электролит для осаждения композиционного покрытия никель-кобальт-фторопласт

Формула изобретения

Электролит для осаждения композиционного покрытия никель-кобальт-фторопласт, содержащий хлорид никеля, борную кислоту, фторопластовую эмульсию Ф-4Д-Э, хлорамин Б и воду, отличающийся тем, что он дополнительно содержит хлорид кобальта при следующем соотношении компонентов, г/л:

хлорид никеля	200-350
хлорид кобальта	2-10
борная кислота	25-40
фторопластовая эмульсия Ф-4Д-Э	7-35
хлорамин Б	1,5-4,5

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области гальванотехники, в частности к осаждению композиционного покрытия никель-кобальт-фторопласт, с целью применения их в различных отраслях промышленности, в качестве износостойких покрытий. Чем выше эти характеристики, тем выше надежность и долговечность изделий и шире область их применения.

Известны электролиты для нанесения сплавов и композиционных покрытий на основе никеля с целью получения покрытий с повышенной износостойкостью следующего состава, г/л:

1) хлорид никеля 60, сульфат никеля 300, борная кислота 30, Cr₂О₃ 100 (TiO₂ 25, TiC 50) (Сайфуллин Р.С. Композиционные покрытия и материалы. - М: Химия, 1977. - 272 с);

2) хлорид никеля 200-300, борная кислота 20-30, соль анионного полиэдрического бората (в пересчете на С₂В₉Н₁₂ ^2-, В₁₀Н₁₀ ^2-, В₁₂Н₁₂ ^2-) 0,5-1,0, спирты ряда 2,2,6,6-тетраметилпиперидин 0,2-0,9, соляная кислота или гидрокись аммония (35%) до рН 1-5 (Гальванические покрытия сплавом никель-бор взамен хрома. Кукоз Ф.И., Кудрявцева И.Д., Сысоев Г.Н., Балакай В.И. // Теоретические основы технологии нанесения химических покрытий из металлов и сплавов: Тез. докл. Укр. республ. конф. - К., 1988. - С.34-35.).

3) хлорид никеля 200-300, борная кислота 25-35, соль анионного полиэдрического бората (в пересчете на С₂ В₉Н₁₂ ^2-, В₁₀Н₁₀ ^2-, В₁₂Н₁₂ ^2-) 0,5-6,0, фторопластовая эмульсия Ф-4Д-Э 5-30 (1. Балакай В.И. Электролит для осаждения композиционного покрытия никель-бор-фторопласт. Пат. 2213812 Рос. Федерация, МПК 7 С25Д 15/00. - № 2002113832/02; заявл. 27.05.2002; опубл. 10.10.2003, Бюл. № 28. - 4 с).

Однако покрытия, осажденные из данных электролитов, имеют недостаточную износостойкость.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению относится электролит для осаждения сплава никель-фторопласт, содержащий хлорид никеля, борную кислоту, хлорамин Б и фторопластовую эмульсию при следующем соотношении компонентов, г/л:

хлорид никеля	150-350,
борная кислота	25-40,
хлорамин Б	1,5-4,5,
фторопластовая эмульсия Ф-4Д-Э	5-35.

Режимы электролиза: рН 1,0-5,0, температура 20-40°С, катодная плотность тока 6-14 А/дм² (Балакай В.И., Балакай И.В., Герасименко Ю.Я Электролит для осаждения композиционного покрытия никель-фторопласт. Пат. РФ 2297476, МПК 7 C25D 15/00. - № 2005130886/02(034622); - заявл. 05.10.2005; опубл. 20.04.2007; Бюл. № 11. - 3 с.)

Покрытия, осажденные из данного электролита, имеют недостаточную износостойкость.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение износостойкости.

Поставленная задача достигается тем, что электролит, содержащий хлорид никеля, борную кислоту, фторопластовую эмульсию Ф-4Д-Э, хлорамин Б, хлорид кобальта при следующем соотношении компонентов, г/л:

хлорид никеля	200-350,
хлорид кобальта	2-10,
борная кислота	25-40,
хлорамин Б	1,5-4,5,
фторопластовая эмульсия Ф-4Д-Э
(ТУ 6-05-041-508-79)	7-35.

Режимы электролиза: рН 1,1-5,5, температура 18-40°С, катодная плотность тока 1,0-12,0 А/дм² при перемешивании.

Наличие кобальта в электролите позволяет электроосаждать композиционное покрытие никель-кобальт-фторопласт с высокой износостойкостью.

Никель является хорошим конструкционным материалом, поэтому большое значение имеет разработка на его основе покрытий обладающих высокой износостойкостью и низким коэффициентом трения. В связи с этим был разработан материал на основе никеля в виде сплава никель-бор, который обладает высокой твердостью и износостойкостью (получено авторское свидетельство № 1387528). С целью увеличения износостойкости сплава никель-бор было предложено дополнительно вводить в покрытие фторопласт (так называемый самосмазывающий материал), который образует на поверхности композиционных покрытий никель-бор-фторопласт и никель-фторопласт тонкую пленку из фторопласта в результате трения двух поверхностей друг о друге и раздавливания фторопласта, находящегося в покрытии (получены патенты № 2213812, 2213813, 2297476). Однако из-за того, что покрытие обычно не имеет 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. Поэтому было предложено с целью увеличения износостойкости покрытий и снижения коэффициента трения наносить на трущиеся изделия не композиционное покрытие никель-бор-фторопласт и никель-фторопласт, а композиционное покрытие никель-кобальт-фторопласт, т.к. покрытия при введении в электролит хлорида кобальта получаются более мелкокристаллическими и равномерными. В настоящее время износостойкие и самосмазываемые покрытия представляют определенный практический интерес.

Пример 1. Электролит готовили следующим образом. В электролитической ванне, заполненной до ³/₄ необходимого объема водопроводной водой, при температуре 60-70°С растворяли 25 г/л борной кислоты, 1,5 г/л хлорамина Б, 200 г/л хлорида никеля и 2 г/л хлорид кобальта, после того как довели уровень электролита до необходимого объема, вводили 7 г/л фторопластовой эмульсии Ф-4Д-Э. рН электролита доводили либо соляной кислотой, либо гидроокисью натрия или калия (100-150 г/л). Приготовление остальных электролитов, включающих среднее, верхнее и заграничные концентрации компонентов, которые приведены в табл.1, производили по методике, описанной выше. А значения износостойкости покрытий, осажденных из каждого электролита, приведены в табл.2 соответственно.

Сравнительные эксплуатационные характеристики электролитов и физико-механические свойства композиционных покрытий никель-кобальт-фторопласт, осажденных при температуре (18-40°С) из предлагаемого электролита и из прототипа никель-фторопласт, приведены в табл.2.

Таблица 1
Составы электролитов и режимы электролиза
Состав электролитов и режимы электролиза	Концентрация компонентов, г/л
1	2	3	4	5	прот
Хлорид никеля	150	200	275	350	370	250
Хлорид кобальта	1	2	6	10	15	-
Борная кислота	20	25	32	40	45	30
Хлорамин Б	1,0	1,5	3,0	4,5	5,0	3,0
Фторопластовая эмульсия Ф-4Д-Э	5	7	20	35	38	20
рН электролита	5,7	5,5	3,0	1,1	1,0	3,0
Температура,°С	16	18	30	40	45	21
Катодная плотность тока, А/дм2	4	6	9	14	13	6

Граничные концентрации компонентов электролита выбраны по следующим соображениям:

1) увеличение содержания никеля в электролите выше верхнего заявляемого предела нецелесообразно, что связано с предельной растворимостью хлорида никеля, уменьшением рассеивающей способности и стабильности электролита, ухудшением качества покрытий, увеличением расхода никеля за счет уноса электролита вместе с деталями;

2) уменьшение содержания никеля в электролите ниже нижнего заявляемого предела приводит к уменьшению скорости процесса, снижению выхода по току и ухудшению качества осаждаемого покрытия;

3) увеличение содержания кобальта в электролите выше верхнего заявляемого предела приводит к ухудшению качества покрытий, увеличению внутренних напряжений;

4) уменьшение содержания кобальта в электролите ниже нижнего заявляемого предела приводит к ухудшению качества покрытий, снижению износостойкости покрытий;

5) увеличение содержания борной кислоты в электролите выше верхнего заявляемого предела нецелесообразно. Это связано с пределом растворимости борной кислоты и ухудшением качества покрытий;

6) уменьшение содержания борной кислоты ниже нижнего предела указанной концентрации приводит к уменьшению буферной емкости электролита, снижению выхода по току, интервалов работы электролита, ухудшению качества покрытий;

7) увеличение содержания хлорамина Б выше верхнего заявляемого предела приводит к ухудшению качества покрытий, увеличению внутренних напряжений, снижению выхода по току и предельно допустимой катодной плотности тока;

8) уменьшение содержания хлорамина Б ниже нижнего заявляемого предела приводит к ухудшению качества покрытий, увеличению внутренних напряжений;

9) увеличение содержания фторопластовой эмульсии выше верхнего заявляемого предела приводит к ухудшению качества покрытий, увеличению внутренних напряжений, снижению выхода по току и предельно допустимой катодной плотности тока;

10) уменьшение содержания фторопластовой эмульсии ниже нижнего заявляемого предела приводит к снижению износостойкости покрытий.

Таблица 2
Физико-механические свойства покрытий
Характеристики электролитов и композиционных покрытий никель-кобальт-фторопласт и никель-фторопласт	Электролиты
1	2	3	4	5	Прот.
Износостойкость в условиях граничного трения со сталью Ст 45 при нагрузке 20-30 кгс/см2, мкм/ч	0,45	0,37	0,32	0,30	0,31	0,42
Микротвердость, ГПа	5,2	5,8	6,4	6,9	7,2	4,6
Внутренние напряжения, МПа	63,7	64,8	67,2	70,5	84,6	61,2
Пористость при толщине 4-5 мкм, пор/см2	0	1	1	1	2	1
Сцепление с основной из стали, меди и ее сплавов	Удовлетворяет ГОСТ 9.302-84
Содержание кобальта, мас.%	0,6	1,7	4,6	7,1	9,3	-
Содержание фторопласта, мас.%	0,7	1,1	2,5	3,9	4,4	2,9
Скорость осаждения, мкм/ч	36	61	75	138	147	75
Рассеивющая способность (по Херингу и Блюму), %	9	11	13	15	18	11
Стабильность, %	100	100	100	100	100	100

Как видно из табл.2, износостойкость композиционного покрытия никель-кобальт-фторопласт, осажденного из заявляемого электролита, превышает износостойкость композиционного покрытия никель-фторопласт, осажденного из прототипа, в 1,2-1,3 раза при сохранении основных физико-механических свойств покрытий.

Это позволяет расширить область применения композиционного покрытия никель-кобальт-фторопласт в качестве износостойкого покрытия в машиностроении.