КОМПОЗИЦИОННОЕ ПОКРЫТИЕ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ С УЛЬТРАДИСПЕРСНЫМИ АЛМАЗАМИ
COMPOSITE COATING BASED ON NICKEL WITH ULTRA-DISPERSED DIAMONDS

Изобретение относится к области композиционных покрытий на основе никеля, содержащих ультрадисперсные алмазы, которые могут быть сформированы на различных металлических деталях (алюминий, сталь, медь, титан), работающих в условиях повышенного износа и в присутствии агрессивных сред.
Известно никель-фосфорное покрытие, полученное химическим осаждением, содержащее, мас. %: фосфор - 3-7, никель - остальное (Гальванотехника: Справ. изд. Ажогин Ф.Ф., Беленький М.А., Галль И.Е. и др. - М.: Металлургия, 1987. - 736 с. - Таблица 9.8, раствор №5). Покрытие получают из раствора, содержащего, г/л: никель сернокислый - 20-30, гипофосфит натрия - 10-25, натрий уксуснокислый - 8-15, уксусная кислота - 6-10, тиомочевина - 0,001-0,002. Получаемое никель-фосфорное покрытие обладает определенными физико-механическими показателями, а именно микротвердостью, износостойкостью и коррозионной стойкостью.
Недостатком химически осажденного никелевого покрытия является его хрупкость (непластичность). Покрытие не рекомендуется подвергать гибке, развальцовке, при механических воздействиях (изгибе, ударе и др.) происходит растрескивание, выкрашивание металла, это начинает проявляться при толщине, превышающей 15 мкм.
Защитные свойства данного покрытия определяются химической стойкостью покрытия, его структурой, но также наличием пор в покрытии. В тонких слоях (1-3 мкм) покрытия пористы, полностью пористость устраняется при толщине больше 15 мкм. Например, для обеспечения защиты алюминия и его сплавов при эксплуатации в легких условиях необходима толщина химического никеля 15-24 мкм. Таким образом, толщина покрытия, которая необходима для обеспечения коррозионной стойкости, приводит к потере пластичности покрытия, что и относится к причинам, препятствующим его использованию.
Данное покрытие по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является ближайшим к заявляемому и выбрано в качестве прототипа.
Улучшить свойства никель-фосфорного покрытия и расширить область его применения можно с помощью модифицирования покрытий частицами ультрадисперсных алмазов.
Известен способ получения металлоалмазных химических покрытий (патент на изобретение RU 2375494, МПК С23С 18/16, 10.12.2009), при реализации которого покрытие получают из раствора, содержащего, г/л: сернокислый никель - 22, гипофосфит натрия - 23, хлористый аммоний - 30, аммиак - 45, уксуснокислый натрий - 45, наноалмазы с размером частиц 0,004-0,1 мкм - 2-20. Покрытие характеризуется повышенными микротвердостью, износостойкостью и коррозионной стойкостью.
3
Известен способ получения никель-алмазных химических покрытий (патент на изобретение RU 2357002, МПК С23С 18/36, 27.05.2009). Покрытие получают из раствора, содержащего, г/дм: сернокислый никель - 16-27, гипофосфит натрия - 21-24, хлористый аммоний - 28-32, аммиак - 47-52, натрий лимоннокислый - 40-50, наноалмазы с размером частиц 0,004-0,450 мкм - 3-15. Характеристики покрытия отличаются повышенными микротвердостью, износостойкостью и коррозионной стойкостью.
При реализации вышеуказанных способов введение в раствор для никелирования ультрадисперсных алмазов приводит к улучшению физико-механических свойств металлоалмазного покрытия за счет совершенствования его микроструктуры. Структура покрытия главным образом определяется химическим составом покрытия, т.е. количеством и размером частиц ультрадисперсных алмазов в покрытии. В указанных способах химический состав покрытия не определяли.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание покрытия с повышенной пластичностью за счет уменьшения его толщины, но при сохранении основных физико-механических показателей.
Техническим результатом является повышение пластичности покрытия при сохранении его высокой коррозионной и износостойкости.
Указанный технический результат достигается тем, что раствор для получения покрытия, содержащий, г/л: никель сернокислый - 20-30, гипофосфит натрия - 10-25, натрий уксуснокислый - 8-15, уксусная кислота - 6-10, тиомочевина - 0,001-0,002, дополнительно содержит частицы ультрадисперсных алмазов (далее «УДА») с размером частиц 0,1-0,5 мкм в количестве 1-5 г/л раствора. В результате получается покрытие со следующим соотношением компонентов, мас. %:
фосфор - 3-6,
частицы ультрадисперсных алмазов - 0,4-0,8,
никель - остальное.
Повышение содержания частиц УДА в растворе 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 частиц УДА в растворе ниже 1 г/л количество частиц УДА в покрытии невозможно определить из-за малой величины, и оно практически не влияет на свойства покрытия.
Для проведения сравнительных испытаний покрытий ХимН (из раствора по прототипу) и покрытия ХимНУДА (из раствора с добавлением частиц УДА) готовили раствор по указанному в прототипе составу, затем приготовленный объем делили на 2 части: одну часть использовали для получения покрытия ХимН, в другую часть вводили частицы ультрадисперсных алмазов для получения покрытия ХимНУДА. Покрытие никель-фосфор-алмаз получали из предлагаемого раствора осаждением в течение 1 ч при температуре 87-90°С и рН 4-5. Толщина покрытия составила 10-12 мкм. Содержание частиц УДА в покрытии определяли на анализаторе углерода CS-200 (фирма LECO).
Ниже приводятся примеры получения конкретных покрытий и их характеристик при различном содержании частиц УДА в растворе.
Пример 1
Покрытие получали из раствора состава-прототипа, дополнительно содержащего частицы УДА размером 0,1-0,5 мкм в количестве 1 г/л. Состав покрытия, мас. %: фосфор 4,5, частицы УДА 0,4, никель 95,1.
Пример 2
Покрытие получали из раствора состава по прототипу, дополнительно содержащего частицы УДА размером 0,1-0,5 мкм в количестве 2 г/л. Состав покрытия, мас. %: фосфор 4,5, частицы УДА 0,5, никель 95,0.
Пример 3
Покрытие получали из раствора состава по прототипу, дополнительно содержащего частицы УДА размером 0,1-0,5 мкм в количестве 5 г/л. Состав покрытия, мас. %: фосфор 4,5, углерод 0,8, никель 94,7.
Анализ морфологии поверхности покрытий с частицами УДА показал наличие полусфер размером ~250 нм (от 100 до 500 нм), что соответствует размеру частиц, распределенных в объеме раствора.
Спектр размеров частиц и доли частиц каждого размера в электролите, полученный с помощью лазерного анализатора частиц, показал, что наибольшую долю составляют частицы размером от 1 до 5 мкм.
Содержание частиц в растворе определяли также турбидиметрическим методом, исходя из известной концентрации исходной водной суспензии УДА. При отстаивании раствора с частицами УДА в течение 1-3 ч наиболее крупные частицы под действием сил гравитации оседают, а более мелкие (0,1-0,5 мкм) распределены в объеме раствора и непосредственно участвуют в осаждении покрытия.
Содержание частиц УДА в покрытиях, полученных из раствора с частицами УДА (2 г/л) после отстаивания, составило ~0,4-0,5%.
Таким образом, в процессе химического осаждения никеля участвуют частицы УДА только определенного размера от 100 до 500 нм.
Количество частиц УДА в покрытии 0,4-0,8% определяется содержанием частиц УДА в растворе для химического никелирования от 1 до 5 г/л. Данное покрытие обладает улучшенными свойствами по сравнению с покрытием ХимН (прототип) без УДА.
Микротвердость покрытий измеряли на твердомере DuraScan 20 фирмы EmcoTest. Данный твердомер выполняет измерение по Виккерсу (ГОСТ Р ИСО 6507-1-2007).
Термообработку покрытий проводили при температуре 400°С. После термообработки микротвердость покрытий увеличилась, причем покрытия с содержанием частиц УДА 0,4-0,5%) почти в 2 раза.
Измерение микротвердости исследованных покрытий показало, что микротвердость композиционных покрытий увеличилась (таблица 1).
В скобках указано содержание частиц УДА в покрытии, %.
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.
Результаты измерения износостойкости и коэффициента трения приведены в таблице 2.
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% NaCl с помощью потенциостата IPC-Pro ЗА.
В таблице 3 представлены данные по коррозионным исследованиям покрытий ХимН и ХиМНУДА.
Потенциал коррозии покрытия ХимНУДА сдвинут в менее отрицательную область по сравнению с потенциалом коррозии покрытия ХимН, ток коррозии соответственно уменьшился.
Предлагаемое композиционное покрытие с частицами ультрадисперсных алмазов позволяет снизить толщину покрытия на основе никеля до ≤10 мкм, что приводит к повышению пластичности, при этом обеспечивается достаточно высокие показатели по коррозионной стойкости и износостойкости.
Таким образом, вся совокупность существенных признаков изобретения обеспечивает достижение заявленного технического результата.