Способ получения гальванического композиционного покрытия никель-кобальт-оксид алюминия и гальваническое композиционное покрытие никель-кобальт-оксид алюминия

Способ получения гальванического композиционного покрытия никель-кобальт-оксид алюминия и гальваническое композиционное покрытие никель-кобальт-оксид алюминия

Реферат

Изобретение относится к получению композиционного покрытия электрохимическим способом в качестве износостойкого материала в различных отраслях промышленности.

В промышленности появилась необходимость увеличения износостойкости различных материалов на основе никеля.

Увеличение износостойкости материалов на основе никеля можно достигнуть за счет легирования их металлами и (или) неметаллами.

Известны способы получения композиционных покрытий на основе никеля и композиционные покрытия на основе никеля с:

- С, Si, SiC, TiC, TaC, ZrC, WC, SiO₂, TiO₂, BeO, ZrO₂, Сr₂O₃, МоS₂, MoSi₂ и т.д. (Сайфуллин Р.С. Композиционные покрытия и материалы. - М.: Химия, 1977. - 272 с.), с

- бором (Кукоз Ф.И., Кудрявцева И.Д., Сысоев Г.Н., Балакай В.И. Гальванические покрытия сплавом никель-бор взамен хрома. // Теоретические основы технологии нанесения химических покрытий из металлов и сплавов: Тез. докл. Укр. Республ. конф. - К., 1988. - С.34-35),

- бором и фторопластом (1. Балакай В.И. Электролит для осаждения композиционного покрытия никель-бор-фторопласт. Пат. 2213812 Рос. Федерация, МПК 7 С25D 15/00. - №2002113832/02; заявл. 27.05.2002; опубл. 10.10.2003, Бюл. №28. 2. Балакай В.И. Гальванический композиционный материал на основе никеля. Пат. 2213813 Рос. Федерация, МПК 7 С25D 15/00. - №2002113887/02; заявл. 27.05.2002; опубл. 10.10.2003, Бюл. №28),

- SiC или Аl₂O₃ с MoS₂ (Новоселов A.M., Данилович Ю.А., Ковалев Б.Ф., Костюнин А.А., Трубников С.В., Кокоулин Е.Л. Электролит для получения композиционных покрытий на основе никеля или кобальта. А.с. №1805697 A1, C25D 15/00; 4846960/26, заявл. 14.05.1990; опубл. 20.10.1995), обладающие повышенной износостойкостью по сравнению с чисто никелевыми покрытиями.

Существенным недостатком этих композиционных материалов и сплавов является то, что износостойкость является недостаточной.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности относится способ нанесения композиционного покрытия никель-кобальт (или железо)-оксид алюминия, г/л:

никель сульфаминово-кислый	300-440
никель хлористый	4-15
кобальт сульфаминово-кислый и/или
железо сульфаминово-кислое	12-27
борная кислота	25-40
сахарин	0,5-1,5
нанопорошок оксида металла
группы IIIА	2-100
поверхностно-активное вещество	0,01-0,1
вода	до 1 л

(Жирнов А.Д., Ильин В.А., Семенычев В.В., Нагаева Л.В., Налетов Б.П. Электролит никелирования. Пат. 2293803 С1, Рос. Федерация, МПК 7 С25D 15/00. - №2005124342/02; - заявл. 01.08.2005; опубл. 20.02.2007; Бюл. №5).

Однако композиционные покрытия, осажденные из данного электролита, имеют недостаточную износостойкость.

Задачей настоящего изобретения является повышения износостойкости покрытия на основе никеля легированием кобальтом и оксидом алюминия. Технический результат - улучшение сцепления покрытия с основой, образование достаточного количества пленки на поверхности покрытия, улучшающей скольжение.

Указанная задача достигается способом получения композиционного покрытия никель-кобальт-оксид алюминия, включающего осаждение покрытия из электролита, содержащего (г/л):

хлорид никеля	200-350
хлорид кобальта	3-11
оксид алюминия	15-40
борная кислота	25-40
хлорамин Б	1,5-4,0.

Режимы электролиза: рН 1,5-5,0, температура 18-40°С, катодная плотность тока 0,5-9 А/дм² при перемешивании. Дисперсность порошка оксида алюминия 0,5-0,9 мкм.

Указанная задача достигается получением композиционного покрытия никель-кобальт-оксид алюминия при следующем соотношении компонентов, мас.%:

кобальт	1,8-6,7
оксид алюминия	1,2-3,8
никель	остальное.

Наличие кобальта и оксида алюминия в композиционном покрытии никель-кобальт-оксид алюминия, осажденного из хлоридного электролита при определенном соотношении компонентов и режимов электролиза, приводит к увеличению его износостойкости.

При использовании оксида алюминия размером свыше 0,9 мкм качество покрытий ухудшается, т.к. в покрытии увеличиваются внутренние напряжения, ухудшается сцепление покрытия с основой, а поверхность покрытия получается неровной, менее гладкой, что увеличивает износ.

При использовании оксида алюминия размером меньше 0,5 мкм в покрытие зарастает недостаточное количество оксида алюминия, который является самосмазывающим компонентом, на поверхности покрытия образуется недостаточное количество пленки, улучшающей скольжение, а следовательно, износостойкость при трении уменьшается.

Увеличение содержания кобальта в композиции выше верхнего заявляемого предела приводит к увеличению внутренних напряжений, ухудшению качества.

Уменьшение содержания кобальта в композиции ниже нижнего заявляемого предела приводит к снижению износостойкости композиционного материала.

Увеличение содержания оксида алюминия в композиции выше верхнего заявляемого предела приводит к увеличению внутренних напряжений, ухудшению качества.

Уменьшение содержания оксида алюминия в композиции ниже нижнего заявляемого предела приводит к снижению износостойкости композиционного материала.

Для апробирования предложенного состава композиционного покрытия никель-кобальт-оксид алюминия были нанесены покрытия, химический состав которых приведен в табл.1, где 2, 3, 4 содержание кобальта и оксида алюминия на нижнем, среднем и верхнем уровня соответственно, а 1 и 5 содержание кобальта и оксида алюминия в покрытии за граничными значениями.

Электролит готовили следующим образом. В электролитической ванне, заполненной до 3/4 необходимого объема водопроводной водой, при температуре 60-70°С растворяли борную кислоту, хлорамина Б, хлорида никеля и кобальта, после того как довели уровень электролита до необходимого объема вводили оксида алюминия размерами 0,5-0,9 мкм. рН электролита доводили либо соляной кислотой, либо гидроокисью натрия или калия (100-150 г/л).

Таблица 1
Химический состав композиционного покрытия никель-кобальт-оксид алюминия и прототипа - никель-кобальт-оксид алюминия, мас.%
Композиционный материал и прототип	Никель	Кобальт	Оксид алюминия
Предложенный 1	98,7	0,7	0,8
2	97,2	1,8	1,2
3	92,9	4,3	2,5
4	89,0	6,7	3,8
5	86,8	8,3	4,3
Известный	80	13,2	6,8

Пример 1. Композиционный материал химического состава, мас.%: кобальт 0,7, оксид алюминия 0,8, никель остальное, осаждали из электролита состава, г/л: хлорид никеля 150, хлорид кобальта 2, оксид алюминия 10, борная кислота 20, хлорами Б 1,0, при рН 5,5, температуре 16°С и катодной плотности тока 0,5 А/дм². Электролит готовили следующим образом. В электролитической ванне, заполненной до ³/₄ необходимого объема водопроводной водой, при температуре 60-70°С растворяли борную кислоту, хлорамин Б и хлорид никеля, после того как довели уровень электролита до необходимого объема, вводили оксид алюминия. рН электролита доводили либо соляной кислотой, либо гидроокисью натрия или калия (100-150 г/л).

Пример 2. Композиционный материал химического состава, мас.%: кобальт 1,8, оксид алюминия 1,2, никель остальное, осаждали из электролита состава, г/л: хлорид никеля 275, хлорид кобальта 3, оксид алюминия 15, борная кислота 25, хлорамин Б 1,5, при рН 5,0, температуре 18°С и катодной плотности тока 1 А/дм². Электролит готовили по методике, описанной выше.

Пример 3. Композиционный материал химического состава, мас.%: кобальт 4,3, оксид алюминия 2,5, никель остальное, осаждали из электролита состава, г/л: хлорид никеля 250, хлорид кобальта 8, оксид алюминия 25, борная кислота 32, хлорамин Б 3,0, при рН 3,0, температуре 30°С и катодной плотности тока 4 А/дм². Электролит готовили по методике, описанной выше.

Пример 4. Композиционный материал химического состава, мас.%: кобальт 4,7, оксид алюминия 3,8, никель остальное, осаждали из электролита состава, г/л: хлорид никеля 350, хлорид кобальта 12, оксид алюминия 40, борная кислота 40, хлорамин Б 4,0, при рН 1,5, температуре 40°С и катодной плотности тока 9 А/дм². Электролит готовили по методике, описанной выше.

Пример 5. Композиционный материал химического состава, мас.%: кобальт 8,3, оксид алюминия 4,3, никель остальное осаждали из электролита состава, г/л: хлорид никеля 370, хлорид кобальта 15, оксид алюминия 45, борная кислота 40, хлорамин Б 4,5, при рН 1,1, температуре 45°С и катодной плотности тока 10 А/дм². Электролит готовили по методике, описанной выше.

В табл.2 приведены физико-механические свойства предложенного композиционного покрытия никель-кобальт-оксид алюминия и прототип - никель-кобальт-оксид алюминия, осажденный из электролита состава, г/л:

Никель сульфаминово-кислый	400
никель хлористый	10
кобальт сульфаминово-кислый	15
борная кислота	30
оксид алюминия	20
натрий лаурилсульфат	0,05
вола	до 1 л.

Таблица 2
Физико-механические свойства предложенного композиционного покрытия никель-кобальт-оксид алюминия и прототип - никель-кобальт-оксид алюминия
Физико-механические свойства композиционного покрытия никель-кобальт-оксид алюминия и никель-кобальт-оксид алюминия (прототип)	Предложенный состав композиции	Прототип
1	3	2	4	5
Износостойкость в условиях граничного трения со сталью Ст 45 при нагрузке 3-5 МПа, мкм/ч	0,45	0,29	0,27	0,26	0,28	0,37
Микротвердость, ГПа	5,4	6,1	6,7	7,0	8,2	8,6
Внутренние напряжения, МПа	64,9	66,9	69,8	72,5	80,7	93,2

Как видно из табл.2, износостойкость композиционного покрытия никель-кобальт-оксид алюминия превышает износостойкость композиционного покрытия никель-кобальт-оксид алюминия (прототипа) в 1,3-1,4.

Износостойкость покрытий определяли на машине трения. Испытания образцов проводили в режимах как сухого трения, так и с применением 3% смазки СОЖ РВ по методике [Шульга Г.И. Методические указания по курсу «Технология машиностроения». Новочеркасск: НПИ, 1989, 26 с.].

В качестве образцов использовали шарики из стали ШХ 15, площадью 0,05 дм², на которые наносили покрытия толщиной 30 мкм. Контртелом служили шайбы из стали марки Ст 45.

Значения диаметра пятна износа определяли при помощи микроскопа МИР-2.

Микротвердость покрытий измерялась на приборе ПМТ-3 по ГОСТ 2999-75 при нагрузках на индентор 50-100 г.

Внутренние напряжения покрытий определяли, используя гибкий, горизонтально расположенный катод.

1. Способ получения гальванического композиционного покрытия никель-кобальт-оксид алюминия, включающий осаждение покрытия из электролита, содержащего, г/л:

хлорид никеля	200-350
хлорид кобальта	3-11
оксид алюминия	15-40
борная кислота	25-40
хлорамин Б	1,5-4,0

при рН электролита 1,5-5,0, температуре 18-40°С, катодной плотности тока 0,5-9,0 А/дм² и перемешивании электролита.

2. Гальваническое композиционное покрытие никель-кобальт-оксид алюминия, полученное способом по п.1, содержащее, мас.%:

кобальт	1,8-6,7
оксид алюминия	1,2-3,8
никель	остальное