Наномодифицированный электролит для электрохимического осаждения никелевого покрытия

Изобретение относится к области электрохимического осаждения металлических покрытий, в частности никелевых, и может быть использовано для получения многофункционального твердого, коррозионно-, термо-, износостойкого, а также защитно-декоративного покрытия в машиностроении. Наномодифицированный электролит для электрохимического осаждения никелевого покрытия содержит соли никеля - сернокислый семиводный никель и хлористый шестиводный никель, борсодержащую добавку и воду, при этом он дополнительно содержит углеродный наноматериал с количеством графеновых слоев не более 30, диаметром волокон от 10 до 60 нм, длиной не менее 2 мкм и количеством структурированного углерода не менее 95%, при следующем соотношении компонентов, г/л: сернокислый семиводный никель - 250-400, хлористый шестиводный никель - 50-70, борная кислота 30-40 и наноуглеродный материал - 0,05-0,08. Технический результат - получение беспористых никелевых покрытий с высокой микротвердостью при увеличении скорости осаждения никелевого покрытия. 1 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области электрохимического осаждения металлических покрытий, в частности никелевых, и может быть использовано для получения коррозионностойкого, твердого, термо- и износостойкого покрытия в машиностроении, электронике и других отраслях промышленности.

Известен электролит для электрохимического осаждения многофункциональных покрытий на основе никеля [1], содержащий соли никеля - сернокислый семиводный никель и хлористый шестиводный никель, сахарин, боросодержащую и буферирующие добавки в виде декагидробората натрия и малоновой кислоты, натрий фтористый, формальдегид, паратолуолсульфамид, смачиватель СВ-102 и воду. Такой электролит характеризуется следующим соотношением компонентов, г/л:

Сернокислый семиводный никель - 300-400

Хлористый шестиводный никель - 20-40

Сахарин - 0,5-1,0

Декагидроборат натрия - 0,01-0,5

Малоновая кислота - 25-30

Натрий фтористый - 3,5-4,5

Формальдегид - 0,5-1,2

Паратолуолсульфамид - 1,0-1,5

Смачиватель СВ-102 - 0,01-0,05.

Недостатками такого электролита являются:

- большое количество компонентов, что усложняет приготовление электролита и делает невозможным подкрепление его при его истощении;

- низкая микротвердость получаемого покрытия;

- большая неравномерность получаемого покрытия.

Эти недостатки частично устранены в электролите для электрохимического осаждения сплава никель-бор [2]. Электролит содержит, г/л:

Сернокислый семиводный никель - 280-400

Двухлористый шестиводный никель - 25-60

Борную кислоту - 25-60

1,4 Бутиндиол - 0,2-1,5

Формальдегид - 0,02-1,5

Натриевую соль сахарина - 0,25-2,0

Натрия боргидрид - 0,1-2,0.

Такой состав позволяет расширить рабочий диапазон pH и увеличить скорость осаждения покрытий, уменьшить количество компонентов, однако характеризуется следующими недостатками:

- низкой микротвердостью получаемого покрытия;

- большой неравномерностью получаемого покрытия.

Технический результат изобретения заключается в получении беспористых никелевых покрытий с высокой микротвердостью при увеличении скорости осаждения никелевого покрытия.

Технический результат достигается тем, что наномодифицированный электролит для электрохимического осаждения никелевого покрытия, содержащий соли никеля - сернокислый семиводный никель и хлористый шестиводный никель, борсодержащую добавку и воду, согласно изобретению, дополнительно содержит углеродный наноматериал с количеством графеновых слоев не более 30, диаметром волокон от 10 до 60 нм, длиной не менее 2 мкм и количеством структурированного углерода не менее 95%, при следующем соотношении компонентов, г/л:

Сернокислый семиводный никель - 250-400

Хлористый шестиводный никель - 50-70

Борная кислота 30-40

Наноуглеродный материал - 0,05-0,08.

Наномодифицированный электролит может содержать наноуглеродный материал, введенный в состав электролита без очистки от никелевого катализатора, используемого для его синтеза, в количестве 0,05-0,08 г/л.

Такой электролит характеризуется меньшим количеством используемых компонентов, а при использовании углеродного наноматериала без очистки от никелевого катализатора меньшими денежными затратами, так как не требуется обработка наноматериала азотной кислотой для удаления катализатора.

Электролит готовят следующим образом.

Предварительно соли никеля растворяют раздельно в дистиллированной воде при температуре 40-60°С. Борную кислоту растворяют также раздельно в дистиллированной воде при температуре 75-80°С.

Все растворы смешивают и отстаивают в течение 7 суток. Подготовленный раствор декантируют в промежуточную емкость. Из промежуточной емкости раствор фильтруют под вакуумом через фильтровальную бумагу. Для удаления органических соединений в нагретый до 30°С электролит добавляют 10 г/л 6%-ной перекиси водорода. Электролит интенсивно перемешивают 10 минут. При той же температуре и интенсивном перемешивании в электролит добавляют 3 г/л активированного угля. Электролит отстаивают 12 часов, затем декантируют и фильтруют под вакуумом через фильтровальную бумагу. После этого в раствор электролита добавляют наноуглеродный материал с количеством графеновых слоев не более 30, диаметром волокон от 10 до 60 нм, длиной не менее 2 мкм и количеством структурированного углерода не менее 95%, и электролит обрабатывают на ультразвуковой установке с частотой 22 кГц для уменьшения размеров агломератов из наноуглеродных трубок и их более равномерного распределения в электролите. В качестве углеродного материала предпочтительно применение углеродного наноматериала «Таунит», производитель углеродного наноматериала ООО «НаноТехЦентр», Россия, г.Тамбов.

Подготовку поверхности деталей перед нанесением гальванического покрытия проводят стандартными способами с использованием известных растворов.

Осаждение проводят при pH 3,0-5,0, плотности тока 1,0-4,0 А/дм² и температуре 45-60°С.

Пример 1

Электрохимическое осаждение покрытия на предварительно подготовленную поверхность основы из материала сталь Ст3 проводят в электролите, содержащем (в г/л):

Сернокислый семиводный никель - 254,6

Хлористый шестиводный никель - 67,5

Борная кислота 32,33

Наноуглеродный материал - 0,065.

Осаждение проводят при pH 3,5, плотности тока 4 А/дм² и температуре 52°С.

В течение 50 мин получают покрытие средней толщиной 16 мкм.

Полученное покрытие беспористо и достаточно равномерно распределено по поверхности детали. Микротвердость, измеренная на микротвердомере ПМТ-3, составляет 1123 кг/мм². Характеристики получаемого покрытия - микротвердость и пористость - соответствуют характеристикам хромовых покрытий, а равномерность полученного покрытия значительно превосходит хромовые. Это позволяет использовать предложенный электролит в машиностроении взамен электролита хромирования, который является более дорогим, высокотоксичным и имеет низкие рассеивающую способность и выход по току.

Пример 2

Электрохимическое осаждение покрытия на предварительно подготовленную поверхность основы из материала сталь Ст3 проводят в электролите, содержащем (в г/л):

Сернокислый семиводный никель - 254,6

Хлористый шестиводный никель - 67,5

Борная кислота 32,33

Наноуглеродный материал «Таунит» со следующими характеристиками:

количество графеновых слоев - не более 30,

диаметр волокон - от 15 до 40 нм,

длина - не менее 2 мкм,

количеством структурированного углерода не менее 95%,

неочищенный от никелевого катализатора - 0,07.

Осаждение проводят при pH 3,5, плотности тока 4 А/дм² и температуре 52°С.

В течение 50 мин получают покрытие средней толщиной 43 мкм.

Полученное покрытие беспористо и достаточно равномерно распределено по поверхности детали. Микротвердость, измеренная на микротвердомере ПМТ-3, составляет 1009 кг/мм². Характеристики получаемого покрытия - микротвердость и пористость - соответствуют характеристикам хромовых покрытий, а равномерность полученного покрытия значительно превосходит хромовые. Это позволяет использовать предложенный электролит в машиностроении взамен электролита хромирования, который является более дорогим, высокотоксичным и имеет низкие рассеивающую способность и выход по току. Кроме того, использование нано-углеродного материала «Таунит», неочищенного от никелевого катализатора, приводит к существенному (в 2,6 раза) увеличению скорости осаждения покрытия, в результате чего повышается производительность гальванооборудования.

Литература

1. Патент РФ №2149927, МПК C25D 3/56, 2000 г.

2. Патент РФ №2265086, МПК C25D 3/56, 2005 г.

1. Наномодифицированный электролит для электрохимического осаждения никелевого покрытия, содержащий соли никеля - сернокислый семиводный никель и хлористый шестиводный никель, борсодержащую добавку и воду, отличающийся тем, что он дополнительно содержит углеродный наноматериал с количеством графеновых слоев не более 30, диаметром волокон от 10 до 60 нм, длиной не менее 2 мкм и количеством структурированного углерода не менее 95% при следующем соотношении компонентов, г/л:

Сернокислый семиводный никель	250-400
Хлористый шестиводный никель	50-70
Борная кислота	30-40
Наноуглеродный материал	0,05-0,08

2. Наномодифицированный электролит по п.1, отличающийся тем, что наноуглеродный материал введен в состав электролита без очистки от никелевого катализатора, используемого для его синтеза, в количестве 0,05-0,08 г/л.