СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НИКЕЛЬ-АЛМАЗНОГО ПОКРЫТИЯ
METHOD FOR PRODUCING NICKEL-DIAMOND COATING

Изобретение относится к области получения композиционных покрытий, в том числе получаемых химическим осаждением никелевых покрытий, модифицированных ультрадисперсными алмазами (далее «УДА»). Данное покрытие можно получать на металлических поверхностях из алюминия, стали, меди, титана и др.
Известен способ получения металл-алмазных химических покрытий из раствора, в который вводят наноалмазы с размером кластерных агрегатов в диапазоне 0,004-0,1 мкм в количестве 2-20 г/л. В частных случаях осуществления изобретения наноалмазы вводят в раствор в виде гидрозоля, или порошка, или суспензии. Повышаются физико-механические характеристики покрытий. Патент на изобретение RU 2375494, МПК С23С 18/16, С23С 18/36, 10.12.2009. Улучшение эксплуатационных характеристик покрытия связано с введением в электролит наноалмазов с размером 0,004-0,1 мкм.
Свойства покрытия зависят не только от размера частиц, которые вводят в электролит для осаждения покрытия, но и от их количества в покрытии. Повышение физико-механических свойств и коррозионной стойкости покрытия может быть достигнуто введением определенного количества наноалмазов в покрытие. Поддержание минимального размера наноалмазов в растворах-электролитах без дополнительной их обработки возможно только в более узком интервале концентраций или при более низкой концентрации (≤2 г/л) из-за потери коллоидной устойчивости гидрозолей в условиях осаждения покрытий.
Известен способ получения композиционного покрытия, включающий осаждение металлического покрытия из водного электролита-суспензии с ультрадисперсными частицами алмаза, при реализации которого осаждение проводят при постоянном восстановлении отработанной суспензии по размерам ультрадисперсных частиц воздействием ультразвуковых колебаний путем замены отработанной суспензии на восстановленную каждые 15-20 минут принудительной циркуляцией между сообщающимися ваннами гальванического осаждения и восстановления электролита (патент на изобретение RU 2557188, МПК C25D 15/00, 20.07.2015). Данный способ принят в качестве прототипа. Недостатком данного способа является необходимость проведения дополнительных операций по очистке ультрадисперсных алмазов, а также непрерывное диспергирование электролита для поддержания определенного размера частиц в электролите.
Предлагаемый способ не требует дополнительных операций по обработке и очистке ультрадисперсных алмазов, а также операций по поддержанию определенного размера частиц ультрадисперсных алмазов в процессе осаждения покрытия, позволяет получать покрытия с улучшенными свойствами и определенным составом. В процессе осаждения покрытия принимают участие частицы только определенного размера, их количество и размер определяют улучшенные свойства композиционного покрытия.
Техническим результатом является упрощение технологии формирования покрытия и обеспечение получения покрытия определенного состава и свойств.
Технический результат достигается тем, что в способе получения никель-алмазного покрытия, включающем подготовку металлической поверхности путем химической и (или) электрохимической обработки, приготовление раствора с ультрадисперсными алмазами и осаждение металлического покрытия, водную суспензию ультрадисперсных алмазов в исходном состоянии предварительно подвергают ультразвуковому диспергированию в течение 30-60 мин; в дистиллированной воде растворяют никель сернокислый, натрий уксуснокислый и кислоту уксусную, нагревают раствор до температуры 87-90°С; в полученный раствор вводят водную суспензию ультрадисперсных алмазов в количестве 1-5 г/л, проводят ультразвуковое диспергирование раствора в течение 5 мин; вводят гипофосфит натрия и тиомочевину, проводят ультразвуковое диспергирование раствора в течение 5 мин; из полученного раствора химически осаждают покрытие на подготовленную металлическую поверхность при температуре 87-90°С и скорости осаждения 0,15-0,2 мкм/мин до получения покрытия требуемой толщины.
Покрытие наносили при рН 4,3-4,8 из раствора, содержащего, г/л: никель сернокислый - 20-30, гипофосфит натрия - 10-25, натрий уксуснокислый - 10-15, уксусная кислота - 4-6, тиомочевина - 0,001-0,003, ультрадисперсные алмазы - 1-5.
Повышение содержания УДА выше 5 г/л создает трудности при осаждении покрытия из-за «загущения» раствора. При этом также требуются дополнительные меры для поддержания определенного размера частиц в растворе.
При содержании УДА в растворе ниже 1 г/л количество частиц УДА в покрытии снижается и его невозможно определить применяемым методом, что практически не влияет на свойства покрытия.
Исходная водная суспензия с содержанием УДА 50-100 г/л перед введением в электролит подвергалась ультразвуковому диспергированию в течение 30-60 мин.
При приготовлении раствора последовательно растворяют никель сернокислый, натрий уксуснокислый, уксусную кислоту. После нагрева раствора до 87-90°С в него вводят ультрадисперсные алмазы, проводят ультразвуковое диспергирование раствора в течение 5-10 мин, затем вводят тиомочевину, гипофосфит натрия, повторно проводят ультразвуковое диспергирование в течение 5 минут, после чего ведут осаждение покрытия.
В процессе химического осаждения никеля участвуют частицы размером 0,1-0,5 мкм.
Содержание частиц УДА в покрытии зависит от концентрации УДА в электролите. При размере частиц в покрытии 0,1-0,5 мкм и концентрации 1 и 2 г/л УДА в электролите содержание частиц УДА составило 0,4-0,5%, при концентрации 5 г/л - 0,8%.
Микротвердость покрытий измеряли на твердомере DuraScan 20 фирмы EmcoTest. Данный твердомер выполняет измерение по Виккерсу (ГОСТ Р ИСО 6507-1-2007). Измерение микротвердости исследованных покрытий показало, что микротвердость композиционных покрытий увеличилась.
Исследования износостойкости и коэффициента трения скольжения по схеме «стержень-диск» проводили на приборе Tribometer, CSM Instr. Диаметр пятна износа контртела (материал шарика сталь 95X18) и ширину бороздки износа на образце определяли на оптическом микроскопе Axiovert 25.
Уменьшение толщины покрытия приводит к снижению коэффициента трения. Покрытие с содержанием частиц УДА в покрытии 0,4-0,8%) и толщиной 10 мкм обладает наиболее низким коэффициентом трения и наилучшей прирабатываемостью, т.к. при испытаниях оно дает наименьший износ покрытия и контртела.
Коррозионные свойства покрытий изучали по экспресс-методике путем снятия поляризационных кривых в 3%-ном растворе NaCl с помощью потенциостата IPC-Pro 3А.
Сравнительные коррозионные испытания показали, что композиционные покрытия с УДА имеют ток коррозии меньшей величины, чем покрытие без них.
Для обеспечения защитной способности покрытия и его функциональных свойств требуется значительно меньшая по величине толщина покрытия химическим никелем с ультрадисперсными алмазами, чем толщина покрытия химическим никелем без них.
Потенциал коррозии покрытия ХимНУДА сдвинут в менее отрицательную область по сравнению с потенциалом коррозии покрытия ХимН, ток коррозии соответственно уменьшился.
Свойства покрытий химическим никелем с ультрадисперсными алмазами и без них представлены в таблице.
Примеры получения конкретных покрытий на разных материалах.
Пример №1. Химическое никелирование с УДА образцов из алюминиевого сплава АМц
Подготовка образцов из алюминиевого сплава АМц перед никелированием включает: 1) обезжиривание в органических растворителях; 2) химическое обезжиривание при температуре 60-80°С в течение до 10 мин в растворе, содержащем, г/л: тринатрийфосфат 30-70, сода кальцинированная 10-20; 3) травление при температуре 45-80°С в течение 10-90 с в растворе натра едкого с содержанием 50-100 г/л; 4) осветление в растворе азотной кислоты с концентрацией 400-900 г/л; 5) нанесение при температуре 15-30°С в течение 15-120 с цинкатного слоя в растворе состава, г/л: окись цинка 18-25; натр едкий 100-120; калий-натрий виннокислый 45-50; железо треххлористое 1,5-3; 6) снятие цинкатного слоя в растворе кислоты азотной с концентрацией 400-900 г/л; 7) повторное нанесение цинкатного слоя.
Приготовление раствора для химического никелирования проводят в следующей последовательности: 1) перед началом работы водную суспензию ультрадисперсных алмазов в исходном состоянии подвергают ультразвуковому диспергированию в течение 30-60 мин; 2) растворяют в дистиллированной воде никель сернокислый, натрий уксуснокислый и кислоту уксусную; 3) нагревают раствор до температуры 87-90°С; 4) вводят ультрадисперсные алмазы; 4) проводят ультразвуковое диспергирование раствора в течение 5 мин; 5) вводят гипофосфит натрия и тиомочевину; 6) проводят ультразвуковое диспергирование раствора в течение 5 мин.
Химическое никелирование проводят до получения покрытия требуемой толщины при скорости осаждения 0,15-0,2 мкм/мин и температуре 87-90°С в растворе состава, г/л:
никель сернокислый 20-30; натрия гипофосфит 10-25; натрий уксуснокислый 10-15; кислота уксусная 4-6 мл/л; тиомочевина 0,001-0,003; УДА 2.
Пример №2. Химическое никелирование с УДА образцов из коррозионностойкой стали 12Х18Н10Т
2
2
2
Подготовка образцов из коррозионно-стойкой стали перед никелированием включает: 1) обезжиривание в органических растворителях; 2) обезжиривание электрохимическое при температуре не менее 70°С в течение 2-10 мин в растворе состава, г/л: тринатрийфосфат 30-70; сода кальцинированная 20-40; натр едкий 5-15; стекло натриевое жидкое 5-10; плотность тока анодная 3-10 А/дм; 3) травление электрохимическое при температуре 15-30°С в растворе состава, г/л: кислота серная 70-100; плотность тока 10-15 А/дм; время: анодный период 30 с; катодный период 30 с; 4) активация электрохимическая при температуре 15-30°С в течение 30 с в растворе состава, г/л: никель хлористый 200-250; кислота соляная 50-100; плотность тока катодная 5-10 А/дм.
Приготовление раствора и химическое никелирование проводили по примеру №1.
Пример №3. Химическое никелирование с УДА образцов из титанового сплава ВТ1-0
Подготовка образцов из титанового сплава ВТ1-0 перед никелированием включает: 1) обезжиривание в органических растворителях; 2) химическое обезжиривание при температуре 15-30°С в течение 30 с в растворе, содержащем, г/л: натр едкий 40-50, тринатрийфосфат 10-20, стекло натриевое жидкое 30-40, добавка ДХТИ-НТ 2-5; 3) травление при температуре 15-30°С в течение 30-45 с в растворе, содержащем, г/л: кислота фтористоводородная 185-200, кислота азотная 10-15; 4) осветление при температуре 15-30°С в течение 30-45 с в растворе, содержащем, г/л: кислота фтористоводородная 10-30, кислота азотная 300-400; 5) гидридная обработка при температуре 70-80°С в течение 10-15 мин в растворе кислоты серной 550-700 г/л.
Приготовление раствора и химическое никелирование проводили по примеру №1.
Предлагаемый способ позволяет упростить технологию покрытия химическим никелем с ультрадисперсными алмазами за счет исключения дополнительных операций по поддержанию определенного размера частиц ультрадисперсных алмазов в процессе осаждения покрытия. Также предлагаемый способ позволяет получать покрытия с определенными составом и свойствами.