Способ осаждения композиционных электрохимических покрытий на внутренние поверхности деталей машин

Изобретение относится к области технологии осаждения электрохимических покрытий, а именно к области технологии осаждения композиционных электрохимических покрытий (КЭП), и может найти применение для повышения износостойкости внутренних поверхностей деталей машин, приборов и инструмента. Способ включает создание между поверхностями анода и катода межэлектродного пространства с подачей в созданное пространство электролита-суспензии, содержащего частицы дисперсной фазы, имеющего вращательно-поступательное движение с определенной угловой скоростью. Катоду придают вращательное движение с определенной угловой скоростью, а связь концентрации частиц дисперсной фазы в электролите с угловой скоростью вращения катода и заданным содержанием дисперсной фазы в покрытии выражается в виде определенной математической зависимости. Технический результат: получение композиционных электрохимических покрытий с заданным содержанием дисперсной фазы. 1 ил.

 

Изобретение относится к области технологии осаждения электрохимических покрытий, а именно к области технологии осаждения композиционных электрохимических покрытий (КЭП), и может найти применение для повышения износостойкости внутренних поверхностей деталей машин, приборов и инструмента. Предложенный способ может быть использован для получения КЭП на основе никеля, хрома, железа, меди с дисперсной фазой в виде микропорошков карбида кремния, корунда, алмаза, нитрида бора, графита и др. на цилиндрических внутренних поверхностях деталей машин, изготовленных из стали, алюминия, меди и других материалов, на которых возможно осаждение электрохимических покрытий. Например: гильзы цилиндров двигателей внутреннего сгорания, подшипники скольжения, детали спецтехники.

Известен способ и устройство осаждения КЭП на внутренние поверхности деталей. Способ включает создание между поверхностями анода и катода межэлектродного пространства с подачей в созданное пространство электролита-суспензии (ЭС), содержащего частицы дисперсной фазы (ДФ), в котором электролиту-суспензии, поступающему в межэлектродное пространство, придается вращательно-поступательное движение с определенной угловой скоростью. Способ принят за прототип (см. патент RU №2226574, опубл. 10.04.2004).

Недостатком прототипа является то, что он не учитывает влияние седиментации частиц в процессе осаждения КЭП на горизонтально расположенные внутренние поверхности, что затрудняет получение покрытия с заданным содержанием дисперсной фазы (ДФ).

Задачей предлагаемого изобретения является повышение качества композиционных электрохимических покрытий, осаждаемых на горизонтально расположенные внутренние поверхности.

Технический результат, полученный при осуществлении изобретения, заключается в получении композиционных электрохимических покрытий с заданным содержанием дисперсной фазы, получен в процессе выполнения научно-исследовательских работ по осаждению КЭП на внутренние поверхности гильз цилиндров двигателей мототехники. Заданное содержание ДФ в покрытии 10% (K_f=0,1), полученное содержание 10,9% (K_f=0,109).

Указанный технический результат достигается тем, что в способе осаждения композиционных электрохимических покрытий на внутренние поверхности деталей машин, включающем создание между поверхностями анода и катода межэлектродного пространства с подачей в созданное пространство электролита-суспензии, содержащего частицы дисперсной фазы, имеющего вращательно-поступательное движение с определенной угловой скоростью, НОВЫМ является то, что катоду придают вращательное движение с определенной угловой скоростью, а концентрация частиц дисперсной фазы в электролите связана с угловой скоростью вращения катода и заданным содержанием дисперсной фазы в покрытии, а связь концентрации частиц дисперсной фазы в электролите с угловой скоростью вращения катода и заданным содержанием дисперсной фазы в покрытии выражают соотношением:

где

ω_к- угловая скорость вращения катода, 1/с;

К_е - концентрация частиц дисперсной фазы в электролите;

R_а - радиус поверхности анода, м;

R_к - радиус поверхности катода, м;

η - катодный выход по току;

ε - электрохимический эквивалент металла покрытия, кг/А с;

J - величина технологического тока, А;

ρ_m - плотность металла покрытия, кг/м³;

K_f- коэффициент заданной объемной концентрации частиц дисперсной фазы в покрытии;

δ - заданная толщина покрытия, м;

L_k - длина поверхности катода, м;

d - диаметр частицы, м;

ρ_f - плотность частицы, кг/м³;

ρ_e - плотность электролита, кг/м³;

ν_e - кинематическая вязкость электролита, м²/с;

θ - коэффициент, учитывающий форму частицы;

θ=0,5

В качестве дисперсной фазы рекомендуют электрокорунд - αAl₂O₃, электрокорунд нормальный и карборунд - SiC в виде микропорошков с размером частиц 5…7 мкм и объемной концентрацией 2, 3…4%, что соответствует К_f=0,023…0,04.

Рекомендуют использовать частицы размером не более 3 мкм с K_f=0,025…0,05.

Оптимальные по износостойкости и пластичности покрытия содержат 6…11% корунда (K_f=0,06…0,11).

Рекомендуют использовать покрытия, содержащие частицы ДФ с размерами, находящимися в пределах 2…10 мкм или 28…40 мкм и К_f=0,15…0,25.

Проведенные исследования показали, что лучшие результаты по износостойкости дают покрытия, содержащие 10% (K_f=0,1)частиц карбида кремния или корунда размером 15 мкм.

Расхождения в рекомендациях обусловлены различием в условиях эксплуатации покрытий.

Следует отметить, что при реализации способа K_f относится к исходным данным и может принимать различные значения.

- Коэффициент формы частиц учитывает влияние формы частиц на скорость перемещения в центробежном поле. По рекомендациям, для частиц, форму которых трудно определить, θ=0,5.

- Коэффициент заданной объемной концентрации частиц дисперсной фазы в покрытии - K_f выражает отношение объема частиц к объему покрытия, в котором они находятся.

- Коэффициент концентрации дисперсной фазы в электролите - K_e величина безразмерная, т.к. выражает отношение объема частиц к объему электролита, в котором они находятся.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена схема перемещений частицы в межэлектродном пространстве, где

1 - катод;

2 - анод;

3 - частица дисперсной фазы;

υ_r - радиальная скорость частицы;

υ_e - осевая скорость перемещения частицы;

υ_c - скорость седиментации частицы;

υ_ц - скорость перемещения частицы под действием центробежных сил;

ω_f - угловая скорость вращения частицы;

ω_к - угловая скорость вращения катода;

R_к - радиус катода;

К_а - радиус анода;

L_к - длина поверхности катода.

При вращении катода участки катодной поверхности периодически меняют свое положение относительно направления седиментации и условия осаждения выравниваются. Для того чтобы частицы ДФ в верхнем положении не отделялись от катодной поверхности сила тяжести частиц должна быть равна центробежной силе. В этом случае угловую скорость вращения катода определяют из выражения

g=9,8 м/c²;

R_к - радиус поверхности катода, м.

Связь между концентрацией частиц ДФ в электролите с заданным содержанием ДФ в покрытии получена на основе следующих соображений.

При осаждении КЭП в электролите, имеющем вращательное и поступательное движения, частицы ДФ перемещаются к поверхности катода со скоростью ν_r и параллельно поверхности катода со скоростью ν_e, а также вращаются с угловой скоростью ω_f, равной у поверхности катода угловой скорости вращения катода ω_к (см. чертеж). Скорость радиального перемещения частицы в верхней точке траектории равна разности между скоростью, возникающей от действия центробежных сил ν_ц, и скоростью седиментации ν_с. Скорость радиального перемещения частицы в нижней точке траектории равна сумме этих скоростей. Средняя скорость радиального перемещения частицы ν_r равна ν_ц. Для того чтобы частицы ДФ равномерно осаждались на всю поверхность катода со средней скоростью ν_r, катоду придается вращение с угловой скоростью ω_к.

Время образования на поверхности катода осадка металла заданного объема определяется из выражения:

R_к - радиус поверхности катода;

η - катодный выход по току;

ε - электрохимический эквивалент металла покрытия;

J - величина технологического тока;

ρ_m - плотность металла покрытия;

K_f - коэффициент заданной объемной концентрации частиц ДФ в покрытии;

δ - заданная толщина покрытия;

L_k - длина поверхности катода.

За это же время в покрытие должно включиться количество частиц, объем которых определяется из выражения:

Время осаждения всех частиц ДФ, содержащихся в межэлектродном пространстве (МЭП), определяется из выражения

ν_e - кинематическая вязкость электролита;

d - диаметр частиц дисперсной фазы;

θ - коэффициент формы частиц;

ω_к - угловая скорость вращения катода.

Для определения средней скорости осаждения частиц может быть использована формула:

За время t₀ частицы должны переместиться вдоль поверхности катода на расстояние не более L_к. Следовательно, требуемую скорость поступательного движения электролита можно определить из соотношения:

За время t_m через МЭП протечет объем электролита

В этом объеме электролита должно содержаться количество частиц ДФ, равное количеству частиц в покрытии,

К_е - коэффициент объемной концентрации частиц ДФ в электролите. Подставив в выражение 7 значения W_f и W_e из уравнений 2 и 6 с учетом

зависимостей 1, 3, 4, 5, получим зависимость для определения коэффициента объемной концентрации частиц ДФ в электролите в виде:

ω_к - угловая скорость вращения катода, 1/с;

K_е - концентрация частиц дисперсной фазы в электролите;

R_a - радиус поверхности анода, м;

R_к - радиус поверхности катода, м;

η - катодный выход по току;

ε - электрохимический эквивалент металла покрытия, кг/А с;

J - величина технологического тока, А;

ρ_m - плотность металла покрытия, кг/м³;

К_f - коэффициент заданной объемной концентрации частиц дисперсной фазы в покрытии;

δ - заданная толщина покрытия, м;

L_k - длина поверхности катода, м;

d - диаметр частицы, м;

ρ_f - плотность частицы, кг/м³;

ρ_e - плотность электролита, кг/м³;

ν_e - кинематическая вязкость электролита, м²/с;

θ - коэффициент, учитывающий форму частицы;

θ=0,5.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что предлагаемое техническое решение обладает «новизной» и «изобретательским уровнем».

Последовательность действий при получении композиционного покрытия никель- карбид кремния следующая:

Технология подготовки поверхности под осаждение КЭП

Катодное обезжиривание: температура - 60…80°С, плотность тока - 2…10 А/дм², напряжение - 6…12 В, время 4…5 мин.

Состав ванны обезжиривания: сода кальционированная - 20…50 г/л, тринатрийфосфат - 20…50 г/л, натр едкий - 20…40 г/л.

Анодное обезжиривание: температура - 60…80°С, плотность тока - 2…10 А/дм², напряжение - 6…12 В, время - 4…5 мин.

Состав ванны обезжиривания: сода кальцинированная - 20…50 г/л, тринатрийфосфат - 20…50 г/л, натр едкий - 20…40 г/л.

Промывка в горячей воде: температура - 60…80°С, время - 4…5 мин.

Промывка в холодной воде.

Активация: температура - 15…30°С, время - 4…5 мин.

Состав ванны: кислота соляная - 50…100 г/л.

Промывка в холодной воде.

Осаждение КЭП

Осаждение КЭП проводилось после подготовки поверхности в соответствии с изложенной технологией при скорости вращения катода 3,7 об/с в электролите-суспензии, приготовленном на основе электролита для никелирования с добавлением дисперсной фазы в виде микропорошка.

Состав электролита-суспензии: никель сернокислый - 250…300 г/л, кислота борная - 25…45 г/л, натрий хлористый - 10…15 г/л, 1,4 бутиндиол (100%) - 0,1…0,5 г/л, вещество моющее «Прогресс 30» - 0,5…1 мл/л, формалин - 1,2…3 г/л, хлорамин Б - 2…2,5 г/л, SiC с зернистостью М15 при коэффициенте объемной концентрации частиц в электролите К_e=6,52 10^-4.

Режим осаждения: температура - 40…50°С, плотность тока - 10 А/дм², напряжение 6…10 В, время - 2 часа.

Для предотвращения седиментации частиц в баке для электролита электролит-суспензия перемешивался специальной мешалкой.

Предлагаемый способ предназначен для осаждения композиционных электрохимических покрытий на внутренние поверхности деталей спецтехники, выпускаемой на ОАО завод им. В.А. Дегтярева, изготовленных из стали 30ХН2МФА, а также на внутренние поверхности гильз цилиндров двигателей мототехники, изготовленных из стали 45.

Вращательное движение с определенной угловой скоростью придается катоду от электродвигателя с регулируемым числом оборотом через редуктор и ременную передачу.

Пример расчета угловой скорости вращения катода и коэффициента объемной концентрации частиц дисперсной фазы в электролите для получения покрытия никель-карбид кремния при заданной объемной концентрации карбида кремния в покрытии 10% (К_f=0,1). Зернистость карбида кремния М15, что соответствует диаметру частиц d=15 мкм.

Исходные данные: R_к=18·10^-3 м; R_а=5·10^-3 м; L_k=95·10^-3 м; d=15·10^-6 м; K_f=0,1; δ=2·10^-4 м; ρ_m=8,96·10³ кг/м³; ρ_f=3,8·10³ кг/м³; ρ_e=1,15·10³ кг/м³; ε=3·10^-7 кг/(А·с); θ=0,5; ν_е=1,35·10^-6 м²/с;η=0,71; J=10 А.

Расчет угловой скорости вращения катода с указанием размерностей, входящих в рсчетную формулу величин, имеет вид:

.

Это значение угловой скорости соответствует числу оборотов катода - n=ω_л/2π=3,7 об/с.

Расчет коэффициента объемной концентрации частиц дисперсной фазы в электролите по приведенной в заявке зависимости:

.

Результаты расчета показывают, что угловая скорость вращения катода ω_к составляет 3,7 об/с, коэффициент объемной концентрации частиц в электролите К_е равен 6,52×10^-4, а размерности левой и правой частей математических выражений одинаковые.

Способ осаждения композиционных электрохимических покрытий на внутренние поверхности деталей машин, включающий создание между поверхностями анода и катода межэлектродного пространства с подачей в созданное пространство электролита-суспензии, содержащего частицы дисперсной фазы, имеющего вращательно-поступательное движение с определенной угловой скоростью, отличающийся тем, что катоду придают вращательное движение с определенной угловой скоростью, а связь концентрации частиц дисперсной фазы в электролите с угловой скоростью вращения катода и заданным содержанием дисперсной фазы в покрытии выражают соотношением

где ω_к - угловая скорость вращения катода, с^-1;
К_е - концентрация частиц дисперсной фазы в электролите;
R_a - радиус поверхности анода, м;
R_к - радиус поверхности катода, м;
η - катодный выход по току;
ε - электрохимический эквивалент металла покрытия, кг/А·с;
J - величина технологического тока. А;
ρ_m - плотность металла покрытия, кг/м³;
K_f - коэффициент заданной объемной концентрации частиц дисперсной фазы в покрытии;
δ - заданная толщина покрытия, м;
L_к - длина поверхности катода, м;
d - диаметр частицы, м;
ρ_f - плотность частицы, кг/м³;
ρ_е - плотность электролита, кг/м³;
ν_e - кинематическая вязкость электролита, м²/с;
θ - коэффициент, учитывающий форму частицы, θ=0,5.