СПОСОБ ОСАЖДЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ НА ВНУТРЕННИЕ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
DEPOSITION METHOD OF COMPOSITE ELECTROCHEMICAL COATINGS ONTO INTERNAL SURFACE OF MACHINE PARTS

Изобретение относится к области технологии осаждения электрохимических покрытий, а именно к области технологии осаждения композиционных электрохимических покрытий (КЭП), и может найти применение для повышения износостойкости внутренних поверхностей деталей машин, приборов и инструмента. Предложенный способ может быть использован для получения КЭП на основе никеля, хрома, железа, меди с дисперсной фазой в виде микропорошков карбида кремния, корунда, алмаза, нитрида бора, графита и др. на цилиндрических внутренних поверхностях деталей машин, изготовленных из стали, алюминия, меди и других материалов, на которых возможно осаждение электрохимических покрытий. Например: гильзы цилиндров двигателей внутреннего сгорания, подшипники скольжения, детали спецтехники.
Известен способ и устройство осаждения КЭП на внутренние поверхности деталей. Способ включает создание между поверхностями анода и катода межэлектродного пространства с подачей в созданное пространство электролита-суспензии (ЭС), содержащего частицы дисперсной фазы (ДФ), в котором электролиту-суспензии, поступающему в межэлектродное пространство, придается вращательно-поступательное движение с определенной угловой скоростью. Способ принят за прототип (см. патент RU №2226574, опубл. 10.04.2004).
Недостатком прототипа является то, что он не учитывает влияние седиментации частиц в процессе осаждения КЭП на горизонтально расположенные внутренние поверхности, что затрудняет получение покрытия с заданным содержанием дисперсной фазы (ДФ).
Задачей предлагаемого изобретения является повышение качества композиционных электрохимических покрытий, осаждаемых на горизонтально расположенные внутренние поверхности.
f
f
Технический результат, полученный при осуществлении изобретения, заключается в получении композиционных электрохимических покрытий с заданным содержанием дисперсной фазы, получен в процессе выполнения научно-исследовательских работ по осаждению КЭП на внутренние поверхности гильз цилиндров двигателей мототехники. Заданное содержание ДФ в покрытии 10% (K=0,1), полученное содержание 10,9% (K=0,109).
Указанный технический результат достигается тем, что в способе осаждения композиционных электрохимических покрытий на внутренние поверхности деталей машин, включающем создание между поверхностями анода и катода межэлектродного пространства с подачей в созданное пространство электролита-суспензии, содержащего частицы дисперсной фазы, имеющего вращательно-поступательное движение с определенной угловой скоростью, НОВЫМ является то, что катоду придают вращательное движение с определенной угловой скоростью, а концентрация частиц дисперсной фазы в электролите связана с угловой скоростью вращения катода и заданным содержанием дисперсной фазы в покрытии, а связь концентрации частиц дисперсной фазы в электролите с угловой скоростью вращения катода и заданным содержанием дисперсной фазы в покрытии выражают соотношением:
где
к
ω- угловая скорость вращения катода, 1/с;
е
К - концентрация частиц дисперсной фазы в электролите;
а
R - радиус поверхности анода, м;
к
R - радиус поверхности катода, м;
η - катодный выход по току;
ε - электрохимический эквивалент металла покрытия, кг/А с;
J - величина технологического тока, А;
m
3
ρ - плотность металла покрытия, кг/м;
f
K- коэффициент заданной объемной концентрации частиц дисперсной фазы в покрытии;
δ - заданная толщина покрытия, м;
k
L - длина поверхности катода, м;
d - диаметр частицы, м;
f
3
ρ - плотность частицы, кг/м;
e
3
ρ - плотность электролита, кг/м;
e
2
ν - кинематическая вязкость электролита, м/с;
θ - коэффициент, учитывающий форму частицы;
θ=0,5
2
3
f
В качестве дисперсной фазы рекомендуют электрокорунд - αAlO, электрокорунд нормальный и карборунд - SiC в виде микропорошков с размером частиц 5…7 мкм и объемной концентрацией 2, 3…4%, что соответствует К=0,023…0,04.
f
Рекомендуют использовать частицы размером не более 3 мкм с K=0,025…0,05.
f
Оптимальные по износостойкости и пластичности покрытия содержат 6…11% корунда (K=0,06…0,11).
f
Рекомендуют использовать покрытия, содержащие частицы ДФ с размерами, находящимися в пределах 2…10 мкм или 28…40 мкм и К=0,15…0,25.
f
Проведенные исследования показали, что лучшие результаты по износостойкости дают покрытия, содержащие 10% (K=0,1)частиц карбида кремния или корунда размером 15 мкм.
Расхождения в рекомендациях обусловлены различием в условиях эксплуатации покрытий.
f
Следует отметить, что при реализации способа K относится к исходным данным и может принимать различные значения.
- Коэффициент формы частиц учитывает влияние формы частиц на скорость перемещения в центробежном поле. По рекомендациям, для частиц, форму которых трудно определить, θ=0,5.
f
- Коэффициент заданной объемной концентрации частиц дисперсной фазы в покрытии - K выражает отношение объема частиц к объему покрытия, в котором они находятся.
e
- Коэффициент концентрации дисперсной фазы в электролите - K величина безразмерная, т.к. выражает отношение объема частиц к объему электролита, в котором они находятся.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена схема перемещений частицы в межэлектродном пространстве, где
1 - катод;
2 - анод;
3 - частица дисперсной фазы;
r
υ - радиальная скорость частицы;
e
υ - осевая скорость перемещения частицы;
c
υ - скорость седиментации частицы;
ц
υ - скорость перемещения частицы под действием центробежных сил;
f
ω - угловая скорость вращения частицы;
к
ω - угловая скорость вращения катода;
к
R - радиус катода;
а
К - радиус анода;
к
L - длина поверхности катода.
При вращении катода участки катодной поверхности периодически меняют свое положение относительно направления седиментации и условия осаждения выравниваются. Для того чтобы частицы ДФ в верхнем положении не отделялись от катодной поверхности сила тяжести частиц должна быть равна центробежной силе. В этом случае угловую скорость вращения катода определяют из выражения
2
g=9,8 м/c;
к
R - радиус поверхности катода, м.
Связь между концентрацией частиц ДФ в электролите с заданным содержанием ДФ в покрытии получена на основе следующих соображений.
r
e
f
к
ц
с
r
ц
r
к
При осаждении КЭП в электролите, имеющем вращательное и поступательное движения, частицы ДФ перемещаются к поверхности катода со скоростью ν и параллельно поверхности катода со скоростью ν, а также вращаются с угловой скоростью ω, равной у поверхности катода угловой скорости вращения катода ω (см. чертеж). Скорость радиального перемещения частицы в верхней точке траектории равна разности между скоростью, возникающей от действия центробежных сил ν, и скоростью седиментации ν. Скорость радиального перемещения частицы в нижней точке траектории равна сумме этих скоростей. Средняя скорость радиального перемещения частицы ν равна ν. Для того чтобы частицы ДФ равномерно осаждались на всю поверхность катода со средней скоростью ν, катоду придается вращение с угловой скоростью ω.
Время образования на поверхности катода осадка металла заданного объема определяется из выражения:
к
R - радиус поверхности катода;
η - катодный выход по току;
ε - электрохимический эквивалент металла покрытия;
J - величина технологического тока;
m
ρ - плотность металла покрытия;
f
K - коэффициент заданной объемной концентрации частиц ДФ в покрытии;
δ - заданная толщина покрытия;
k
L - длина поверхности катода.
За это же время в покрытие должно включиться количество частиц, объем которых определяется из выражения:
Время осаждения всех частиц ДФ, содержащихся в межэлектродном пространстве (МЭП), определяется из выражения
e
ν - кинематическая вязкость электролита;
d - диаметр частиц дисперсной фазы;
θ - коэффициент формы частиц;
к
ω - угловая скорость вращения катода.
Для определения средней скорости осаждения частиц может быть использована формула:
0
к
За время t частицы должны переместиться вдоль поверхности катода на расстояние не более L. Следовательно, требуемую скорость поступательного движения электролита можно определить из соотношения:
m
За время t через МЭП протечет объем электролита
В этом объеме электролита должно содержаться количество частиц ДФ, равное количеству частиц в покрытии,
е
f
e
К - коэффициент объемной концентрации частиц ДФ в электролите. Подставив в выражение 7 значения Wи W из уравнений 2 и 6 с учетом
зависимостей 1, 3, 4, 5, получим зависимость для определения коэффициента объемной концентрации частиц ДФ в электролите в виде:
к
ω - угловая скорость вращения катода, 1/с;
е
K - концентрация частиц дисперсной фазы в электролите;
a
R - радиус поверхности анода, м;
к
R - радиус поверхности катода, м;
η - катодный выход по току;
ε - электрохимический эквивалент металла покрытия, кг/А с;
J - величина технологического тока, А;
m
3
ρ - плотность металла покрытия, кг/м;
f
К - коэффициент заданной объемной концентрации частиц дисперсной фазы в покрытии;
δ - заданная толщина покрытия, м;
k
L - длина поверхности катода, м;
d - диаметр частицы, м;
f
3
ρ - плотность частицы, кг/м;
e
3
ρ - плотность электролита, кг/м;
e
2
ν - кинематическая вязкость электролита, м/с;
θ - коэффициент, учитывающий форму частицы;
θ=0,5.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что предлагаемое техническое решение обладает «новизной» и «изобретательским уровнем».
Последовательность действий при получении композиционного покрытия никель- карбид кремния следующая:
Технология подготовки поверхности под осаждение КЭП
2
Катодное обезжиривание: температура - 60…80°С, плотность тока - 2…10 А/дм, напряжение - 6…12 В, время 4…5 мин.
Состав ванны обезжиривания: сода кальционированная - 20…50 г/л, тринатрийфосфат - 20…50 г/л, натр едкий - 20…40 г/л.
2
Анодное обезжиривание: температура - 60…80°С, плотность тока - 2…10 А/дм, напряжение - 6…12 В, время - 4…5 мин.
Состав ванны обезжиривания: сода кальцинированная - 20…50 г/л, тринатрийфосфат - 20…50 г/л, натр едкий - 20…40 г/л.
Промывка в горячей воде: температура - 60…80°С, время - 4…5 мин.
Промывка в холодной воде.
Активация: температура - 15…30°С, время - 4…5 мин.
Состав ванны: кислота соляная - 50…100 г/л.
Промывка в холодной воде.
Осаждение КЭП
Осаждение КЭП проводилось после подготовки поверхности в соответствии с изложенной технологией при скорости вращения катода 3,7 об/с в электролите-суспензии, приготовленном на основе электролита для никелирования с добавлением дисперсной фазы в виде микропорошка.
e
-4
Состав электролита-суспензии: никель сернокислый - 250…300 г/л, кислота борная - 25…45 г/л, натрий хлористый - 10…15 г/л, 1,4 бутиндиол (100%) - 0,1…0,5 г/л, вещество моющее «Прогресс 30» - 0,5…1 мл/л, формалин - 1,2…3 г/л, хлорамин Б - 2…2,5 г/л, SiC с зернистостью М15 при коэффициенте объемной концентрации частиц в электролите К=6,52 10.
2
Режим осаждения: температура - 40…50°С, плотность тока - 10 А/дм, напряжение 6…10 В, время - 2 часа.
Для предотвращения седиментации частиц в баке для электролита электролит-суспензия перемешивался специальной мешалкой.
Предлагаемый способ предназначен для осаждения композиционных электрохимических покрытий на внутренние поверхности деталей спецтехники, выпускаемой на ОАО завод им. В.А. Дегтярева, изготовленных из стали 30ХН2МФА, а также на внутренние поверхности гильз цилиндров двигателей мототехники, изготовленных из стали 45.
Вращательное движение с определенной угловой скоростью придается катоду от электродвигателя с регулируемым числом оборотом через редуктор и ременную передачу.
f
Пример расчета угловой скорости вращения катода и коэффициента объемной концентрации частиц дисперсной фазы в электролите для получения покрытия никель-карбид кремния при заданной объемной концентрации карбида кремния в покрытии 10% (К=0,1). Зернистость карбида кремния М15, что соответствует диаметру частиц d=15 мкм.
к
а
k
f
m
f
e
е
-3
-3
-3
-6
-4
3
3
3
3
3
3
-7
-6
2
Исходные данные: R=18·10 м; R=5·10 м; L=95·10 м; d=15·10 м; K=0,1; δ=2·10 м; ρ=8,96·10 кг/м; ρ=3,8·10 кг/м; ρ=1,15·10 кг/м; ε=3·10 кг/(А·с); θ=0,5; ν=1,35·10 м/с;η=0,71; J=10 А.
Расчет угловой скорости вращения катода с указанием размерностей, входящих в рсчетную формулу величин, имеет вид:
.
л
Это значение угловой скорости соответствует числу оборотов катода - n=ω/2π=3,7 об/с.
Расчет коэффициента объемной концентрации частиц дисперсной фазы в электролите по приведенной в заявке зависимости:
.
к
е
-4
Результаты расчета показывают, что угловая скорость вращения катода ω составляет 3,7 об/с, коэффициент объемной концентрации частиц в электролите К равен 6,52×10, а размерности левой и правой частей математических выражений одинаковые.