способ получения многофункционального покрытия никель-бор

Формула изобретения

1. Способ получения многофункционального покрытия никель-бор, включающий электрохимическое осаждение покрытия при плотности тока 0,5-5,0 А/дм², температуре 30-60°С из электролита при рН 2,5-5,5, содержащего 250-400 г/л никеля серно-кислого семиводного, 20-60 г/л никеля двухлористого шестиводного, 30-60 г/л борной кислоты, 0,01-2,0 г/л блескообразующих добавок, при этом перед электрохимическим осаждением покрытия в электролит вводят борирующую добавку, принадлежащую к классу неорганических или органических бороводородов и их солей.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что борирующую добавку готовят заданной концентрации, вводят в электролит дозированно, в зависимости от суммарного времени работы электролита, в виде разбавленного раствора заданной концентрации.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к гальванотехнике, в частности к электрохимическому осаждению никелевых покрытий, и может быть использовано для получения многофункционального твердого, коррозионно-, термо- и износостойкого, а также защитно-декоративного покрытия в машиностроении.

Известны электролиты электрохимического осаждения покрытий никель-бор, содержащие в своих составах соли никеля, такие как никель серно-кислый, никель сульфаминовокислый, никель двухлористый, никель уксуснокислый, буферные добавки - борную кислоту, уксусную кислоту или малоновую кислоту, блескообразующие добавки - сахарин, формальдегид, "Прогресс", 1,4-бутиндиол и другие, стабилизаторы и смачиватели - натрий фтористый, СВ-102, ОС-20, акрилат-ионы и другие, а в качестве борирующей добавки соли высших бороводородов - декагидроборат натрия, полиэдрический борат (см. патент РФ №2080422 с приоритетом от 02.02.1993 г., патент РФ №2149927 с приоритетом от 08.06.1998 г, патент РФ №2058437 с приоритетом от 15.11.1993 г. и др.).

Недостатками указанных электролитов являются:

нестабильность процесса осаждения покрытия никель-бор, связанная со сложностью корректировки электролитов по борирующей добавке, высокая степень наводораживания покрытия, что делает его хрупким и напряженным, большая длительность проработки электролита после каждой корректировки до выхода на рабочие режимы и, как следствие, низкий % выхода изделий с заданными физико-механическими и химическими свойствами.

Известен также способ получения композиционных покрытий никель-бор, включающий электрохимическое осаждение никеля из стандартных электролитов никелирования и последующую термообработку в вакууме при температуре образования боридов никеля, по которому термообработку проводят в присутствии порошкообразной смеси, содержащей, мас.%:

Углеродистый молибден	25-30
Гексафторсиликат никеля	3-5
Технический углерод	1-5
Борный ангидрид	0,1-0,3
Силицид никеля	Остальное

(см. авторское свидетельство СССР №1664877 с приоритетом от 21.06.1989 г.).

Указанный способ получения композиционных покрытий никель-бор, как наиболее близкий аналог, может быть принят в качестве прототипа.

Недостатками прототипа являются:

- сложность регулирования процесса получения покрытия;

- невозможность получения больших толщин покрытия;

- невысокая степень воспроизводимости получения покрытия с заданными физико-механическими и химическими свойствами;

- неравномерность распределения борида никеля как по толщине, так и по площади поверхности покрытия;

- получение напряженных, хрупких и пористых покрытий.

Задачами, на решение которых направлено данное изобретение, являются:

- получение эластичных беспористых покрытий, удовлетворяющих высоким требованиям по коррозионной стойкости, твердости, термо- и износостойкости;

- получение больших толщин (до 0,25 мм) покрытия с сохранением заданных свойств по всей его толщине;

- возможность регулирования физико-механических и химических свойств покрытия;

- повышение стабильности процесса нанесения покрытия никель-бор за счет упрощения корректировки электролита по борирующей добавке;

- снижение времени выхода электролита на рабочие режимы и, как следствие, повышение % выхода готовых изделий с заданными физико-механическими и химическими свойствами;

- повышение равномерности распределения бора в кристаллической решетке осажденного никеля.

Согласно изобретению поставленные задачи решаются дозированным, в зависимости от суммарного времени работы электролита, введением в состав электролита борирующей добавки в виде разбавленного раствора заданной концентрации.

Процесс электрохимического осаждения покрытия никель-бор проводят из электролита, содержащего никель серно-кислый семиводный, никель двухлористый шестиводный, борную кислоту, блескообразующие добавки, борирующую добавку в виде одной из солей органических или неорганических бороводородов, при этом компоненты взяты в следующем соотношении, г/л:

Никель серно-кислый семиводный	250-400
Никель двухлористый шестиводный	20-60
Кислота борная	30-60
Блескообразователи	0,01-2,0
Борирующая добавка	0,01-2,0

при плотности тока 0,5-5,0 А/дм², рН 2,5-5,5. температуре 30-60°С.

Используют борирующие добавки, принадлежащие к классу неорганических и органических бороводородов и их солей, такие как:

натрия боргидрид, гидразин боран, декагидроборат натрия, дикарбаунддекаборан, диметиламиноборан, морфинборан, высшие бороводороды и др.

Электролит готовят следующим образом:

предварительно соли никеля, кислоту борную, сахарина натриевую соль растворяют раздельно в дистиллированной воде при комнатной температуре.

Раствор фильтруют и смешивают. Затем к приготовленному раствору добавляют 1,4-бутиндиол и формальдегид.

Отдельно готовят раствор ДГБН с концентрацией 1-10 г/л или натрия боргидрид концентрацией 2-20 г/л, который вводят в электролит непосредственно перед началом электрохимического осаждения покрытия в количестве 50% от заданной концентрации. Проводят проработку электролита при плотности тока 1,0 А/дм² в течение 1,5-2 часов. Вводят остальное количество борирующей добавки и проводят проработку электролита в том же режиме.

Подготовку поверхности деталей перед нанесением покрытия никель-бор проводят стационарными способами с использованием известных растворов.

Корректировку электролита проводят по результатам аналога.

Корректировку электролита по борирующей добавке проводят в процессе электроосаждения малыми объемами систематически после прохождения через электролит 0,1-0,6 А·ч/л в виде разбавленного раствора.

Для улучшения физико-механических и химических свойств, а также снижения наводораживания покрытия сушку деталей проводят при температуре 40-300°С в течение 15-120 мин.

Пример 1:

Нанесение покрытия на палец шарового шарнира.

Электрохимическое осаждение покрытия никель-бор на предварительно подготовленную поверхность основы деталей проводят в электролите, содержащем, г/л:

Серно-кислый семиводный никель	310
Двухлористый шестиводный никель	40
Натриевая соль сахарина	1,0
Кислота борная	40
Формальдегид	1,0
1,4-Бутиндиол	0,5
Декагидроборат натрия (ДГБН)	0,1
или
Натрия боргидрид	1,0

при рН 4,0, плотности тока 2,0 А/дм² и температуре 45°С и времени 15 мин.

В течение 15 минут получают покрытие толщиной 9 мкм при загрузке на ванну в 700 л и плотности тока 220 А / 110 дм².

Корректировку электролита проводят раствором декагидроборат натрия (ДГБН) концентрацией 2 г/л в количестве 375 мл или раствором натрия боргидрида концентрацией 4 г/л в количестве 400 мл.

Пример 2:

Нанесение покрытия на корпус свечи зажигания.

Электрохимическое осаждение покрытия никель-бор на предварительно подготовленную поверхность основы деталей проводят в электролите, содержащем, г/л:

Серно-кислый семиводный никель	300
Никель двухлористый шестиводный	35
Натриевая соль сахарина	1,2
Кислота борная	35
Формальдегид	1,1
1,4-Бутиндиол	0,6
Декагидроборат натрия (ДГБН)	0,06
или
Натрия боргидрид	1,5

при рН 4,5, плотности тока 2,5 А/дм² и температуре 50°С и времени 20 мин.

В течение 20 минут получают покрытие толщиной 12 мкм при загрузке на ванну в 500 л и токе 150 А - 75 дм².

Корректировку электролита проводят раствором декагидроборат натрия (ДГБН) концентрацией 8 г/л в количестве 120 мл или раствором натрия боргидрида концентрацией 16 г/л в количестве 150 мл.

Пример 3:

Нанесение покрытия на корпус свечи зажигания.

Электрохимическое осаждение покрытия никель-бор на предварительно подготовленную поверхность основы деталей проводят в электролите, содержащем г/л:

Серно-кислый семиводный никель	320
Двухлористый никель шестиводный	45
Сахарин	1,2
Кислота борная	45
1,4-Бутиндиол	0,8
Дикарбаунддекаборан	0,05

при рН 3,5, плотности тока 1,5 А/дм ² и температуре 40°С и времени 30 мин.

В течение 30 мин получают покрытие толщиной 15 мкм при загрузке на ванну в 700 л и токе 150 А - 100 дм².

Корректировку электролита проводят раствором дикарбаунддекаборана концентрацией 5 г/л в количестве 190 мл.

Пример 4:

Нанесение покрытия на палец шарового шарнира. Электрохимическое осаждение покрытия никель-бор на предварительно подготовленную поверхность основы деталей проводят в электролите, содержащем, г/л:

Серно-кислый семиводный никель	320
Никель двухлористый шестиводный	50
Натриевая соль сахарина	0,8
Кислота борная	50
Формальдегид	1,14
Нафталиндисульфокислота	0,6
Морфинборан	0,01

при рН 4,5, плотности тока 1,7 А/дм² и температуре 48°С и времени 15 мин.

В течение 15 мин получают покрытие толщиной 6 мкм при загрузке на ванну в 700 л и токе 190-108 дм².

Корректировку электролита проводят раствором морфинборана концентарцией 6 г/л в количестве 150 мл.

Полученное покрытие беспористое, хорошо сцеплено с основой, поверхность зеркальная. Покрытие износостойкое, обладает высокими коррозионными, антифрикционными свойствами. Указанные характеристики получаемого покрытия никель-бор позволяют использовать предложенный способ нанесения покрытия в машиностроении, в частности в автомобильной промышленности, для осаждения покрытия на поверхность шаровых пальцев передней подвески и рулевых тяг автомобилей.

Высокая стабильность электролита, эффективность способа нанесения покрытия никель-бор, возможность контроля состава и своевременной корректировки в процессе осаждения покрытия позволяют получать сравнительно большие толщины покрытий (до 0,25 мм) в одном электролите с сохранением заданных свойств в то время, как при применении известных способов большие толщины покрытий можно получить при послойном и неоднократном нанесении в различных условиях.

Основные физические свойства покрытия:

	ПР1	ПР2	ПР3	ПР4
Микротвердость: без термообработки с термообработкой (300°С) ГПа
Коэффициент трения: без термообработки	0,1	0,09	0,12	0,14
с термообработкой (300°С)	0,06	0,06	0,08	0,1
Износ в паре со ст 45 г/м2 : без термообработки	5,2	5,0	5,4	6,0
с термообработкой (300°С)	0,55	0,5	0,6	1,0
Переходное электрическое сопротивление, Ом	0,003	0,002	0,004	0,005
Мин. рабочее напряжение (мкВ)	6	7	6	10
Мин. рабочие токи (мкА)	0,08	0,085	0,09	1,0

Благодаря универсальности способа нанесения покрытия он имеет широкий диапазон применения и может быть использован не только для получения твердого, прочного, износо- и коррозионно-стойкого покрытия, но и одновременно декоративного покрытия на стали, чугуне, алюминии, меди, титане и других металлах.