СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЯ НА СТАЛЬ
METHOD OF STEEL COATING

Изобретение относится к области электрохимии, в частности к нанесению упрочняющих и защитных покрытий на стальные изделия, и может быть использовано для работы в узлах трения, радиоэлектронной и лакокрасочной промышленности.
Известен способ получения оксида алюминия на подложке [пат. RU №2129094, C01F 7/02, С23С 18/12. Способ получения тонкопленочного диэлектрика оксида алюминия в производстве металл - диэлектрик - полупроводник устройств. 1999. Т.Э.Саркаров, А.П.Адамов, Х.А.Хаспулатов] при температуре 180-400°С осаждением из газовой фазы за счет реакции между хлоридом алюминия, кислородом и окисью азота.
Недостатком этого способа является высокая трудоемкость и энергоемкость технологического процесса, невозможность нанесения тонкопленочного оксида алюминия непосредственно на стальные изделия ввиду чрезвычайно высокой агрессивности среды.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому способу является способ электролитического нанесения покрытия на стальное изделие. [пат. RU №2241076, C25D 11/02. Способ электролитического нанесения покрытия на стальное изделие. 2004. Кусков В.Н., Кусков К.В.]
2
Недостатками этого способа являются высокие плотность тока (до 45 А/дм) и температура (45-50°С), т.е. большая энергоемкость процесса; многостадийность процесса: на первом этапе наносили алюминиевую пленку на изделие и только затем проводили микроразрядное оксидирование; высокая токсичность компонентов электролита, из которого наносили алюминиевую пленку; недостаточно высокая прочность сцепления покрытия с основой.
Задачей изобретения является снижение энергоемкости и трудоемкости процесса нанесения оксида алюминия на сталь, повышение его экологической безопасности, повышение коррозионной стойкости и износостойкости поверхности стали, увеличение прочности сцепления оксида с основой.
2
4
3
2
3
4
2
2
6
2
3
3
Задача достигается тем, что оксид алюминия на поверхности стали формируется путем осаждения из водного раствора электролита, содержащего соль алюминия (Al(SO)·18HO), пассиватор - нитрат натрия (NaNO), каталитическую - сульфат никеля(NiSO·7НО), стабилизирующую - этиленгликоль (CHO) и буферную (НВО) добавки, с помощью переменного асимметричного тока.
Использование переменного асимметричного тока позволяет в катодный полупериод осаждать из электролита на поверхность стали ионы металла, входящие в состав соли, содержащейся в растворе электролита, а в анодный - окислять их до оксидов. Наличие в электролите пассиватора препятствует восстановлению ионов металла в катодный полупериод, а каталитическая добавка ускоряет процесс окисления. Вследствие процессов циклирования на поверхности стали образуется переходной слой из шпинели, представляющий собой смесь двух оксидов (стали и наносимого из раствора оксида), что обеспечивает высокую адгезию получаемого покрытия.
Предлагаемый способ получения оксида алюминия на стали позволил:
- значительно упростить процесс, исключив из него стадию предварительного формирования алюминиевой пленки на поверхности стали из токсичного электролита и только потом ее оксидировать;
- обеспечить экологическую безопасность процесса, исключив токсичные компоненты из раствора электролита;
- снизить в десятки раз плотность тока и напряжения при оксидировании;
- увеличить прочность сцепления оксида с основой за счет интенсификации диффузионных процессов на границе раздела сталь-оксид, приводящих к образованию сложных оксидов.
Новизной в предлагаемом изобретении является не только способ электроосаждения оксида алюминия из водного раствора электролита, но и состав электролита. Ни один из электролитов, используемых для получения оксида алюминия, не содержит в своем составе пассиватора, катализатора и стабилизирующей добавки.
Электроосаждение оксида алюминия из водного раствора осуществляли на предварительно подготовленной поверхности плоских образцов из стали марки Ст 3 размером 20×30×1 мм, по стандартной в гальванотехнике методике, электрохимической поляризацией переменным асимметричным током треугольной формы, частотой 50 Гц, с равной длительностью анодного и катодного импульсов, при определенном соотношении амплитуды токов анодного и катодного полупериодов в кислом электролите, содержащем соль алюминия, пассиватор, каталитическую и стабилизирующую добавки. Источником тока служило устройство, состоящее из двух диодов, включенных параллельно и проводящих ток в разных направлениях через регулируемые сопротивления.
В качестве катода использовали пластины из алюминия, размеры которых были в два раза больше размеров обрабатываемых образцов. Электролиз проводили при температуре 20-25°С и перемешивании раствора электромагнитной мешалкой. Длительность формирования оксидной пленки составляла 60 мин.
Для экспериментальной проверки предлагаемого способа были сформированы оксидные пленки из оксида алюминия на поверхности стали Ст 3.
-1
Пример. Качественное покрытие из оксида алюминия получали из электролита следующего состава (при рН 3,5-4,0) г·л:
Сульфат алюминия (Al<sub>2</sub>(SO<sub>4</sub>)<sub>3</sub>·18Н<sub>2</sub>O)
75,0-80,0
Борная кислота (Н<sub>3</sub>ВО<sub>3</sub>)
25,0-30,0
Нитрат натрия (NaNO<sub>3</sub>)
10,0-15,0
Сульфат никеля (NiSO<sub>4</sub>·7Н<sub>2</sub>O)
2,0-5,0
Этиленгликоль (C<sub>2</sub>H<sub>6</sub>O<sub>2</sub>)
10,0-15,0
при соотношении средних катодной и анодной составляющих тока 2,5:1, напряжении 12 В, температуре 20-25°С.
2
3
2
3
Состав вещества покрытия определяли методом растровой электронной микроскопии на микроскопе-микроанализаторе Камебакс-микро (Франция). Анализ подтвердил наличие оксида алюминия, осажденного на поверхности стали. Фазовый состав вещества покрытия - это смесь оксидов α-AlO и β-AlO и высокодисперсный алюминий (в совокупности до 75% (мас.)), остальное - сложные оксиды, состоящие из оксида алюминия и железа.
Прочность сцепления покрытия со сталью составляет 455 МПа. Коррозионные испытания в 3% (по массе) растворе хлорида натрия показали, что при нанесении оксида алюминия на поверхность стали защитные свойства металла по сравнению с незащищенной поверхностью повышаются в десятки раз, а в сочетании со фторопластсодержащим материалом после термообработки - в 100 и более раз. Износостойкость поверхности стали повышается в 7-9 раз и коэффициент трения, определенный на торцевой машине трения, равен 0,03.