СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОМОДИФИЦИРОВАННОГО ГАЛЬВАНИЧЕСКОГО ХРОМОВОГО ПОКРЫТИЯ
PROCEDURE FOR PRODUCTION OF NANO-MODIFIED GALVANIC CHROMIUM COATING

Изобретение относится к гальванотехнике, в частности к нанесению хромовых покрытий.
Известен способ получения композиционного покрытия на основе хрома [1], которое получают электрохимическим осаждением из саморегулирующегося бариевого электролита, содержащего взвесь коллоидных кластерных частиц алмаза и при содержании в электролите хромового ангидрида и серной кислоты в количестве 200-225 и 0,9-1,0 соответственно.
Такой способ обеспечивает получение больших толщин покрытия с сохранением заданных свойств по всей его толщине, однако покрытие при этом обладает недостаточной микротвердостью.
2
Этот недостаток частично устранен в принятом за прототип способе получения композиционных металлоалмазных покрытий (см. патент РФ №2156838, МПК C25D 15/00, 2000 г.), согласно которому в электролит вводят очищенный ультрадисперсный алмазный порошок в количестве 2-20 г/л в виде электролитной суспензии с концентрацией ультрадисперсного алмазного порошка 8-10% с содержанием примесей не более 2% и удельной поверхностью 400-500 м/г.
Недостатками этого способа являются высокая себестоимость электролита хромирования.
Задачами, на решение которых направлено предлагаемое изобретение, являются:
- снижение себестоимости наномодифицированных гальванических покрытий,
- получение хромовых покрытий с высокой микротвердостью,
- получение беспористых хромовых покрытий.
Технический результат заключается в повышении микротвердости хромового покрытия при снижении затрат на вводимые в электролит дисперсные материалы.
Указанный технический результат достигается тем, что согласно способу получения наномодифицированного гальванического хромового покрытия, включающий его гальваническое осаждение, в электролит вводят наноуглеродный материал с числом графеновых слоев не более 30, наружным диаметром волокон от 10 до 60 нм, длиной не менее 2 мкм и с содержанием структурированного углерода не менее 95%, в количестве 0,03-0,08 г/л, после чего электролит обрабатывают ультразвуком.
В качестве наноуглеродного материала в электролит вводят наноматериал «Таунит», очищенный от никелевого катализатора.
2
Обработку электролита ультразвуком проводят с частотой 22 кГц, амплитудой 80 мкм при интенсивности звука 786 Вт/см.
Введение в электролит наноуглеродного материала с числом графеновых слоев не более 30, наружным диаметром волокон от 10 до 60 нм, длиной не менее 2 мкм и с содержанием структурированного углерода не менее 95%, в количестве 0,03-0,08 г/л с последующей обработкой электролита ультразвуком обеспечивает достижение микротвердости покрытия, превосходящей описанное в прототипе металалмазное покрытие, но при этом за счет введения наноматериала в гораздо меньшем количестве, чем алмазного порошка, достигается снижение себестоимости покрытия. Увеличение микротвердости покрытия происходит за счет совершенствования структуры хромового покрытия в результате воздействия на него наноуглеродных трубок в процессе осаждения. Одновременно увеличивается скорость осаждения и исключается пористость покрытия. Обработка электролита ультразвуком обеспечивает уменьшение размеров агломератов из углеродных наноматериалов и их более равномерное распределение в электролите.
Введение наноуглеродного материала в электролит наноматериала «Таунит», очищенного от никелевого катализатора, обеспечивает дополнительное снижение затрат на нанесение гальванических покрытий. В настоящее время описанный выше наноуглеродный материал получают методом каталитического пиролиза, причем в качестве катализатора в основном используются катализаторы на основе оксида никеля. После проведения синтеза наноуглеродного материала его очищают от катализатора промывкой в азотной кислоте, после чего материал промывают и сушат. Поскольку микропримеси никельсодержащего материала могут отрицательно влиять на процесс осаждения хромового покрытия, в настоящем изобретении предусмотрено применение очищенного от катализатора углеродного наноматериала, что позволяет массу дисперсного материала уменьшить не менее чем на 5-10% и снизить затраты на модификатор.
2
Проведение обработки электролита ультразвуком с частотой 22 кГц амплитудой 80 мкм, интенсивностью звука 786 Вт/см обеспечивает не только разрушение агломератов, но и обеспечивает равномерность распределения наноматериала в растворе, что обеспечивает получение беспористого покрытия.
Согласно изобретению поставленные задачи решают введением в состав электролита, содержащего хромовый ангидрид, серную кислоту и воду, дисперсного материала - наноуглеродного материала, зарегистрированного под торговой маркой «Таунит», при этом компоненты берут в следующем соотношении, г/л:
Хромовый ангидрид -150-300
Серная кислота - 1,5-3
Наноуглеродный материал («Таунит») - 0,03-0,08
При этом соотношение по массе хромового ангидрида и серной кислоты должно быть 100:1.
Наноуглеродный материал «Таунит» представляет собой длинные полые волокна, состоящие из графеновых слоев фуллереноподобной конструкции. Количество графеновых слоев не более 30, наружный диаметр волокон от 10 до 60 нм и длина не менее 2 мкм. При этом количество структурированного углерода в материале «Таунит» не менее 95%.
Согласно предлагаемому способу после введения в раствор электролита наноуглеродного материала «Таунит», электролит обрабатывают на ультразвуковой установке при частоте 22 кГц для уменьшения размеров агломератов из наноуглеродных трубок и их более равномерного распределения в электролите.
Подготовку поверхности деталей перед нанесением гальванического покрытия проводят стандартными способами с использованием известных растворов.
Для пояснения изобретения описан пример осуществления способа.
Пример.
Электрохимическое осаждение покрытия на предварительно подготовленную поверхность основы из материала сталь Ст3 проводят в электролите, содержащем (в г/л):
Хромовый ангидрид - 250
Серная кислота - 2,5
Углеродный наноматериал - 0,04
В качестве последнего вводят углеродный наноматериал «Таунит», изготовитель ООО «НаноТехЦентр» г.Тамбов, очищенный от никелевого катализатора, со следующими характеристиками:
Характеристика
Значение
Наружный диаметр, нм
15-40
Внутренний диаметр, нм
3-8
Длина, µм
2 и более
Общий объем примесей (%), аморфного углерода
0,3-0,5
Насыпная плотность, г/см<sup>3</sup>
0,4-0,5
2
После введения в раствор электролита наноуглеродного материала «Таунит» электролит обрабатывают на ультразвуковой установке с частотой 22 кГц, интенсивность ультразвуковой обработки: амплитуда 80 мкм, интенсивность звука 786 Вт/см.
2
2
2
2
Процесс проводят при температуре 50°С. Функция изменения тока: 1,5 минуты осуществляют работу при токе обратной полярности (когда деталь является анодом), при этом анодная плотность тока 40 А/дм, далее включают прямую полярность (когда деталь является катодом) и осуществляют толчок тока в течение одной минуты, катодная плотность тока при этом 150 А/дм, далее в течение одной минуты осуществляют плавный переход до катодной плотности тока 70 А/дм, после чего осуществляют нанесение покрытия в течение 60 минут при катодной плотности тока 70 А/дм. Получают покрытие средней толщиной 21 мкм.
Микротвердость измеряли на микротвердомере ПМТ-3 при нагрузке 150 г.
Пористость покрытия исследовали в соответствии по ГОСТ 9.302-88.
Полученное покрытие беспористо и достаточно равномерно распределено по поверхности детали.
2
2
Микротвердость составляет 2032 кг/мм (19,9 ГПа), тогда как наилучшее значение этого показателя для хромалмазных покрытий, заявленных в прототипе, составляет 930 кг/мм. Кроме того, наилучшие показатели хромалмазных покрытий получены при концентрации в электролите ультрадисперсного алмазного порошка 22 г/л, в то время как наилучшие результаты с добавлением наноуглеродного материала «Таунит» получены при его концентрации в электролите 0,04 г/л, т.е. меньшей в 550 раз. При соизмеримой себестоимости ультрадисперсного алмазного порошка и наноуглеродного материала «Таунит» в предлагаемом способе достигается существенное снижение себестоимости наномодифицированных гальванических покрытий.
Литература
7
1. Патент РФ №2031982, МПК C25D 15/00, 3/06, опубл. 1995 г.
7
2 Патент РФ №2156838, МПК C25D 15/00, опубл. 2000 г.