ЭЛЕКТРОЛИТ НИКЕЛИРОВАНИЯ
NICKEL-PLATING ELECTROLYTE

Изобретение относится к области гальванотехники, а именно к электрохимическому нанесению никеля и его сплавов на стальные детали, например, узлы трения-скольжения с получением композиционно кластерных гальванических покрытий (ККГП), и может найти применение в авиационной, автомобильной и других отраслях промышленности.
Известен электролит никелирования, имеющий следующий химический состав, г/л:
сульфат никеля
630 мл/л
хлорид никеля
5
борная кислота
30
стабилизатор
0,8
лаурилсульфат
0,1
микрочастицы
BN (патент США №4479855).
который может содержать микрочастицы порошков нитрида бора, карбида кремния, оксида титана, оксида алюминия дисперсностью 0,4-5 мкм.
Недостатком электролита никелирования является то, что полученные покрытия обладают низкими антифрикционными свойствами.
Известен электролит никелирования для получения композиционных электрохимических покрытий, содержащий, г/л:
сульфат никеля
220
хлорид никеля
45
ацетат натрия или калия
30
фуллерен C<sub>60</sub>
0,025-0,050 (патент РФ №2280109)
Недостатком известного электролита является низкая износостойкость получаемого покрытия.
Известен также электролит для осаждения композиционного покрытия никель - фторопласт, который содержит, г/л:
хлорид никеля
150-350
борная кислота
25-40
хлорамин Б
1,5-4,5
фторопластовая эмульсия
7-35 (патент РФ №2297476)
Недостатком известного электролита является неудовлетворительная износостойкость получаемых композиционных покрытий, т.е. они могут работать только при низких нагрузках.
Известен электролит никелирования для осаждения композиционных покрытий следующего состава, г/л:
сульфат никеля
200
хлорид никеля
40
бисульфат графита
2-10
ацетат никеля или ацетат калия
30 (патент РФ №2352695)
Недостатком известного электролита для получения покрытия является низкая износостойкость и отсутствие промышленного выпуска бисульфата графита.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является электролит никелирования, содержащий, г/л:
никель сульфаминовокислый
300-440
никель хлористый
4-15
кобальт сульфаминовокислый
или железо сульфаминовокислое
12-27
борная кислота
25-40
наночастицы оксида металла групп
IIIA, IVB, VB, VIB и/или
карбида металла
групп IVB, VB, VIB
2-100
ПАВ
0,01-0,1
вода
до 1 л (патент РФ №2293803)
2
Наночастицы имеют дисперсность 50-200 нм и удельную поверхность 20-390 м/г.
Недостатком прототипа является то, что покрытия, сформированные в этом электролите, не обладают достаточными антифрикционными свойствами и не обеспечивают высокой износостойкости.
Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка электролита никелирования, обеспечивающего получение композиционно-кластерных гальванических покрытий (ККГП) на основе никеля, имеющих повышенные значения микротвердости, износостойкости и улучшенные антифрикционные свойства.
Для решения поставленной задачи предложен электролит никелирования, содержащий никель сульфаминовокислый, никель хлористый, кобальт сульфаминовокислый, борную кислоту, поверхностно-активное вещество, наночастицы оксида металла и воду, который в качестве наночастиц оксида металла содержит оксид алюминия и/или оксид циркония, а в качестве поверхностно-активного вещества -натрий лаурилсульфат и дополнительно содержит микрочастицы оксида алюминия ά и γ фазы и дисульфида молибдена при следующем соотношении компонентов, г/л:
никель сульфаминовокислый
325-440
никель хлористый
4-10
кобальт сульфаминовокислый
12-30
борная кислота
25-40
натрий лаурилсульфат
0,01-0,1
наночастицы оксида алюминия
и/или оксида циркония
2-55
микрочастицы:
оксид алюминия ά и γ фазы
10-40
дисульфид молибдена
1-4
вода
до 1 л
Микрочастицы оксида алюминия и дисульфида молибдена имеют дисперсность 0,5÷20 мкм.
В качестве блескообразующей добавки электролит дополнительно содержит сахарин.
2
3
2
2
3
Установлено, что введение в электролит микрочастиц AlO ά и γ фазы, а также MoS способствует формированию композиционной структуры с улучшенными физико-механическими свойствами (износостойкость, микротвердость, антифрикционные свойства). При использовании микрочастиц AlO β-фазы композиционное покрытие не формируется, в связи с неустойчивым фазовым состоянием данной модификации в сульфаминовокислом электролите.
Одновременное введение в электролит наночастиц оксида алюминия и/или оксида циркония и микрочастиц в виде композиции из оксида алюминия ά и γ фазы и дисульфида молибдена, обеспечивает получение поликомпозиционного самосмазывающегося покрытия, сочетающего низкий коэффициент трения - скольжения и высокую износостойкость. Частицы дисульфида молибдена вводят в композиционное покрытие для того, чтобы снизить эффект непосредственного трибологического контакта. Вследствие ориентации частиц дисульфида молибдена кристаллической плоскостью базиса параллельно направлению трения и, следовательно, действию сдвиговых деформаций, обеспечивается локализация этих деформаций в смазочном слое, что обеспечивает снижение энергетических потерь в процессе трения, поскольку сопротивление сдвигу в этих слоях существенно ниже, чем в материале подложки.
Установлено, что лаурилсульфат натрия, как поверхностно-активное вещество, поддерживает седиментационную устойчивость нано- и микрочастиц и увеличивает рассеивающую способность электролита. Электролит содержит сахарин в качестве блескообразователя.
Примеры осуществления
Пример 1
Электролит никелирования готовили путем смешивания приготовленного раствора сульфаминовокислого никеля с остальными компонентами. Оксид алюминия άи γ фазы и дисульфид молибдена вводили в электролит в виде суспензии и осаждали композиционное покрытие с применением активного барботажа электролита воздухом при вертикальном расположении анода и катода.
В качестве наночастиц оксида металла использовали оксид алюминия и/или оксид циркония.
2
2
3
2
Осаждение никелевого покрытия проводили при следующих соотношениях компонентов, г/л: никель сульфаминовокислый - 325, никель хлористый - 4, кобальт сульфаминовокислый - 12, борная кислота - 25, натрий лаурилсульфат - 0,01, сахарин - 0,5, наночастицы ZrO - 2, микрочастицы AlO ά и γ фазы - 10, микрочастицы MoS - 4.
2
Режим осаждения: температура 42°C, рН=4,0, плотность тока 5 А/дм.
Примеры 2, 3, 4 аналогичны примеру 1.
В таблице 1 представлены составы электролитов, где примеры 1-4 - предлагаемый состав, пример 5 - прототип.
В таблице 2 представлены физико-механические свойства (микротвердость, износостойкость) композиционно-кластерных никелевых покрытий, получаемых из предлагаемого электролита и прототипа.
Таблица 1
Составы электролитов никелирования
Состав электролита, г/л
1
2
3
4
5 (прототип)
Никель сульфаминовокислый
325
360
400
440
400
Никель хлористый
4
6
8
10
10
Кобальт сульфаминовокислый
12
18
24
30
20
Борная кислота
25
30
35
40
35
Натрия лаурилсульфат
0,01
0,04
0,08
0,1
0,08
Сахарин
0,5
1,5
0,8
Наночастицы, Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
-
15
30
20
30
Наночастицы, ZrO<sub>2</sub>
2
-
-
35
-
Микрочастицы, Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> ά и γ фазы / дисперсность, мкм
10/0,5
20/5
30/10
40/20
-
Микрочастицы, MoS<sub>2</sub> / дисперсность, мкм
2/5
3/10
1/20
4/0,5
-
Таблица 2
Физико-механические свойства композиционно-кластерных никелевых покрытий, получаемых из предлагаемых электролитов и прототипа
№ п/п
Микротвердость, МПа
Износостойкость в условиях сухого торцового трения
Момент трения
Коэфф. трения
Износ, мг
1
5700
незначительное повышение в начальный период (процесс приработки)
0,46
0,7
2
6200
стабильный
0,43
0,6
3
6500
стабильный
0,42
0,6
4
5900
незначительное повышение в начальный период (процесс приработки)
0,48
0,7
5
5500
равномерное повышение в процессе трения с образованием кольцевых бороздок по всей поверхности покрытия
0,57
1,3
Полученные покрытия по внешнему виду соответствуют требованиям ГОСТ 9.301-86.
Контроль содержания микрочастиц в композиционном покрытии проводили микроскопическим способом с применением металографического метода.
Контроль прочности сцепления проводили методом нагрева по ГОСТ 3802-88. Контроль микротвердости проводили с помощью микротвердомера ПМТ-3М при нагрузке 50 г.
Контроль износостойкости и антифрикционных характеристик покрытий проводили на образцах типа Н03-264 на машине торцевого трения И-47 по СТП 1.595-14-285-9.
Как видно из таблицы 2, покрытие, получаемое из предлагаемого электролита, по сравнению с прототипом обладает повышенной на 15-20% микротвердостью, пониженным на 15-25% коэффициентом трения по стали, увеличенной более чем в 2 раза износостойкостью.
Применение предлагаемого электролита увеличит ресурс работы узлов машин и механизмов.