ЭЛЕКТРОЛИТ ДЛЯ ОСАЖДЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО ПОКРЫТИЯ НИКЕЛЬ-КОБАЛЬТ-ОКСИД КРЕМНИЯ-ФТОРОПЛАСТ
ELECTROLYTE FOR DEPOSITION OF NICKEL-COBALT-SILICON OXIDE-PLASTIC FLUOR COMPOSITE COATING

Изобретение относится к области гальванотехнике, в частности, к осаждению композиционного покрытия никель-кобальт-фторопласт, с целью применения их в различных отраслях промышленности, в качестве износостойких покрытий. Чем выше эти характеристики, тем выше надежность и долговечность изделий и шире область их применения.
Известны электролиты для нанесения сплавов и композиционных покрытий на основе никеля с целью получения покрытий с повышенной износостойкостью следующего состава, г/л:
2
9
12
10
10
12
12
2-
2-
1. хлорид никеля 200-300, борная кислота 20-30, соль анионного полиэдрического бората (в пересчете на CBHBH ,BH ) 0,5-1,0, спирты ряда 2, 2, 6, 6 - тетраметилпиперидин 0,2-0,9, соляная кислота или гидрокись аммония (35%) до рН 1-5 (Гальванические покрытия сплавом никель-бор взамен хрома. Кукоз Ф.И., Кудрявцева И.Д., Сысоев Г.Н., Балакай В.И. // Теоретические основы технологии нанесения химических покрытий из металлов и сплавов: Тез. докл. Укр. республ. конф. - К., 1988. - С.34-35.).
2
9
12
10
10
]2
I2
2-
2. хлорид никеля 200-300, борная кислота 25-35, соль анионного полиэдрического бората (в пересчете на CBH ВН BH ) 0,5-6,0, фторопластовая эмульсия Ф-4Д 5-30 (Балакай В.И. Электролит для осаждения композиционного покрытия никель-бор-фторопласт. Пат. 2213812 Рос. Федерация, МПК 7 С25Д 15/00. - №2002113832/02; заявл. 27.05.2002; опубл. 10.10.2003, Бюл. №28.).
3. хлорид никеля 150-350, борная кислота 25-40, хлорамин Б 1,5-4,5, фторопластовая эмульсия Ф-4Д-Э 5-35 (Балакай В.И., Балакай И.В., Герасименко Ю.Я Электролит для осаждения композиционного покрытия никель-фторопласт. Пат. 2297476 Рос. Федерация, МПК 7 C25D 15/00. - №2005130886/02; - заявл. 05.10.2005; опубл. 20.04.2007; Бюл. №11.)
Однако покрытия, осажденные из данных электролитов, имеют недостаточную износостойкость.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению относится электролит для осаждения сплава композиционного электролитического покрытия никель-кобальт-фторопласт содержащий хлорид никеля, хлорид кобальта, борную кислоту, хлорамин Б и фторопластовую эмульсию при следующем соотношении компонентов, г/л:
хлорид никеля
200-350,
хлорид кобальта
2-10,
борная кислота
25-40,
хлорамин Б
1,5-45
фторопластовая эмульсия Ф-4Д
7-35.
2
Режимы электролиза: рН 1,1-5,5, температура 18-40°С, катодная плотность тока 1,0-12,0 А/дм при перемешивании.
(Балакай В.И., Арзуманова А.В., Курнакова Н.Ю., Балакай И.В., Балакай К.В. Электролит для осаждения композиционного покрытия никель-кобальт-фторопласт Пат.2352694 Рос. Федерация, МПК С25Д 15/00. - №2008110630/02; заявл. 19.03.2008; опубл. 20.04.2009, Бюл. №. 11.)
Покрытия осажденные из данного электролита имеют недостаточную износостойкость.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение износостойкости микротвердости.
Поставленная задача достигается тем, что электролит, содержащий хлорид никеля, хлорид кобальта, борную кислоту, фторопластовую эмульсию Ф-4Д-Э, хлорамин Б вводили оксид кремния, при следующем соотношении компонентов, г/л:
хлорид никеля
200-350,
хлорид кобальта
2-10,
борная кислота
25-40,
хлорамин Б
1,5-3,0,
оксид кремния
1-30,
фторопластовая эмульсия Ф-4Д
7-35.
2
Режимы электролиза: рН 1,5-5,5, температура 18-40°С, катодная плотность тока 1,0-11,0 А/дм при перемешивании механической мешалкой (50-100 об/мин).
Наличие оксида кремния в электролите позволяет электроосаждать композиционное покрытие никель-кобальт-оксид кремния-фторопласт с высокой износостойкостью.
Сплав никель-кобальт является хорошим конструкционным материалом, и поэтому большое значение имеет разработка на его основе покрытий обладающих высокой износостойкостью и низким коэффициентом трения. С целью увеличения износостойкости сплава никель-кобальт было предложено дополнительно вводить в покрытие фторопласт (так называемый самосмазывающий материал), который образует на поверхности композиционных покрытий никель-кобальт-фторопласт тонкую пленку из фторопласта в результате трения двух поверхностей друг о друге и раздавливанию фторопласта находящегося в покрытии (получены патенты №2352693, 2352694). Однако из-за того, что покрытие обычно не имеют идеально гладкую поверхностью, то более твердое покрытие в последнем случае своими выступами должно разрушать самосмазывающий материал, который образуется на поверхности покрытий в виде фторопласта с большей скоростью и тем самым снижать износостойкость покрытий и их коэффициент трения. Кроме того основа должна иметь более высокую микротвердость. Поэтому было предложено с целью увеличения износостойкости покрытий и снижения коэффициента трения наносить на трущиеся изделия не композиционное покрытие никель-кобальт-фторопласт, а композиционное покрытие никель-кобальт-оксид кремния-фторопласт, т.к. покрытия при введении в электролит оксида кремния получаются более мелкокристаллическими, равномерными и имеют более высокую микротвердость. В настоящее время из носостойкие и самосмазываемые покрытия представляют определенный практический интерес.
Пример 1. Электролит готовили следующим образом. В электролитической ванне, заполненной до ¾ необходимого объема водопроводной водой, при температуре 60-70°С растворяли 25 г/л борной кислоты, 1,5 г/л хлорамина Б, 200 г/л хлорида никеля и 2 г/л хлорид кобальта, после того как довели уровень электролита до необходимого объема вводили 1 г/л оксида кремния, 7 г/л фторопластовой эмульсии Ф-4Д. рН электролита доводили либо соляной кислотой, либо гидроокисью натрия или калия (100-150 г/л).
Приготовление остальных электролитов, включающих среднее, верхнее и заграничные концентрации компонентов, которые приведены в табл.1, производили по методике описанной выше. А значения износостойкости покрытий, осажденных из каждого электролита, приведены в табл.2, соответственно.
Сравнительные эксплуатационные характеристики электролитов и физико-механические свойства композиционных покрытий никель-кобальт-оксид кремния-фторопласт, осажденных при температуре (18-40°С) из предлагаемого электролита и из прототипа никель-кобальт-фторопласт приведены в табл.2.
Таблица 1
Составы электролитов и режимы электролиза
Состав электролитов и режимы электролиза
Концентрация компонентов, г/л
1
2
3
4
5
прот.
Хлорид никеля
150
200
275
350
370
250
Хлорид кобальта
1
2
6
10
15
6
Борная кислота
20
25
32
40
45
30
Хлорамин Б
1,0
1,5
2,2
3,0
3,5
3,0
Оксид кремния
0,8
1
15
30
40
-
Фторопластовая эмульсия Ф-4Д (ТУ 6-05-041-508-79)
5
7
20
35
38
20
рН электролита
5,7
5,5
3,0
1,1
1,0
3,0
Температура, °С
16
18
30
40
45
21
Катодная плотность тока, А/дм<sup>2</sup>
4
5
7
11
11
6
Граничные концентрации компонентов электролита выбраны по следующим соображениям:
1. Увеличение содержания никеля в электролите выше верхнего заявляемого предела нецелесообразно, что связано с предельной растворимостью хлорида никеля, уменьшением рассеивающей способности и стабильности электролита, ухудшением качества покрытий, увеличением расхода никеля за счет уноса электролита вместе с деталями;
2. Уменьшение содержания никеля в электролите ниже нижнего заявляемого предела приводит к уменьшению скорости процесса, снижению выхода по току и ухудшению качества осаждаемого покрытия;
3. Увеличение содержания кобальта в электролите выше верхнего заявляемого предела приводит к ухудшению качества покрытий, увеличению внутренних напряжений;
4. Уменьшение содержания кобальта в электролите ниже нижнего заявляемого предела приводит к ухудшению качества покрытий, снижению износостойкости покрытий;
5. Увеличение содержания борной кислоты в электролите выше верхнего заявляемого предела нецелесообразно. Это связано с пределом растворимости борной кислоты и ухудшением качества покрытий;
6. Уменьшение содержания борной кислоты ниже нижнего предела указанной концентрации приводит к уменьшению буферной емкости электролита, снижению выхода по току, интервалов работы электролита, ухудшению качества покрытий;
7. Увеличение содержания хлорамина Б выше верхнего заявляемого предела приводит к ухудшению качества покрытий, увеличению внутренних напряжений, снижению выхода по току и предельно допустимой катодной плотности тока;
8. Уменьшение содержания хлорамина Б ниже нижнего заявляемого предела приводит к ухудшению качества покрытий, увеличению внутренних напряжений;
9. Увеличение содержания оксида кремния выше верхнего заявляемого предела приводит к ухудшению качества покрытий, увеличению внутренних напряжений, снижению выхода по току и предельно допустимой катодной плотности тока;
10. Уменьшение содержания оксида кремния ниже нижнего заявляемого предела приводит к снижению износостойкости покрытий.
11. Увеличение содержания фторопластовой эмульсии выше верхнего заявляемого предела приводит к ухудшению качества покрытий, увеличению внутренних напряжений, снижению выхода по току и предельно допустимой катодной плотности тока.
Таблица 2
Физико-механические свойства покрытий
Характеристики электролитов и композиционных покрытий никель-кобальт-оксид кремния-фторопласт и никель-кобальт-фторопласт
Электролиты
1
2
3
4
5
Прот.
Износостойкость в условиях граничного трения со сталью Ст 45 при нагрузке 20-30 кгс/см<sup>2</sup>, мкм/ч
0,34
0,29
0,25
0,22
0,24
0,33
Микротвердость, ГПа
7,1
7,9
8,4
8,8
9,1
6,4
Внутренние напряжения, МПа
64,4
65,4
67,8
71,3
85,3
67,2
Сцепление с основной из стали, меди и ее сплавов
Удовлетворяет ГОСТ 9.302-84
Содержание кобальта, мас.%
0,5
1,6
4,4
6,9
9,1
-
Содержание оксида кремния, мас.%
0,4
0,8
1,5
2,2
2,7
-
Содержание фторопласта, мас.%
0,5
1,0
2,3
3,7
4,3
2,9
Стабильность, %
100
100
100
100
100
100
12. Уменьшение содержания фторопластовой эмульсии ниже нижнего заявляемого предела приводит к снижению износостойкости покрытий.
Как видно из табл.2, износостойкость композиционного покрытия никель-кобальт-оксид кремния-фторопласт, осажденного из заявляемого электролита, превышает износостойкость композиционного покрытия никель-кобальт-фторопласт, осажденного из прототипа в 1,3-1,4 раза при сохранении основных физико-механических свойств покрытий.
Это позволяет расширить область применения композиционного покрытия никель-кобальт-оксид кремния-фторопласт в качестве износостойкого покрытия в машиностроении.