способ получения композиционных электрохимических покрытий на основе хрома

Формула изобретения

Способ получения композиционных электрохимических покрытий на основе хрома, включающий введение в электролит ультрадисперсного порошка и осаждение при температуре 50-60°С и плотности тока 50-60 А/дм², отличающийся тем, что в качестве ультрадисперсного порошка используют карбид кремния с удельной поверхностью 20000-40000 м²/кг в количестве 6-8 кг/м³ с содержанием примеси свободного несвязанного в карбид углерода не более 1,0 мас.%, который вакуумтермически обработан при температуре 600-700°С в течение не менее 0,5 ч при остаточном давлении не более 75 Па.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к гальванотехнике, а именно к получению композиционных электрохимических покрытий (КЭП) из электролитов хромирования с использованием в качестве второй фазы ультрадисперсного порошка (УДП) карбида кремния.

Область применения предлагаемых покрытий совпадает с областью применения обычных и известных композиционных покрытий на основе хрома. Но экономически и технологически наиболее целесообразно применение их взамен хромалмазных для поверхностного упрочнения инструмента, оснастки, деталей машин и механизмов, эксплуатирующихся в условиях повышенных температур (выше 200-300°С): прессовый инструмент для порошковой металлургии, детали инструментального производства - пуансоны, штампы, матрицы, державки пуансонов и др., детали поршневой группы двигателей внутреннего сгорания и т.п.

Известен способ получения композиционных хромалмазных покрытий [1], характеризующийся введением в электролит так называемой алмазосодержащей шихты (алмазографита) в количестве 5-10 кг/м³ в пересчете на ультрадисперсные алмазы (УДА) взамен УДА (ТУ 84-1124-87) с целью снижения стоимости покрытия ввиду высокой стоимости самих УДА. Недостатком способа является то, что он не обеспечивает требуемых высоких физико-механических характеристик и структуры покрытий для ответственных и прецезионных узлов.

Из известных наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ получения композиционных металлоалмазных покрытий [2], в котором в электролит хромирования вводится ультрадисперсный алмазный порошок с удельной поверхностью 400000-500000 м²/кг в количестве 2-20 кг/м ³, а осаждение покрытия осуществляют при температуре 50-60°С и плотности тока 40-60 А/дм². В результате обеспечивается увеличение микротвердости, износостойкости, коррозионной стойкости покрытия за счет формирования беспористой, субмикрокристаллической, упорядоченной структуры. Недостатками способа являются усложнение технологии приготовления устойчивой электролит-алмазной суспензии и эксплуатации электролита, ограниченный при повышенных температурах (свыше 200-300°С) срок службы вследствие разрушения из-за окисления частиц алмазного порошка с удельной поверхностью 400000-500000 м²/кг, импрегнированных в поверхностные слои хромовой матрицы, при нагреве обрабатывающего инструмента в процессе эксплуатации.

Задачей изобретения является увеличение срока службы покрытий в условиях повышенных температур при упрощении технологии приготовления и эксплуатации электролита-суспензии.

Сущность изобретения состоит в том, что в способе получения композиционных электрохимических покрытий на основе хрома, включающем введение в электролит ультрадисперсного порошка (УДП) и осаждение при температуре 50-60°С и плотности тока 50-60 А/дм ², в качестве ультрадисперсного порошка вводят УДП карбида кремния с удельной поверхностью 20000-40000 м ²/кг в количестве 6-8 кг/м³, содержащий не более 1,0 мас.% примеси свободного (не связанного в карбид) углерода и вакуум-термически обработанный при температуре 600-700°С в течение не менее 0,5 часа при остаточном давлении не более 75 Па.

Ультрадисперсный порошок карбида кремния обладает следующими характеристиками [3]:

- содержание кубической -модификации не менее 96,0 мас.%;

- величина удельной поверхности порошка 20000-40000 м²/кг;

- содержание примеси свободного (несвязанного в карбид) углерода не более 1,0 мас.%;

- термоокислительная устойчивость на воздухе - до 700°С;

- коррозионностоек при температуре 25-80°С в электролитах любой кислотности;

- стоек к коагуляции в растворах электролитов после вакуум-термической обработки при температуре 600-700°С в течение не менее 0,5 часа при остаточном давлении не более 75 Па, в результате чего легко перемешивается с электролитом и эффективен при относительно низком содержании в электролите;

В отличие от УДА, вводимых в электролит при использовании обычных приемов с большим трудом (длительность перемешивания может составить 50-80 часов), либо по предлагаемой авторами [2] многооперационной длительной (6-48 часов) в зависимости от достигаемой концентрации УДА 2-20 кг/м ³ технологии, вакуум-термически обработанный УДП карбида кремния вводится в электролит и перемешивается с ним достаточно легко.

Кристаллографическая (т.е. структурная) и размерная близость карбида кремния к алмазу обеспечивает высокую степень совершенства текстуры хромовых покрытий и предопределяет сопоставимость таких их свойств, как износостойкость, микротвердость и коррозионная стойкость.

Для пояснения изобретения ниже описаны примеры осуществления способа (табл.1). При этом использован электролит, содержащий в кг/м³: хромовый ангидрид 230, кислота серная 2, хром трехвалентный 7.

Пример 1. Вакуум-термически обработанный УДП карбида кремния с удельной поверхностью 32000 м²/кг, содержащий 0,8 мас.% свободного (не связанного в карбид) углерода, в количестве 4 кг/м ³ вводят в электролит, нагревают до 45°С, затем прорабатывают током плотностью 45 А/дм² в течение 2 часов. Процесс осаждения покрытия на образцы ведут при плотности тока 55 А/дм² и температуре 55°С.

Полученное покрытие имеет сопоставимые с прототипом износостойкость, микротвердость, коррозионную стойкость и срок службы при эксплуатации при температуре выше 200-300°С при упрощении технологии приготовления и эксплуатации электролита.

Пример 2. Вакуум-термически обработанный УДП карбида кремния с удельной поверхностью 32000 м ²/кг, содержащий 0,8 мас.% свободного (не связанного в карбид) углерода, в количестве 6 кг/м³ вводят в электролит, нагревают до 45°С, затем прорабатывают током плотностью 45 А/дм² в течение 2 часов. Процесс осаждения покрытия на образцы ведут при плотности тока 55 А/дм² и температуре 55°С. Полученное покрытие имеет сопоставимые с прототипом износостойкость, микротвердость, коррозионную стойкость и отличается от прототипа увеличением срока службы при эксплуатации при температуре выше 200-300°С в относительных единицах до 1,50 при упрощении технологии приготовления и эксплуатации электролита.

Пример 3. Вакуум-термически обработанный УДП карбида кремния с удельной поверхностью 32000 м²/кг, содержащий 0,8 мас.% свободного (не связанного в карбид) углерода, в количестве 7 кг/м ³ вводят в электролит, нагревают до 45°С, затем прорабатывают током плотностью 45 А/дм² в течение 2 часов. Процесс осаждения покрытия на образцы ведут при плотности тока 55 А/дм² и температуре 55°С. Полученное покрытие имеет сопоставимые с прототипом износостойкость, микротвердость, коррозионную стойкость и отличается от прототипа увеличением срока службы при эксплуатации при температуре выше 200-300°С в относительных единицах до 1,70 при упрощении технологии приготовления и эксплуатации электролита.

Пример 4. Вакуум-термически обработанный УДП карбида кремния с удельной поверхностью 32000 м²/кг, содержащий 0,8 мас.% свободного (не связанного в карбид) углерода, в количестве 8 кг/м ³ вводят в электролит, нагревают до 45°С, затем прорабатывают током плотностью 45 А/дм² в течение 2 часов. Процесс осаждения покрытия на образцы ведут при плотности тока 55 А/дм² и температуре 55°С. Полученное покрытие имеет сопоставимые с прототипом износостойкость, микротвердость, коррозионную стойкость и отличается от прототипа увеличением срока службы при эксплуатации при температуре выше 200-300°С в относительных единицах до 2,0 при упрощении технологии приготовления и эксплуатации электролита.

Пример 5. Вакуум-термически обработанный УДП карбида кремния с удельной поверхностью 32000 м²/кг, содержащий 0,8 мас.% свободного (не связанного в карбид) углерода, в количестве 10 кг/м ³ вводят в электролит, нагревают до 45°С, затем прорабатывают током плотностью 45 А/дм² в течение 2 часов. Процесс осаждения покрытия на образцы ведут при плотности тока 55 А/дм² и температуре 55°С. Полученное покрытие имеет сопоставимые с прототипом износостойкость, микротвердость, коррозионную стойкость и отличается от прототипа увеличением срока службы при эксплуатации при температуре выше 200-300°С в относительных единицах до 2,06 при упрощении технологии приготовления и эксплуатации электролита.

Технологическая целесообразность применения УДП карбида кремния с удельной поверхностью 20000-40000 м²/кг, ограничения содержания в нем свободного (не связанного в карбид) углерода и проведения его предварительной вакуум-термической обработки подтверждается данными, приведенными в табл.2, 3, 4.

Во всех примерах толщина хром-карбидного покрытия составляла 15 мкм. Плотность тока при проведении процесса осаждения выбрана в интервале 50-60 А/дм² из условий получения светлого блестящего покрытия на деталях. Экспериментально доказано, что при плотности тока ниже 50 А/дм ² покрытие получается матовое, что непосредственно влияет на снижение износостойкости и коррозионной стойкости.

Износостойкость полученных хром-карбидных покрытий определяли на машине трения СМЦ-2 в условиях трения скольжения со смазкой при нагрузке 98 Н, скорость скольжения 1,15 м/с, на образцах стали 30ХГСА по схеме: вращающийся диск (контртело) - неподвижный диск с толщиной покрытия 15 мкм. В качестве контртела использовали диск диаметром 180 мм, толщиной 0,5 мм, закаленный до твердости 50-55 HRC. Микротвердость измеряли на микротвердомере ПМТ-3 при нагрузке 200 г.

Коррозионную стойкость покрытия определяли методом погружения в 3% раствор хлористого натрия с последующим определением числа коррозионных поражений на 5 см² поверхности через 100 часов испытаний.

Таблица 2
Сравнительные характеристики покрытий на основе хрома с УДП карбида кремния с различной удельной поверхностью (для условий примера 4):
Варианты Результаты	Величина удельной поверхности УДП карбида кремния, м2/кг
	11000	22000	32000	38000	51000
Износостойкость	0,89	0,99	1,0	1,03	0,93
Микротвердость, кгс/мм2	792	927	932	939	851
Коррозионная стойкость	0,82	1,0	1,0	1,00	0,91
Срок службы при эксплуатации при температуре выше 200-300°С	0,72	1,0	1,0	1,0	0,88

Таблица 3
Сравнительные характеристики покрытий на основе хрома с УДП карбида кремния при различном содержании в нем свободного (не связанного в карбид) углерода (для условий примера 4):
Варианты Результаты	Содержание в УДП карбида кремния свободного углерода, мас.%
	0,8	1,5	2,4
Износостойкость	1,0	0,86	0,79
Микротвердость, кгс/мм2	932	760	710
Коррозионная стойкость	1,0	0,89	0,79
Срок службы при эксплуатации при температуре выше 200-300°С	1,0	не рекомендуются к эксплуатации в этих условиях

Таблица 4
Зависимость степени коагуляции в электролите УДП карбида кремния от температуры вакуум-термической обработки (продолжительность термообработки 0,5 часа, остаточное давление 75 Па)
Температура вакуум-термической обработки, °С	Средний размер частиц карбида кремния в электролите, нм	Степень коагуляции*
-	55 (исходный УДП)	-
-	153,5	2,79
400	116,6	2,12
500	76,5	1,39
600	69,5	1,26
700	64,4	1,17
800	63,8	1,16
* - отношение размера частиц УДП в электролите к размеру частиц исходного УДП.

Из табл.1 видно, то предложенный способ получения хром-карбидных покрытий по сравнению с прототипом обеспечивает увеличение срока службы покрытий в условиях повышенных температур при упрощении технологии приготовления и эксплуатации электролита-суспензии. Способ применим в условиях действующего гальванического производства без дополнительных затрат.

Источники информации

1. Пат. 2096535 РФ. МПК C25D 15/00. Способ электрохимического нанесения хром-алмазных покрытий / А.В.Корытников, Е.В.Никитин, Т.Н.Зайцева и др. - № 95111395/02; заявл. 23.06.95; опубл. 20.11.97.

2. Пат. 2156838 РФ. МПК C25D 15/00. Способ получения композиционных металлоалмазных покрытий / Е.В.Никитин, Л.А.Поляков, Н.А.Калугин. - № 99108896/02; заявл. 21.04.99; опубл. 27.09.2000.

3. Галевский Г.В. Использование кремнеземсодержащих пылевых выбросов в производстве структурно-размерных аналогов ультрадисперсных алмазов на основе карбида кремния / Г.В.Галевский, О.А.Коврова, В.В.Руднева. // Сб. науч. тр. "Вестник горно-металлургической секции АЕН РФ. Отделение металлургии" / СибГГМА. - Новокузнецк, 1995. - Вып.2. - С.64-72.