электролит для осаждения композиционного покрытия никель-кобальт-оксид кремния-фторопласт

Формула изобретения

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

хлорид никеля	200-350
хлорид кобальта	2-10
борная кислота	25-40
хлорамин Б	1,5-3,0
оксид кремния	1-30
фторопластовая эмульсия Ф-4Д	7-35

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области гальванотехнике, 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 200-300, борная кислота 20-30, соль анионного полиэдрического бората (в пересчете на C₂ B₉H₁₂B₁₀H₁₀ ^2-,B₁₂H₁₂ ^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.).

2. хлорид никеля 200-300, борная кислота 25-35, соль анионного полиэдрического бората (в пересчете на C₂ B₉H₁₂ В₁₀Н₁₀ B _]2H_I2 ^2-) 0,5-6,0, фторопластовая эмульсия Ф-4Д 5-30 (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.).

3. хлорид никеля 150-350, борная кислота 25-40, хлорамин Б 1,5-4,5, фторопластовая эмульсия Ф-4Д-Э 5-35 (Балакай В.И., Балакай И.В., Герасименко Ю.Я Электролит для осаждения композиционного покрытия никель-фторопласт. Пат. 2297476 Рос. Федерация, МПК 7 C25D 15/00. - № 2005130886/02; - заявл. 05.10.2005; опубл. 20.04.2007; Бюл. № 11.)

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

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

хлорид никеля	200-350,
хлорид кобальта	2-10,
борная кислота	25-40,
хлорамин Б	1,5-45
фторопластовая эмульсия Ф-4Д	7-35.

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

(Балакай В.И., Арзуманова А.В., Курнакова Н.Ю., Балакай И.В., Балакай К.В. Электролит для осаждения композиционного покрытия никель-кобальт-фторопласт Пат.2352694 Рос. Федерация, МПК С25Д 15/00. - № 2008110630/02; заявл. 19.03.2008; опубл. 20.04.2009, Бюл. № . 11.)

Покрытия осажденные из данного электролита имеют недостаточную износостойкость.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение износостойкости микротвердости.

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

хлорид никеля	200-350,
хлорид кобальта	2-10,
борная кислота	25-40,
хлорамин Б	1,5-3,0,
оксид кремния	1-30,
фторопластовая эмульсия Ф-4Д	7-35.

Режимы электролиза: рН 1,5-5,5, температура 18-40°С, катодная плотность тока 1,0-11,0 А/дм² при перемешивании механической мешалкой (50-100 об/мин).

Наличие оксида кремния в электролите позволяет электроосаждать композиционное покрытие никель-кобальт-оксид кремния-фторопласт с высокой износостойкостью.

Сплав никель-кобальт является хорошим конструкционным материалом, и поэтому большое значение имеет разработка на его основе покрытий обладающих высокой износостойкостью и низким коэффициентом трения. С целью увеличения износостойкости сплава никель-кобальт было предложено дополнительно вводить в покрытие фторопласт (так называемый самосмазывающий материал), который образует на поверхности композиционных покрытий никель-кобальт-фторопласт тонкую пленку из фторопласта в результате трения двух поверхностей друг о друге и раздавливанию фторопласта находящегося в покрытии (получены патенты № 2352693, 2352694). Однако из-за того, что покрытие обычно не имеют 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. Кроме того основа должна иметь более высокую микротвердость. Поэтому было предложено с целью увеличения износостойкости покрытий и снижения коэффициента трения наносить на трущиеся изделия не композиционное покрытие никель-кобальт-фторопласт, а композиционное покрытие никель-кобальт-оксид кремния-фторопласт, т.к. покрытия при введении в электролит оксида кремния получаются более мелкокристаллическими, равномерными и имеют более высокую микротвердость. В настоящее время из носостойкие и самосмазываемые покрытия представляют определенный практический интерес.

Пример 1. Электролит готовили следующим образом. В электролитической ванне, заполненной до ¾ 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 1 г/л оксида кремния, 7 г/л фторопластовой эмульсии Ф-4Д. 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-оксид кремния-фторопласт, осажденных при температуре (18-40°С) из предлагаемого электролита и из прототипа никель-кобальт-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	6
Борная кислота	20	25	32	40	45	30
Хлорамин Б	1,0	1,5	2,2	3,0	3,5	3,0
Оксид кремния	0,8	1	15	30	40	-
Фторопластовая эмульсия Ф-4Д (ТУ 6-05-041-508-79)	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	5	7	11	11	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 оксида кремния 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 оксида кремния ниже нижнего заявляемого предела приводит к снижению износостойкости покрытий.

11. 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.

Таблица 2
Физико-механические свойства покрытий
Характеристики электролитов и композиционных покрытий никель-кобальт-оксид кремния-фторопласт и никель-кобальт-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	0,34	0,29	0,25	0,22	0,24	0,33
Микротвердость, ГПа	7,1	7,9	8,4	8,8	9,1	6,4
Внутренние напряжения, МПа	64,4	65,4	67,8	71,3	85,3	67,2
Сцепление с основной из стали, меди и ее сплавов	Удовлетворяет ГОСТ 9.302-84
Содержание кобальта, мас.%	0,5	1,6	4,4	6,9	9,1	-
Содержание оксида кремния, мас.%	0,4	0,8	1,5	2,2	2,7	-
Содержание фторопласта, мас.%	0,5	1,0	2,3	3,7	4,3	2,9
Стабильность, %	100	100	100	100	100	100

12. Уменьшение содержания фторопластовой эмульсии ниже нижнего заявляемого предела приводит к снижению износостойкости покрытий.

Как видно из табл.2, износостойкость композиционного покрытия никель-кобальт-оксид кремния-фторопласт, осажденного из заявляемого электролита, превышает износостойкость композиционного покрытия никель-кобальт-фторопласт, осажденного из прототипа в 1,3-1,4 раза при сохранении основных физико-механических свойств покрытий.

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