способ получения никель-алмазных химических покрытий

Формула изобретения

1. Способ получения никель-алмазных химических покрытий, включающий приготовление раствора для никелирования путем последовательного растворения компонентов, подготовку поверхностей путем химического обезжиривания, нанесение никелевого покрытия из раствора, содержащего серно-кислый никель, гипофосфит натрия, промывку холодной и горячей водой, сушку и термическую обработку, отличающийся тем, что нанесение никелевого покрытия осуществляют из раствора, дополнительно содержащего хлористый аммоний, аммиак, натрий лимонно-кислый и наноалмазы с размером алмазных агрегатов 0,004-0,450 мкм, при рН 8,0-9,0 и температуре 84-89°С при следующем соотношении компонентов, г/дм³:

серно-кислый никель	16-27
гипофосфит натрия	21-24
хлористый аммоний	28-32
аммиак	47-52
натрий лимонно-кислый	40-50
наноалмазы	3-15.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что наноалмазы вводят в раствор в виде гидрозоля, или суспензии, или порошка.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для химического никелирования широкого класса матриц из стали, чугуна и алюминия, которые работают в условиях повышенного износа, высоких давлений, температур, в присутствии агрессивных сред.

Отличительной особенностью химических покрытий является высокая равномерность их осаждения по поверхности изделий. Благодаря низкой пористости такие покрытия обладают сочетанием уникальных качеств: повышенной микротвердостью, износостойкостью и стойкостью в агрессивных средах, что имеет большое значение при их эксплуатации в промышленности. Преимуществом метода химической металлизации по сравнению с электролитическим способом получения покрытий является возможность осаждения металлов на поверхности разного профиля и степени подготовленности, получение покрытий на металлах, пластмассах, неорганических и диэлектрических материалах, а также на керамике. Химическую металлизацию можно проводить локально на любых участках поверхности, а также на внутренних полостях, к которым затруднен подвод электрического тока. При этом покрытия могут быть значительной толщины с высокой прочностью сцепления. В отличие от электрохимического процесса скорость химического осаждения металла равномерна на всех участках поверхности, что обеспечивает равномерность покрытия по толщине на любых сложнопрофильных изделиях.

Известно, что при осаждении химических никелевых покрытий шероховатости поверхностей металлов выравниваются, улучшая механические свойства границы раздела, испытывающей рабочие нагрузки. Благодаря этому осаждаемые химическим способом Ni покрытия могут обеспечивать исходной подложке повышенную микротвердость и улучшенную коррозионную устойчивость.

Известно, что для улучшения микроструктуры и эксплуатационных свойств покрытий в состав электролитов металлизации вводятся различного рода инертные частицы: корунд, карбид кремния, двуокись титана, дисульфид молибдена (Сайфулин Р.С. Композиционные покрытия и материалы. - М., 1977 г., с.238-241) и синтетические алмазы (Синтетические сверхтвердые материалы. Киев: Наумова думка, 1986 г., Том 2, с.7-32). Ранее опубликованные результаты показывают, что добавки наноалмазов в процессы электроосаждения металлов улучшают твердость Ni-покрытий (Burkat G.К., Fujimura Т., Dilator V.Y., Rollover Е.A. Veretennikova М.V." Preparation of composite electrochemical nickel-diamond and iron-diamond coatings in the presence of detonation synthesis nanodiamonds." Diamond and Related Materials (14) 1761-1764, 2005). Вместе с тем, эмпирически установлено, что наноразмерные алмазы, добавленные в ванну электрохимического осаждения, могут улучшать трибологические свойства химических Ni-B покрытий (A.Gurga, V.Mohalin D.Рере, С.Picardi, Y.Gogotsi "Nanoindidentation Study of the Effect of Nanodiamond Additives on Electroless Deposition Nickel-Boride Coatings".

Известен способ получения композиционного электролитического покрытия с повышенными антикоррозийными свойствами, которые достигаются за счет использования в качестве твердых частиц - ультрадисперсных алмазов (наноалмазов) размером 0,001-0,120 мкм в количестве 0,5-30 г/л. При этом используются наноалмазы, полученные детонационным синтезом и очищенные в азотной кислоте (патент РФ № 2169798, опубл. БИ, 2001 г., № 18 (2 ч.), стр.279).

Наиболее близким аналогом заявленного способа является способ получения никелевых химических покрытий, включающий приготовление раствора для никелирования путем последовательного растворения компонентов, подготовку поверхностей путем химического обезжиривания, нанесение никелевого покрытия из раствора, содержащего сернокислый натрий, гипофосфит натрия, промывку холодной и горячей водой, сушку и термическую обработку покрытий (патент РФ № 2091502, опубл. БИ, 1997 г., № 27, стр.323).

Недостаткам описанного выше способа химического никелирования является то, что при достаточно низкой себестоимости способ не обеспечивает требуемых высоких физико-механических характеристик структуры и химическую стойкость покрытий для ответственных узлов в случаях, когда высокое качество является приоритетным, кроме того, способ предназначен только для никелирования стальных поверхностей.

Задачей предлагаемого изобретения является создание способа, позволяющего улучшить эксплуатационные характеристики, повысить микротвердость, износостойкость и коррозионную устойчивость покрытий за счет изменения их микроструктуры и одновременно расширить диапазон никелируемых металлических матриц.

Поставленная задача решается предлагаемым способом получения никель-алмазных химических покрытий, который включает в себя приготовление раствора для никелирования путем последовательного растворения компонентов, подготовку поверхностей путем химического обезжиривания, нанесение никелевого покрытия из раствора, содержащего сернокислый никель, гипофосфит натрия, промывку холодной и горячей водой, сушку и термическую обработку, при этом нанесение никелевого покрытия осуществляют из раствора, дополнительно содержащего хлористый аммоний, аммиак, натрий лимоннокислый и наноалмазы, с размером алмазных агрегатов диаметром 0,004 0,450 мкм при рН 8,0-9,0 и температуре 84-89°С, при следующем соотношении компонентов (г/дм³):

Сернокислый никель	16-27
Гипофосфит натрия	21-24
Хлористый аммоний	28-32
Аммиак	47-52
Натрий лимоннокислый	40-50
Наноалмазы	3-15

В частности, наноалмазы в состав раствора химического никелирования вводят в виде или гидрозоля, или суспензии, или порошка.

Предлагаемый способ отличается от прототипа тем, что процесс проводят при рН 8,0-9,0 и температуре 84-89°С, а нанесение никелевого покрытия осуществляют из раствора, содержащего следующие компоненты при соотношении (г/дм³): сернокислый никель 16-27, гипофосфит натрия 21-24, хлористый аммоний 28-32, аммиак 47-52, натрий лимоннокислый 40-50, наноалмазы 3-15.

Решение поставленной задачи, а именно увеличение микротвердости, износостойкости и коррозионной устойчивости, происходит за счет совершенствования микроструктуры никель-алмазного покрытия. При введении наноалмаза в состав раствора для осаждения никель-алмазного покрытия наблюдается формирование упорядоченной субмикрокристаллической структуры (фиг.1) в отличие от структуры никелевого покрытия без наноалмаза (фиг.2). Отмечена зависимость между размером алмазных агрегатов, участвующих в процессе формирования покрытия, их концентрацией и структурой поверхности (табл.2-4). Чем меньше размер агрегатов алмаза, тем совершеннее структура и выше анизотропия свойств осадка, которые определяют рост эксплуатационных характеристик покрытий - микротвердости, износостойкости и коррозионной стойкости.

Наиболее простой способ составления электролита предусматривает использование алмазного гидрозоля с концентрацией дисперсной фазы 5 г/дм³ и размером алмазных агрегатов 0,004-0,450 мкм. При использовании наноалмазов в виде суспензии или порошка, где размер алмазных агрегатов может составлять до 2,5 мкм и более, составленный электролит необходимо проработать любым из методов дезагрегации, который обеспечит уменьшение агрегатов до нужного размера (например, ультразвуковая обработка, обработка на дезинтеграторе, обработка на дисмембраторе или роторно-пульсационном аппарате и др.).

В предлагаемом способе приготовление раствора для никелирования проводится следующим образом: все сыпучие компоненты состава растворяют в небольшом количестве обессоленной воды, после чего в раствор сернокислого никеля при механическом перемешивании последовательно вводят растворы хлористого аммония и лимоннокислого натрия. Полученный состав отстаивают и фильтруют. Затем в этот состав вводят наноалмазы, раствор гипофосфита натрия и доводят его до расчетного объема прибавлением обессоленной воды. После этого проверяют значение рН раствора и вводят аммиак в количестве, достаточном для достижения значений рН из диапазона 8,0-9,0.

Обезжиривание поверхностей металлов проводят стандартными методами: стальные и чугунные матрицы обезжиривают в универсальном щелочном растворе в течение 2-5 минут при температуре 60-70°С, состав которого приведен в таблице 1.

Таблица 1
Компонент состава	Концентрация, г/дм3
NaOH	10-15
Na2СО 3	20-25
Na3 PO4	20-25
Na2 SiO3	15-20

Обезжиривание алюминиевых матриц проводят в 5% растворе едкого натра при температуре 60-70°С в течение 15-20 сек. Обезжиривание заканчивается промывкой матриц обессоленной водой.

Готовый раствор никелирования прогревают до рабочего значения температуры при постоянном перемешивании. Металлическую матрицу погружают в приготовленный раствор и выдерживают там заданное время. Готовое покрытие промывают вначале холодной водопроводной водой, затем горячей обессоленной водой при температуре 70-90°С. Сушка покрытия проводится на воздухе, заключительный этап - термическая обработка (прокаливание) проводится в муфельной печи в течение 1-2 часов при температуре 350-400°С.

Для пояснения описанного технического решения ниже приведен пример осуществления заявленного способа.

Пример 1

Готовят раствор согласно последовательности заявленных выше операций, который содержит, г/дм³:

Сернокислый никель	22
Гипофосфит натрия	23
Хлористый аммоний	30
Натрий лимоннокислый	45
Аммиак (25%)	50
Наноалмазы	5

Приготовленный раствор (рН 8,2) нагревают до температуры 85°С при постоянном перемешивании. Стальную или чугунную матрицу обезжиривают в составе (табл.1) в течение 4 минут, погружают в приготовленный раствор для никелирования и выдерживают в течение 45 минут, промывают последовательно холодной, а затем горячей водой (80°С), сушат при температуре 25°С на воздухе и прокаливают в течение 1,5 часов при 400°С. Сравнительные характеристики никелевых покрытий, полученных из растворов с наноалмазами и без наноалмазов, на стали приведены в табл.2, на чугуне - в табл.3.

Пример 2

При нанесении никелевого покрытия на алюминиевую матрицу раствор никелирования готовят, как в примере 1, доводят рН до 8,3, нагревают до температуры 88°С. Алюминиевую матрицу обезжиривают 5% раствором едкого натра при температуре 65°С в течение 18 секунд, обработка заканчивается промывкой матрицы проточной обессоленной водой. Никелирование проводят в течение 30 минут. Алюминиевую матрицу с покрытием промывают вначале проточной, затем горячей водой (80°С), сушат на воздухе при температуре 50°С, прокаливают в течение 2 часов при температуре 180°С. Сравнительные характеристики никелевых покрытий, полученных из растворов с наноалмазом и без них на алюминии, приведены в табл.4.

Таким образом, приведенными данными подтверждается, что заявляемый способ позволяет получить никелевые покрытия с плотной мелкозернистой структурой, что обеспечивает их улучшенные эксплуатационные характеристики (повышенную микротвердость, износостойкость и коррозионную устойчивость) на матрицах из стали, чугуна и алюминия при введении наноалмазов в раствор никелирования.