Способ получения композиционного электрохимического покрытия на основе меди с добавлением частиц электроэрозионной свинцовой бронзы
METHOD FOR OBTAINING A COMPOSITE ELECTROCHEMICAL COATING BASED ON COPPER WITH THE ADDITION OF PARTICLES OF ELECTROEROSIVE LEAD BRONZE

Изобретение относится к области гальванотехники и может быть использовано для модификации медных гальванических покрытий.
Известен способ приготовления электролита для получения композиционных покрытий на основе металлов [Патент РФ №2477341, МПК C25D 15/00, В82В 1/00, опубл. 10.03.2013]. Способ в основе включает введение в электролит дисперсной фазы в виде твердых субмикрочастиц, при этом введение осуществляют в виде шипучих растворимых таблеток состава: наноуглеродный материал марки «Таунит» от 1,6 до 8,3 мас. %, поверхностно-активное вещество - поливинилпирролидон от 8 до 16 мас. %, гидрокарбонат натрия от 30 до 50 мас. %, лимонная кислота от 10 до 50 мас. %. Способ обеспечивает получение гальванических покрытий с высокой микротвердостью, износостойкостью и низкой пористостью.
Известен способ получения гальванических покрытий, модифицированных наноалмазами [патент РФ №2368709, МПК C25D 15/00, В82В 1/00, C25D 5/20, опубл. 27.09.2009], включающий введение в электролит фракций наноалмаза размерностью менее 200 нм, диспергирование и нанесение покрытия, при этом диспергирование осуществляют до нанесения покрытия и в процессе нанесения покрытия путем воздействия на суспензию электролита кавитацией.
Недостатками этих способов является высокая стоимость компонентов, вводимых в электролиты при осаждении покрытий.
В основу изобретения положена задача повышения физико-механических свойств гальванических покрытий без существенного увеличения затрат на их изготовление.
4
2
2
4
Поставленная задача достигается тем, способ получения композиционного электрохимического покрытия на основе меди с добавлением частиц электроэрозионной свинцовой бронзы, заключается в том, что упомянутое композиционное электрохимическое покрытие получается путем введения суспензии порошка электроэрозионной свинцовой бронзы в сернокислый электролит меднения в концентрации 0,05 г/л. при проведении процесса электроэрозионного диспергирования свинцовой бронзы со следующими параметрами: частота следования импульсов 95-105 Гц; напряжение на электродах 190-200 В; емкость конденсаторов 65,5 мкФ, причем используют сернокислый электролит меднения следующего состава: CuSO⋅5HO - 200-250 г/л; HSO - 35-70 г/л, NaCl - 0,01 г/л, лимонная кислота (0,01 г/л).
Метод электроэрозионного диспергирования (ЭЭД) выглядит весьма привлекательно для получения дисперсных систем. ЭЭД обладает очень существенными конкурентными преимуществами, такими как простота конструкции оборудования, возможность работы в жидкой среде, возможность получения сферических частиц, использование в качестве металлической загрузки отходов, возможность управления характеристиками получаемых порошков, безвредность и экологическая чистота процесса, отсутствие механического износа оборудования, малые энергозатраты.
Процесс ЭЭД представляет собой разрушение токопроводящего материала в результате локального воздействия кратковременных электрических разрядов между электродами.
Регулируя электрические параметры установки для электроэрозионного диспергирования (ЭЭД) можно получать за определенные промежутки времени нужное количество порошка заданных размеров и качества. Поэтому стало возможным готовить электролит-суспензию непосредственно в реакторе ЭЭД, путем прибавления к полученной в реакторе суспензии порошка пасты, состоящей из необходимых компонентов универсального сернокислого электролита меднения.
На фигуре 1 представлен внешний вид полученного покрытия. На фигуре 2 представлена микроскопия покрытия, полученного из электролита-суспензии. На фигуре 3 представлены результаты исследования шероховатости поверхностей покрытия, полученного из электролита-суспензии. На фигуре 4 представлены поверхности разрушения контртела (а) и образца с покрытием из электролита-суспензии (б). На фигуре 5 представлены результаты исследования износостойкости покрытия.
Покрытие получали в следующей последовательности.
Для получения суспензии порошка, стружку свинцовой бронзы помещали в реактор установки, которую заполняли дистиллированной водой, являющейся реакционной средой.
Задавали следующие режимы работы установки:
- частота следования импульсов 95…105 Гц;
- напряжение на электродах 190…200 В;
- емкость конденсаторов 65,5 мкФ.
В качестве подложки для нанесения покрытия использовали пятаки из стали марки 30 ХГСА.
Для увеличения прочности сцепления покрытия с обрабатываемой деталью были проведены следующие подготовительные операции перед нанесением покрытия:
3
4
2
3
1. Совместное обезжиривание и травление: NaOH (10-30 г/л), NaPO (40-50 г/л), KI (40-50 г/л), NaSiO (4-6 г/л).
2
4
2. Химическая активация: HSO (50-100 г/л), лимонная кислота (0,05 г/л).
На первом этапе стальной пятак погружали в подготовленный и нагретый до 50-70°С раствор одновременного обезжиривания и травления и выдерживали в течение одной минуты.
Далее пятак последовательно несколько раз промывали в горячей и холодной воде.
Последней стадией подготовки поверхности перед нанесением композиционного электрохимического покрытия (КЭП) является процесс активации, заключающийся в удалении тонких окисных пленок, которые образуются на поверхности металлов, подготовленных к нанесению покрытия. Для этого пятак погружали в подготовленный раствор химической активации и выдерживали в нем в течение минуты, после чего несколько раз промывали в холодной воде.
4
2
2
4
Для осаждения покрытия использовали приготовленный сернокислый электролит меднения следующего состава: CuSO⋅5HO (200-250 г/л), HSO (35-70 г/л), NaCl (0,01 г/л), лимонная кислота (0,01 г/л). Для приготовления электролита-суспензии, пригодного для получения КЭП, все эти реагенты ввели в суспензию порошка, полученную на установке ЭЭД.
Осаждение покрытия проводили на гальванической установке L1 DIGIT при следующих параметрах:
- материал анода - анодная медь марки АМФ;
- соотношение площадей анод-катод - 1:1;
- материал ванны - химстекло;
- рабочая температура - 18-25°С;
- напряжение - 2-5 В;
2
- диапазон плотности тока - 5-10 А на дм;
2
- скорость осаждения - от 1 мкм 1 мин. (при 5А на дм);
- перемешивание - обязательно.
Заключительным этапом нанесения покрытия являлась промывка в дистиллированной воде с последующей сушкой.
При этом достигается следующий технический результат: повышение физико-механических характеристик гальванического покрытия без существенного увеличения затрат на его изготовление.
Пример 1
4
2
2
4
Для осаждения покрытия использовали приготовленный сернокислый электролит меднения следующего состава: CuSO⋅5HO (200-250 г/л), HSO (35-70 г/л), NaCl (0,01 г/л), лимонная кислота (0,01 г/л). Подготовленный электролит ввели в суспензию порошка с расчетной концентрацией электроэрозионных частиц 0,05 г/л.
Осаждение покрытия проводили на гальванической установке L1 DIGIT при следующих параметрах:
- материал анода - анодная медь марки АМФ;
- соотношение площадей анод-катод - 1:1;
- материал ванны - химстекло;
- рабочая температура - 18-25°С;
- напряжение - 2-5 В;
2
- диапазон плотности тока - 5-10 А на дм;
2
- скорость осаждения - от 1 мкм 1 мин. (при 5А на дм);
- перемешивание - обязательно.
Внешний вид полученного покрытия представлен на фигуре 1.
Образец был подвергнут микроскопическим исследованиям методом растровой электронной микроскопии с целью изучения микроструктуры покрытия (по поперечному шлифу). На фигуре 2 представлена микроскопия покрытия, полученного из электролита-суспензии. Показано, что присутствие в покрытии электроэрозионной свинцовой бронзы не способствует появлению в них пор, трещин и других дефектов.
a
Исследование шероховатости полученного покрытия было проведено на автоматизированном прецизионном контактном профилометре SURTRONIC 25. Экспериментально установлены следующие параметры шероховатости: среднее арифметическое отклонение профиля у композиционного электролитического покрытия, полученного из электролита-суспензии - R=0,32 мкм. Результаты исследования шероховатости поверхности представлены на фигуре 3.
Коэффициент трения и скорость износа поверхности образца и контртела измеряли на автоматизированной машине трения (Tribometer, CSM Instruments, Швейцария), управляемой компьютером, по стандартной схеме испытания «шарик-диск». Эти испытания позволяют использовать модель Герца, они соответствуют международным стандартам ASTM G99-959 DIN50324 и могут быть использованы для оценки износостойкости образца и контртела.
2
3
Образец устанавливали в держателе, перпендикулярно плоскости образца закрепляли стержень, на конце которого находился шарик диаметром 6 мм AlO (оксид алюминия). С помощью регулировки датчика перемещения выбирали радиус кривизны износа, еще один датчик компенсировал силу трения и позволял установить значение коэффициента трения в определенный момент времени.
Испытания проводили на воздухе при нагрузке 2 Н и линейной скорости 10 см/сек, радиусом кривизны износа 5-6 мм, путь трения составлял 200 метров.
После испытаний были изучены поверхности разрушения обоих компонентов пары трения с помощью инвертированного оптического микроскопа OLYMPUS GX51: контртела (фигура 4, а) и образца с покрытием из электролита-суспензии (фигура 4, б).
Результаты исследования износостойкости полученного покрытия представлены в таблице на фигуре 5.
Пример 2
4
2
2
4
Для осаждения покрытия использовали приготовленный сернокислый электролит меднения следующего состава: CuSO⋅5HO (200-250 г/л), HSO (35-70 г/л), NaCl (0,01 г/л), лимонная кислота (0,01 г/л). Подготовленный электролит ввели в суспензию порошка с расчетной концентрацией электроэрозионных частиц 0,01 г/л.
Осаждение покрытия проводили на гальванической установке L1 DIGIT при следующих параметрах:
- материал анода - анодная медь марки АМФ;
- соотношение площадей анод-катод - 1:1;
- материал ванны - химстекло;
- рабочая температура - 18-25°С;
- напряжение - 2-5 В;
2
- диапазон плотности тока - 5-10 А на дм;
2
- скорость осаждения - от 1 мкм 1 мин. (при 5А на дм);
- перемешивание - обязательно.
Результаты исследования износостойкости полученного покрытия показали увеличение коэффициента трения в сравнении с образцом, полученным при концентрации электроэрозионных частиц в электролите-суспензии 0,05 г/л.
Пример 3
4
2
2
4
Для осаждения покрытия использовали приготовленный сернокислый электролит меднения следующего состава: CuSO⋅5HO (200-250 г/л), HSO (35-70 г/л), NaCl (0,01 г/л), лимонная кислота (0,01 г/л). Подготовленный электролит ввели в суспензию порошка с расчетной концентрацией электроэрозионных частиц 0,05 г/л.
Осаждение покрытия проводили на гальванической установке L1 DIGIT при следующих параметрах:
- материал анода - анодная медь марки АМФ;
- соотношение площадей анод-катод - 1:1;
- материал ванны - химстекло;
- рабочая температура - 18-25°С;
- напряжение - 2-5 В;
2
- диапазон плотности тока - 10-20 А на дм;
- перемешивание - обязательно.
При данных режимах осаждения покрытие имело низкую адгезию с подложкой и рыхлости.