-фторопласт в качестве износостойкого покрытия в машиностроении.
Электролит для осаждения композиционного покрытия никель-кобальт-фторопласт, содержащий хлорид никеля, борную кислоту, фторопластовую эмульсию Ф-4Д-Э, хлорамин Б и воду, отличающийся тем, что он дополнительно содержит хлорид кобальта при следующем соотношении компонентов, г/л:
| хлорид никеля | 200-350 |
| хлорид кобальта | 2-10 |
| борная кислота | 25-40 |
| фторопластовая эмульсия Ф-4Д-Э | 7-35 |
| хлорамин Б | 1,5-4,5 |
