Способ получения гальванического композиционного покрытия никель-кобальт-оксид алюминия и гальваническое композиционное покрытие никель-кобальт-оксид алюминия
Владельцы патента RU 2418107:
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. Способ включает осаждение покрытия из электролита, содержащего, г/л: хлорид никеля 200-350, хлорид кобальта 3-11, оксид алюминия 15-40, борная кислота 25-40, хлорамин Б 1,5-4,0, при рН электролита 1,5-5,0, температуре 18-40°С, катодной плотности тока 0,5-9,0 А/дм2 и перемешивании электролита. Покрытие содержит, мас.%: кобальт 1,8-6,7, оксид алюминия 1,2-3,8, никель - остальное. Технический результат: повышение износостойкости, адгезии, скольжения покрытия. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.
Изобретение относится к получению композиционного покрытия 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 способы получения композиционных покрытий на основе никеля и композиционные покрытия на основе никеля с:
- С, Si, SiC, TiC, TaC, ZrC, WC, SiO2, TiO2, BeO, ZrO2, Сr2O3, МоS2, MoSi2 и т.д. (Сайфуллин Р.С. Композиционные покрытия и материалы. - М.: Химия, 1977. - 272 с.), с
- бором (Кукоз Ф.И., Кудрявцева И.Д., Сысоев Г.Н., Балакай В.И. Гальванические покрытия сплавом никель-бор взамен хрома. // Теоретические основы технологии нанесения химических покрытий из металлов и сплавов: Тез. докл. Укр. Республ. конф. - К., 1988. - С.34-35),
- бором и фторопластом (1. Балакай В.И. Электролит для осаждения композиционного покрытия никель-бор-фторопласт. Пат. 2213812 Рос. Федерация, МПК 7 С25D 15/00. - №2002113832/02; заявл. 27.05.2002; опубл. 10.10.2003, Бюл. №28. 2. Балакай В.И. Гальванический композиционный материал на основе никеля. Пат. 2213813 Рос. Федерация, МПК 7 С25D 15/00. - №2002113887/02; заявл. 27.05.2002; опубл. 10.10.2003, Бюл. №28),
- SiC или Аl2O3 с MoS2 (Новоселов A.M., Данилович Ю.А., Ковалев Б.Ф., Костюнин А.А., Трубников С.В., Кокоулин Е.Л. Электролит для получения композиционных покрытий на основе никеля или кобальта. А.с. №1805697 A1, C25D 15/00; 4846960/26, заявл. 14.05.1990; опубл. 20.10.1995), 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 относится способ нанесения композиционного покрытия никель-кобальт (или железо)-оксид алюминия, г/л:
| никель сульфаминово-кислый | 300-440 |
| никель хлористый | 4-15 |
| кобальт сульфаминово-кислый и/или | |
| железо сульфаминово-кислое | 12-27 |
| борная кислота | 25-40 |
| сахарин | 0,5-1,5 |
| нанопорошок оксида металла | |
| группы IIIА | 2-100 |
| поверхностно-активное вещество | 0,01-0,1 |
| вода | до 1 л |
(Жирнов А.Д., Ильин В.А., Семенычев В.В., Нагаева Л.В., Налетов Б.П. Электролит никелирования. Пат. 2293803 С1, Рос. Федерация, МПК 7 С25D 15/00. - №2005124342/02; - заявл. 01.08.2005; опубл. 20.02.2007; Бюл. №5).
Однако композиционные покрытия, осажденные из данного электролита, имеют недостаточную износостойкость.
Задачей настоящего изобретения является повышения износостойкости покрытия на основе никеля легированием кобальтом и оксидом алюминия. Технический результат - улучшение сцепления покрытия с основой, образование достаточного количества пленки на поверхности покрытия, улучшающей скольжение.
Указанная задача достигается способом получения композиционного покрытия никель-кобальт-оксид алюминия, включающего осаждение покрытия из электролита, содержащего (г/л):
| хлорид никеля | 200-350 |
| хлорид кобальта | 3-11 |
| оксид алюминия | 15-40 |
| борная кислота | 25-40 |
| хлорамин Б | 1,5-4,0. |
Режимы электролиза: рН 1,5-5,0, температура 18-40°С, катодная плотность тока 0,5-9 А/дм2 при перемешивании. Дисперсность порошка оксида алюминия 0,5-0,9 мкм.
Указанная задача достигается получением композиционного покрытия никель-кобальт-оксид алюминия при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| кобальт | 1,8-6,7 |
| оксид алюминия | 1,2-3,8 |
| никель | остальное. |
Наличие кобальта и оксида алюминия в композиционном покрытии никель-кобальт-оксид алюминия, осажденного из хлоридного электролита при определенном соотношении компонентов и режимов электролиза, приводит к увеличению его износостойкости.
При использовании оксида алюминия размером свыше 0,9 мкм качество покрытий ухудшается, т.к. в покрытии увеличиваются внутренние напряжения, ухудшается сцепление покрытия с основой, а поверхность покрытия получается неровной, менее гладкой, что увеличивает износ.
При использовании оксида алюминия размером меньше 0,5 мкм в покрытие зарастает недостаточное количество оксида алюминия, который является самосмазывающим компонентом, на поверхности покрытия образуется недостаточное количество пленки, улучшающей скольжение, а следовательно, износостойкость при трении уменьшается.
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.
Увеличение содержания оксида алюминия в композиции выше верхнего заявляемого предела приводит к увеличению внутренних напряжений, ухудшению качества.
Уменьшение содержания оксида алюминия в композиции ниже нижнего заявляемого предела приводит к снижению износостойкости композиционного материала.
Для апробирования предложенного состава композиционного покрытия никель-кобальт-оксид алюминия были нанесены покрытия, химический состав которых приведен в табл.1, где 2, 3, 4 содержание кобальта и оксида алюминия на нижнем, среднем и верхнем уровня соответственно, а 1 и 5 содержание кобальта и оксида алюминия в покрытии за граничными значениями.
Электролит готовили следующим образом. В электролитической ванне, заполненной до 3/4 необходимого объема водопроводной водой, при температуре 60-70°С растворяли борную кислоту, хлорамина Б, хлорида никеля и кобальта, после того как довели уровень электролита до необходимого объема вводили оксида алюминия размерами 0,5-0,9 мкм. рН электролита доводили либо соляной кислотой, либо гидроокисью натрия или калия (100-150 г/л).
| Таблица 1 | |||
| Химический состав композиционного покрытия никель-кобальт-оксид алюминия и прототипа - никель-кобальт-оксид алюминия, мас.% | |||
| Композиционный материал и прототип | Никель | Кобальт | Оксид алюминия |
| Предложенный 1 | 98,7 | 0,7 | 0,8 |
| 2 | 97,2 | 1,8 | 1,2 |
| 3 | 92,9 | 4,3 | 2,5 |
| 4 | 89,0 | 6,7 | 3,8 |
| 5 | 86,8 | 8,3 | 4,3 |
| Известный | 80 | 13,2 | 6,8 |
Пример 1. Композиционный материал химического состава, мас.%: кобальт 0,7, оксид алюминия 0,8, никель остальное, осаждали из электролита состава, г/л: хлорид никеля 150, хлорид кобальта 2, оксид алюминия 10, борная кислота 20, хлорами Б 1,0, при рН 5,5, 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 оксид алюминия. рН электролита доводили либо соляной кислотой, либо гидроокисью натрия или калия (100-150 г/л).
Пример 2. Композиционный материал химического состава, мас.%: кобальт 1,8, оксид алюминия 1,2, никель остальное, осаждали из электролита состава, г/л: хлорид никеля 275, хлорид кобальта 3, оксид алюминия 15, борная кислота 25, хлорамин Б 1,5, при рН 5,0, температуре 18°С и катодной плотности тока 1 А/дм2. Электролит готовили по методике, описанной выше.
Пример 3. Композиционный материал химического состава, мас.%: кобальт 4,3, оксид алюминия 2,5, никель остальное, осаждали из электролита состава, г/л: хлорид никеля 250, хлорид кобальта 8, оксид алюминия 25, борная кислота 32, хлорамин Б 3,0, при рН 3,0, температуре 30°С и катодной плотности тока 4 А/дм2. Электролит готовили по методике, описанной выше.
Пример 4. Композиционный материал химического состава, мас.%: кобальт 4,7, оксид алюминия 3,8, никель остальное, осаждали из электролита состава, г/л: хлорид никеля 350, хлорид кобальта 12, оксид алюминия 40, борная кислота 40, хлорамин Б 4,0, при рН 1,5, температуре 40°С и катодной плотности тока 9 А/дм2. Электролит готовили по методике, описанной выше.
Пример 5. Композиционный материал химического состава, мас.%: кобальт 8,3, оксид алюминия 4,3, никель остальное осаждали из электролита состава, г/л: хлорид никеля 370, хлорид кобальта 15, оксид алюминия 45, борная кислота 40, хлорамин Б 4,5, при рН 1,1, температуре 45°С и катодной плотности тока 10 А/дм2. Электролит готовили по методике, описанной выше.
В табл.2 приведены физико-механические свойства предложенного композиционного покрытия никель-кобальт-оксид алюминия и прототип - никель-кобальт-оксид алюминия, осажденный из электролита состава, г/л:
| Никель сульфаминово-кислый | 400 |
| никель хлористый | 10 |
| кобальт сульфаминово-кислый | 15 |
| борная кислота | 30 |
| оксид алюминия | 20 |
| натрий лаурилсульфат | 0,05 |
| вола | до 1 л. |
| Таблица 2 | ||||||
| Физико-механические свойства предложенного композиционного покрытия никель-кобальт-оксид алюминия и прототип - никель-кобальт-оксид алюминия | ||||||
| Физико-механические свойства композиционного покрытия никель-кобальт-оксид алюминия и никель-кобальт-оксид алюминия (прототип) | Предложенный состав композиции | Прототип | ||||
| 1 | 3 | 2 | 4 | 5 | ||
| Износостойкость в условиях граничного трения со сталью Ст 45 при нагрузке 3-5 МПа, мкм/ч | 0,45 | 0,29 | 0,27 | 0,26 | 0,28 | 0,37 |
| Микротвердость, ГПа | 5,4 | 6,1 | 6,7 | 7,0 | 8,2 | 8,6 |
| Внутренние напряжения, МПа | 64,9 | 66,9 | 69,8 | 72,5 | 80,7 | 93,2 |
Как видно из табл.2, износостойкость композиционного покрытия никель-кобальт-оксид алюминия превышает износостойкость композиционного покрытия никель-кобальт-оксид алюминия (прототипа) в 1,3-1,4.
Износостойкость покрытий определяли на машине трения. Испытания образцов проводили в режимах как сухого трения, так и с применением 3% смазки СОЖ РВ по методике [Шульга Г.И. Методические указания по курсу «Технология машиностроения». Новочеркасск: НПИ, 1989, 26 с.].
В качестве образцов использовали шарики из стали ШХ 15, площадью 0,05 дм2, на которые наносили покрытия толщиной 30 мкм. Контртелом служили шайбы из стали марки Ст 45.
Значения диаметра пятна износа определяли при помощи микроскопа МИР-2.
Микротвердость покрытий измерялась на приборе ПМТ-3 по ГОСТ 2999-75 при нагрузках на индентор 50-100 г.
Внутренние напряжения покрытий определяли, используя гибкий, горизонтально расположенный катод.
1. Способ получения гальванического композиционного покрытия никель-кобальт-оксид алюминия, включающий осаждение покрытия из электролита, содержащего, г/л:
| хлорид никеля | 200-350 |
| хлорид кобальта | 3-11 |
| оксид алюминия | 15-40 |
| борная кислота | 25-40 |
| хлорамин Б | 1,5-4,0 |
при рН электролита 1,5-5,0, температуре 18-40°С, катодной плотности тока 0,5-9,0 А/дм2 и перемешивании электролита.
2. Гальваническое композиционное покрытие никель-кобальт-оксид алюминия, полученное способом по п.1, содержащее, мас.%:
| кобальт | 1,8-6,7 |
| оксид алюминия | 1,2-3,8 |
| никель | остальное |
