СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОКСИДНОГО ПОКРЫТИЯ НА СТАЛИ
METHOD FOR OBTAINING OXIDE COATING ON STEEL

Изобретение относится к области электрохимии, в частности к нанесению упрочняющих, твердых, износостойких и защитных покрытий на стальные изделия, и может быть использовано для работы в узлах трения, упрочнения поверхностей деталей, радиоэлектронной и лакокрасочной промышленности.
-1
-2
Известен способ осаждения покрытия из электролита содержащего, г·л: хлористое железо 350-400, кобальт хлористый 5-50 и соляную кислоту 0,5-2,0 при температуре 30-50°С, интервале катодных плотностей тока 30-60 А·дм на переменном асимметричном токе с коэффициентом асимметрии 1,2-6,0 (Пат. RU 2230836, C25D 3/56. Способ электролитического осаждения сплава железо - кобальт. 2002 г. Серебровский В.И. (RU), Серебровская Л.Н. (RU), Серебровский В.В (RU), Коняев Н.В. (RU)). Недостатком этого способа является низкая микротвердость, износостойкость и плохая адгезия покрытия к основе. А также большая энергоемкость процесса, так как осаждение покрытия проводят при высоких катодных плотностях тока.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому способу является способ электролитического осаждения сплава железо - молибдат - кобальт (Пат. RU 2239672, C25D 3/56. Способ электролитического осаждения сплава железо - молибден - кобальт. 2004 г. Серебровский В.И. (RU), Серебровская Л.Н. (RU), Серебровский В.В. (RU), Коняев Н.В. (RU)).
-1
-2
Процесс осаждения покрытия проводят из электролита содержащего, г·л: хлористое железо - 350-400, молибдат аммония - 0,2-1,2, хлористый кобальт - 5-30 и лимонную кислоту - 0,5-2,0 при температуре 30-40°С, катодной плотности тока 40-60 А·дм с коэффициентом ассиметрии 1,2-6,0.
-2
Недостатками этого способа являются высокие плотности катодного тока (40-60 А·дм), т.е. большая энергоемкость процесса; недостаточно высокая прочность сцепления покрытия с основой; невозможность получения покрытий с высокой микротвердостью и износостойкостью.
Задачей изобретения является снижение энергоемкости процесса нанесения оксидного покрытия на сталь, повышение износостойкости и коррозионной стойкости поверхности стали, увеличение прочности сцепления покрытия с основой.
-2
-1
Задача достигается тем, что способ получения оксидного покрытия на стали, включающий оксидирование с использованием переменного тока при температуре 30-40°С в электролите, содержащем лимонную кислоту, при том, что осаждение оксидов металла осуществляют из электролита, содержащего соли кобальта, никеля, молибдена, железа и борную кислоту, с использованием переменного асимметричного тока при соотношении катодной и анодной составляющих тока 2:1, катодной плотности тока 0,83 А·дм, напряжении 15-20 В, температуре 30-40°С и соотношении компонентов, г·л:
сульфат кобальта(CoSO<sub>4</sub>·7H<sub>2</sub>O)
100,0-150,0
хлорид кобальта (CoCl<sub>2</sub>·6H<sub>2</sub>O)
10,0-16,0
сульфат железа (FeSO<sub>4</sub>·7H<sub>2</sub>O)
8,0-10,0
сульфат никеля (NiSO<sub>4</sub>·7H<sub>2</sub>O)
15,0-20,0
полимолибдат аммония ((NH<sub>4</sub>)<sub>6</sub>Mo<sub>7</sub>O<sub>24</sub>·H<sub>2</sub>O)
35,0-40,0
борная кислота (H<sub>3</sub>BO<sub>3</sub>)
20,0-30,0
лимонная кислота (C<sub>6</sub>H<sub>8</sub>O<sub>7</sub>)
2,5-3,0
Использование переменного асимметричного тока обеспечивает высокую производительность процесса, простоту технологического оснащения и доступность простых растворов электролитов без легирующих добавок для получения качественных покрытий. Он позволяет в катодный полупериод осаждать из электролита на поверхность стали ионы металла, входящие в состав соли, содержащейся в растворе, а в анодный - окислять их до оксидов. Вследствие процессов циклирования на поверхности стали образуется переходной слой из шпинели, представляющий собой смесь оксидов (стали и осаждаемого из раствора оксида), что обеспечивает высокую адгезию получаемого покрытия.
Предлагаемый способ получения оксидного покрытия на стали на основе смешанных оксидов молибдена, железа, кобальта и никеля позволил:
- снизить в десятки раз плотность тока и напряжение при оксидировании;
- увеличить прочность сцепления оксида с основой за счет интенсификации диффузионных процессов на границе раздела сталь - оксид, приводящих к образованию сложных оксидов.
Новизной в предлагаемом изобретении является способ получения оксидного покрытия на поверхности стали на основе оксидов кобальта, молибдена, железа и никеля, осажденных из водных растворов их солей. Разработанный состав электролита позволяет получать на поверхности основы (стали) кислородные соединения элементов, входящих в его состав. Использование в составе электролита компонентов, содержащих сложные анионные комплексы, дает дополнительные возможности для формирования оксидных структур. Поэтому введение в состав электролита полимолибдата аммония позволяет получить покрытие, содержащее оксиды тугоплавких металлов, присутствие которых будет придавать основе повышенную износостойкость.
Подтверждением тому, что на поверхности стали образуются сложные оксидные системы, молибдена, кобальта, железа, никеля являются данные рентгеноспектрального микроанализа, полученные с помощью растрового электронного микроскопа QUANTA 200 (таблица 1).
Таблица 1 - Данные рентгеноспектрального микроанализа
Элемент
с поверхности покрытия
мас.%
ат.%
Кислород
26,17
64,60
Железо
13,60
9,54
Кобальт
04,15
02,762
Никель
00,88
00,60
Молибден
55,20
22,50
2
2
3
2
4
3
0,91
0,09
3
На основании данных таблицы 1 был рассчитан примерный фазовый состав покрытия на стали: Mo, MoO, FeO, CoFeO, Mo(MoNi), MoNi.
Осаждение оксидов из водного раствора осуществляли на предварительно подготовленной, по стандартной в гальванотехнике методике, поверхности плоских образцов стали Ст 3 размером 20×30×1 мм, при поляризации переменным асимметричным током треугольной формы, частотой 50 Гц, с равной длительностью катодного и анодного импульсов, при определенном соотношении амплитуды токов катодного и анодного полупериодов в электролите, содержащем соли кобальта, молибдена, железа, никеля, лимонную и борную кислоты.
Источником тока служило устройство, состоящее из двух диодов, включенных параллельно и проводящих ток в разных направлениях через регулируемые сопротивления.
В качестве противоэлектрода использовали пластины из нержавеющей стали, размеры которых были в два раза больше размеров обрабатываемых образцов. Электролиз проводили при температуре 30-40°С и перемешивании раствора электромагнитной мешалкой. Длительность формирования оксидной пленки составляла 60 мин.
Для экспериментальной проверки предлагаемого способа были сформированы оксидные покрытия на основе оксидов кобальта, молибдена, железа и никеля на поверхности Ст 3.
-1
Пример. Качественное покрытие из оксидов кобальта, молибдена, железа и никеля получали из электролита следующего состава (при pH 4,5-4,8), г·л:
сульфат кобальта (CoSO<sub>4</sub>·7H<sub>2</sub>O)
100,0-150,0
хлорид кобальта (CoCl<sub>2</sub>·6H<sub>2</sub>O)
10,0-16,0
сульфат железа (FeSO<sub>4</sub>·7H<sub>2</sub>O)
8,0-10,0
сульфат никеля (NiSO<sub>4</sub>·7H<sub>2</sub>O)
15,0-20,0
полимолибдат аммония ((NH<sub>4</sub>)<sub>6</sub>Mo<sub>7</sub>O<sub>24</sub>·4H<sub>2</sub>O)
35,0-40,0
борная кислота (H<sub>3</sub>BO<sub>3</sub>)
20,0-30,0
лимонная кислота (C<sub>6</sub>H<sub>8</sub>O<sub>7</sub>)
2,5-3,0
при соотношении средних катодной и анодной составляющих тока 2:1, напряжении 15-20 В, температуре 30-40°С.
2
3
2
4
Состав вещества покрытия определяли с помощью растрового электронного микроскопа QUANTA 200. Анализ подтвердил, что в состав покрытия входят шпинели (FeO и CoFeO), оксиды молибдена и интерметаллиды молибдена.
Прочность сцепления покрытия со сталью составляет 550 МПа. Толщина покрытия, определенная с помощью вихревого толщиномера ТМ - 4, равна 10 мкм. Коррозионные испытания в 3% (по массе) растворе хлорида натрия показали, что при нанесении оксидного покрытия на поверхность стали защитные свойства металла по сравнению с незащищенной поверхностью повышается в десятки раз, а в сочетании со фторопластовым лаком 32 ЛН - в сотни и более раз. Износостойкость поверхности стали повышается в 6-8 раз и коэффициент трения, определенный на торцевой машине трения, равен 0,04.