ГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ
GALVANIC NICKEL-BASED COMPOSITE MATERIAL

Предлагаемое изобретение относится к получению композиционного материала электрохимическим способом в качестве износостойкого материала в различных отраслях промышленности.
В промышленности появилась необходимость увеличения износостойкости различных материалов на основе никеля.
Увеличение износостойкости материалов на основе никеля можно достигнуть за счет легирования их металлами и (или) неметаллами.
Известны композиционные материалы:
на основе никеля:
2
2
2
2
3
2
2
- с С, Si, SiC, TiC, ТаС, ZrC, WC, SiO, TiO, BeO, ZrO, CrO, MoS, MoSi и т.д. (Сайфуллин P.С. Композиционные покрытия и материалы. - М.: Химия, 1977. - 272 с),
- с фторопластом (Балакай В.И., Балакай И.В., Герасименко Ю.Я. Электролит для осаждения композиционного покрытия никель-фторопласт. Пат. 2297476 Рос. Федерация, МПК7 C25D 15/00. - №2005130886/02; - заявл. 05.10.2005; опубл. 20.04.2007; Бюл. №11).
На основе сплавов никеля:
- никель-бор с фторопластом (Балакай В.И. Гальванический композиционный материал на основе никеля. Пат. 2213813 Рос. Федерация, МПК 7 С25Д 15/00. - №2002113887/02; заявл. 27.05.2002; опубл. 10.10.2003, Бюл. №28), обладающие повышенной износостойкостью по сравнению с чисто никелевыми покрытиями.
Существенным недостатком этих композиционных материалов и сплавов является то, что износостойкость является недостаточной.
Наиболее близким к предполагаемому изобретению по технической сущности относится композиционный материал никель-кобальт-фторопласт следующего состава, мас.%:
кобальт
1,7-7,1,
фторопласт
1,1-3,9,
никель
остальное.
(Балакай В.И., Арзуманова А.В., Курнакова Н.Ю., Балакай И.В., Балакай К.В. Гальванический композиционный материал на основе никеля Балакай В.И., Арзуманова А.В., Курнакова Н.Ю., Балакай И.В., Балакай К.В. Пат. 2352693 Рос. Федерация, МПК С25Д 15/00 (2006.01). - №2008110628/02; заявл. 19.03.2008; опубл. 20.04.2009, Бюл. №11).
Однако данный композиционный материал имеет недостаточную износостойкости.
Задачей настоящего изобретения является повышение износостойкости микротвердости материалов на основе никеля легированием оксидом кремния.
Указанная задача достигается получением композиционного материала никель-кобальт-оксид кремния-фторопласт при следующем соотношении компонентов, мас.%:
кобальт
1,6-6,9,
фторопласт
1,0-3,7,
оксид кремния
0,8-2,2,
никель
остальное.
Наличие оксида кремния в композиционном материале никель-кобальт-оксид кремния-фторопласт приводит к увеличении его износостойкости.
Увеличение содержания оксид кремния в композиции выше верхнего заявляемого предела приводит к увеличению внутренних напряжений, ухудшению качества.
Уменьшение содержания оксид кремния в композиции ниже нижнего заявляемого предела приводит к снижению износостойкости композиционного материала.
Для апробирования предложенного состава композиционного материала никель-кобальт-оксид кремния-фторопласт были изготовлены композиции, химический состав которых приведен в табл.1, где 2, 3, 4 содержание оксид кремния на нижнем, среднем и верхнем уровнях, соответственно, а 1 и 5 содержание оксида кремния в композиции за граничными значениями.
Композиционный материал никель-кобальт-оксид алюминия-фторопласт получали электрохимическим способом из электролита следующего состава, г/л:
хлорид никеля
200-350,
хлорид кобальта
2-10,
борная кислота
25-40,
хлорамин Б
1,5-3,0,
оксид кремния
1,0-30,
фторопластовая эмульсия
Ф-4Д (ТУ 6-05-041-508-79)
7-35.
2
Режимы электролиза: рН 1,5-5,5, температура 18-40°С, катодная плотность тока 0,5-11 А/дм при перемешивании механической мешалкой (50-100 об/мин).
Таблица 1
Химический состав композиционного материала никель-кобальт-оксид кремния-фторопласт и прототипа - никель-кобальт-фторопласт
Композиционный материал и прототип
Никель
Кобальт
Оксид кремния
Фторопласт
Предложенный 1
98,7
0,5
0,4
0,5
2
97,2
1,6
0,8
1,0
3
92,9
4,4
1,5
2,3
4
89,0
6,9
2,2
3,7
5
86,8
9,1
4,3
Известный
97,1
4,6
-
2,5
Наличие оксида кремния в композиционных электролитических покрытиях позволяет увеличить износостойкость покрытий.
Сплав никель-кобальт является хорошим конструкционным материалом, и поэтому большое значение имеет разработка на его основе покрытий обладающих дающих высокой износостойкостью и низким коэффициентом трения. С целью увеличения износостойкости сплава никель-кобальт было предложено дополнительно вводить в покрытие фторопласт (так называемый самосмазывающий материал), который образует на поверхности композиционных покрытий никель-кобальт-фторопласт тонкую пленку из фторопласта в результате трения двух поверхностей друг о друге и раздавливанию фторопласта находящегося в покрытии (получены патенты №2352693, 2352694). Однако из-за того, что покрытие обычно не имеют 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. Кроме того основа должна иметь более высокую микротвердость. Поэтому было предложено с целью увеличения износостойкости покрытий и снижения коэффициента трения наносить на трущиеся изделия не композиционное покрытие никель-кобальт-фторопласт, а композиционное покрытие никель-кобальт-оксид кремния-фторопласт, т.к. покрытия при введении в электролит оксида кремния получаются более мелкокристаллическими, равномерными и имеют более высокую микротвердость. В настоящее время износостойкие и самосмазываемые покрытия представляют определенный практический интерес.
2
Пример 1. Композиционный материал химического состава, мас.%: кобальт 0,5, оксид кремния 0,4, фторопласт 0,5, никель остальное, осаждали из электролита состава, г/л: хлорид никеля 150, хлорид кобальта 1, борная кислота 20, хлорами Б 1,0, оксид кремния 0,5, фторопластовая эмульсия Ф-4Д 5,0 при рН 5,5, температуре 17°С и катодной плотности тока 0,5 А/дм. Электролит готовили следующим образом. В электролитической ванне, заполненной до ¾ необходимого объема водопроводной водой, при температуре 60-70°С растворяли борную кислоту, хлорамин Б и хлорид никеля, после того как довели уровень электролита до необходимого объема вводили оксид кремния и фторопластовую эмульсию. рН электролита доводили либо соляной кислотой, либо гидроокисью натрия или калия (100-150 г/л).
2
Пример 2. Композиционный материал химического состава, мас.%: кобальт 1,6, оксид кремния 0,8, фторопласт 1,0, никель остальное, осаждали из электролита состава, г/л: хлорид никеля 200, хлорид кобальта 2, борная кислота 25, хлорамин Б 1,5, оксид кремния 1, фторопластовая эмульсия Ф-4Д 7,0 при рН 5,3, температуре 19°С и катодной плотности тока 1 А/дм. Электролит готовили по методике описанной выше.
2
Пример 3. Композиционный материал химического состава, мас.%: кобальт 4,4, оксид кремния 1,5, фторопласт 2,3, никель остальное, осаждали из электролита состава, г/л: хлорид никеля 250, хлорид кобальта 6, борная кислота 32, хлорамин Б 2,2, оксид кремния 16, фторопластовая эмульсия Ф-4Д 20 при рН 3,0, температуре 30°С и катодной плотности тока 5 А/дм. Электролит готовили по методике описанной выше.
2
Пример 4. Композиционный материал химического состава, мае, %: кобальт 6,9, оксид кремния 2,2, фторопласт 3,7, никель остальное, осаждали из электролита состава, г/л: хлорид никеля 350, хлорид кобальта 10, борная кислота 40, хлорамин Б 3,0, оксид кремния 30, фторопластовая эмульсия Ф-4Д 35 при рН 1,5, температуре 40°С и катодной плотности тока 11 А/дм. Электролит готовили по методике описанной выше.
2
Пример 5. Композиционный материал химического состава, мас.%: кобальт 9,1, оксид кремния 2,7,фторопласт 4,3, никель остальное осаждали из электролита состава, г/л: хлорид никеля 370, хлорид кобальта 15, борная кислота 40, хлорамин Б 3,5, оксид кремния 35, фторопластовая эмульсия Ф-4Д 38 при рН 0,9, температуре 45°С и катодной плотности тока 10 А/дм. Электролит готовили по методике описанной выше.
Прототип осаждали из электролита по (Балакай В.И., Арзуманова А.В., Курнакова Н.Ю., Балакай И.В., Балакай К.В. Гальванический композиционный материал на основе никеля Балакай В.И., Арзуманова А.В., Курнакова Н.Ю., Балакай И.В., Балакай К.В. Пат. 2352693 Рос. Федерация, МПК С25Д 15/00 (2006.01). - №2008110628/02; заявл. 19.03.2008; опубл. 20.04.2009, Бюл. №И).
В табл.2 приведены физико-механические свойства предложенного композиционного материала никель-кобальт-оксид кремния-фторопласт и прототип - никель-кобальт-фторопласт.
Таблица 2
Физико-механические свойства предложенного композиционного материала никель-кобальт-оксид кремния-фторопласт и прототипа - никель-кобальт-фторопласт
Физико-механические свойства композиционного материала никель-кобальт-оксид кремния-фторопласт и никель-кобальт-фторопласт (прототип)
Предложенный состав композиции
Прототип
1
3
2
4
5
Износостойкость в условиях граничного трения со сталью Ст 45 при нагрузке 20-30 кгс/см<sup>2</sup>, мкм/ч
0,34
0,29
0,25
0,22
0,24
0,33
Микротвердость, ГПа
7,1
7,9
8,4
8,8
9,1
6,4
Внутренние напряжения, МПа
64,2
65,2
67,6
71,0
85,3
67,2
Как видно из табл.2 износостойкость композиционного материала никель-кобальт-оксид кремния-фторопласт превышает износостойкость композиционного материала никель-кобальт-фторопласт (прототипа) в 1,3-1,4.