ЭЛЕКТРОЛИТ ДЛЯ ОСАЖДЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО ПОКРЫТИЯ НИКЕЛЬ-КОБАЛЬТ-ФТОРОПЛАСТ
COMPOSITION NICKEL COBALT FTOROPLASTIC COATING ELECTROLYTE

Изобретение относится к области гальванотехники, 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
3
2
1) хлорид никеля 60, сульфат никеля 300, борная кислота 30, CrО 100 (TiO 25, TiC 50) (Сайфуллин Р.С. Композиционные покрытия и материалы. - М: Химия, 1977. - 272 с);
2
9
12
10
10
12
12
2-
2-
2-
2) хлорид никеля 200-300, борная кислота 20-30, соль анионного полиэдрического бората (в пересчете на СВН , ВН , ВН ) 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
12
12
2-
2-
2-
3) хлорид никеля 200-300, борная кислота 25-35, соль анионного полиэдрического бората (в пересчете на СВН , ВН , ВН ) 0,5-6,0, фторопластовая эмульсия Ф-4Д-Э 5-30 (1. 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. - 4 с).
Однако покрытия, осажденные из данных электролитов, имеют недостаточную износостойкость.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению относится электролит для осаждения сплава никель-фторопласт, содержащий хлорид никеля, борную кислоту, хлорамин Б и фторопластовую эмульсию при следующем соотношении компонентов, г/л:
хлорид никеля
150-350,
борная кислота
25-40,
хлорамин Б
1,5-4,5,
фторопластовая эмульсия Ф-4Д-Э
5-35.
2
Режимы электролиза: рН 1,0-5,0, температура 20-40°С, катодная плотность тока 6-14 А/дм (Балакай В.И., Балакай И.В., Герасименко Ю.Я Электролит для осаждения композиционного покрытия никель-фторопласт. Пат. РФ 2297476, МПК 7 C25D 15/00. - №2005130886/02(034622); - заявл. 05.10.2005; опубл. 20.04.2007; Бюл. №11. - 3 с.)
Покрытия, осажденные из данного электролита, имеют недостаточную износостойкость.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение износостойкости.
Поставленная задача достигается тем, что электролит, содержащий хлорид никеля, борную кислоту, фторопластовую эмульсию Ф-4Д-Э, хлорамин Б, хлорид кобальта при следующем соотношении компонентов, г/л:
хлорид никеля
200-350,
хлорид кобальта
2-10,
борная кислота
25-40,
хлорамин Б
1,5-4,5,
фторопластовая эмульсия Ф-4Д-Э
(ТУ 6-05-041-508-79)
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.
Наличие кобальта в электролите позволяет электроосаждать композиционное покрытие никель-кобальт-фторопласт с высокой износостойкостью.
Никель является хорошим конструкционным материалом, поэтому большое значение имеет разработка на его основе покрытий обладающих высокой износостойкостью и низким коэффициентом трения. В связи с этим был разработан материал на основе никеля в виде сплава никель-бор, который обладает высокой твердостью и износостойкостью (получено авторское свидетельство №1387528). С целью увеличения износостойкости сплава никель-бор было предложено дополнительно вводить в покрытие фторопласт (так называемый самосмазывающий материал), который образует на поверхности композиционных покрытий никель-бор-фторопласт и никель-фторопласт тонкую пленку из фторопласта в результате трения двух поверхностей друг о друге и раздавливания фторопласта, находящегося в покрытии (получены патенты №2213812, 2213813, 2297476). Однако из-за того, что покрытие обычно не имеет 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. Поэтому было предложено с целью увеличения износостойкости покрытий и снижения коэффициента трения наносить на трущиеся изделия не композиционное покрытие никель-бор-фторопласт и никель-фторопласт, а композиционное покрытие никель-кобальт-фторопласт, т.к. покрытия при введении в электролит хлорида кобальта получаются более мелкокристаллическими и равномерными. В настоящее время износостойкие и самосмазываемые покрытия представляют определенный практический интерес.
3
4
Пример 1. Электролит готовили следующим образом. В электролитической ванне, заполненной до / 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 7 г/л фторопластовой эмульсии Ф-4Д-Э. 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-фторопласт, осажденных при температуре (18-40°С) из предлагаемого электролита и из прототипа никель-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
-
Борная кислота
20
25
32
40
45
30
Хлорамин Б
1,0
1,5
3,0
4,5
5,0
3,0
Фторопластовая эмульсия Ф-4Д-Э
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
6
9
14
13
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 фторопластовой эмульсии 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 фторопластовой эмульсии ниже нижнего заявляемого предела приводит к снижению износостойкости покрытий.
Таблица 2
Физико-механические свойства покрытий
Характеристики электролитов и композиционных покрытий никель-кобальт-фторопласт и никель-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
0,45
0,37
0,32
0,30
0,31
0,42
Микротвердость, ГПа
5,2
5,8
6,4
6,9
7,2
4,6
Внутренние напряжения, МПа
63,7
64,8
67,2
70,5
84,6
61,2
Пористость при толщине 4-5 мкм, пор/см<sup>2</sup>
0
1
1
1
2
1
Сцепление с основной из стали, меди и ее сплавов
Удовлетворяет ГОСТ 9.302-84
Содержание кобальта, мас.%
0,6
1,7
4,6
7,1
9,3
-
Содержание фторопласта, мас.%
0,7
1,1
2,5
3,9
4,4
2,9
Скорость осаждения, мкм/ч
36
61
75
138
147
75
Рассеивющая способность (по Херингу и Блюму), %
9
11
13
15
18
11
Стабильность, %
100
100
100
100
100
100
Как видно из табл.2, износостойкость композиционного покрытия никель-кобальт-фторопласт, осажденного из заявляемого электролита, превышает износостойкость композиционного покрытия никель-фторопласт, осажденного из прототипа, в 1,2-1,3 раза при сохранении основных физико-механических свойств покрытий.
Это позволяет расширить область применения композиционного покрытия никель-кобальт-фторопласт в качестве износостойкого покрытия в машиностроении.