Состав для получения композиционных электролитических покрытий на основе металлов группы железа

 

Использование: в области электрометаллургии, в частности для нанесения композиционных покрытий триботехнического назначения электролитическим способом и их термообработки. Сущность изобретения: состав для получения композиционных электролитических покрытий содержит, г/л: хлорид никеля или хлорид железа, или хлорид кобальта 300, борная кислота 40, бор аморфный 10 - 40, ультрадисперсный углеродный конденсат 2 - 140. Ультрадисперсный углеродный конденсат имеет следующий состав, мас.%: карбин 2 - 5, графит 1 - 15, углерод некристаллический 3 - 50, алмаз - остальное. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к области электрометаллургии, в частности к нанесению композиционных покрытий триботехнического назначения электролитическим способом и их термообработка.

Известен электролит и способ осаждения никель-графитовых композиционных покрытий из сульфаматного раствора [1] . При интенсивном перемешивании, относительно большом расстоянием между электродами, осаждали гладкие равномерные и толстые (50 мкм) никель-графит покрытия, массовая доля включений графита в котором составляет 0,5%. Твердость покрытия - 2500-3000 н/м².

Основным недостатком такого электролита является то, что даже при наличии в его составе поверхностно-активных веществ (0,05-1 г/л натрийлаурилсульфата) уровень свойств покрытий невысокий даже по сравнению с чисто никелевыми осадками из-за небольшого количества включений графита.

Известен способ электролитического осаждения железа [2], заключающийся в том, что электролитическое осаждение металлов группы железа осуществляют в стандартных электролитах с диспер- гированными высокодисперсными частицами аморфного бора и полученное покрытие подвергают термообработке в вакууме или безокислительной среде при температуре 950-1150^оС.

Несмотря на высокую микротвердость полученных покрытий (в 1,8-2,5 раза выше, чем без термообработки) и значительные, повышение (в 10-12 раз) их износостойкости в сравнении с чисто железными, работоспособность их в узлах трения невысокая, так как чистое железо не является коррозионностойким материалом триботехнического назначения (т.е. материал основы покрытия выбран неудачно), а сравнительно высокое (до 5 мас.%) содержание бора как раз и обеспечивает образование после термообработки получение более твердых и износостойких боридных включений, но не обеспечивает требуемой износостойкости покрытия в целом, особенно в коррозионно-активных средах.

Известен способ получения композиционных электролитических покрытий (КЭП), содержащих до 6 мас.% включений высокодисперсных частиц синтетического алмаза, требуемое количество которых в покрытии обеспечивается в результате взрывной обработки высоким давлением (20-300 кбар) порошка алмаза непосредственно перед введением электролита, что позволяет несколько (на 58-65%) увеличить износостойкость покрытий, на 20% повысить скорость их получения. Однако также обработка технически трудноосуществима, а эффект от ее применения сохраняется не более 20 сут. Выигрыш в повышении износостойкости покрытий незначительный (происходит относительное увеличение износосойкости по сравнению с никелевым покрытием, износостойкость которого небольшая (35-40 мкм/км).

Наиболее близким по технической сущности и предложенному составу электролита и способу получения покрытия является способ электролитического осаждения никеля из электролита, содержащего дисперсные (от 1 до 3 мкм) частицы аморфного бора, карбида вольфрама, и последующей термообработки, в результате чего образуется композиционное покрытие, содержащее 3,5% бора и 5,5% карбида вольфрама (до 0,5 углерода) [3]. Такое покрытие выдерживают предельную нагрузку в 2-2,5 раза выше, т.е. более износостойкие, чем никелевое покрытие, содержащее только бор, и значительно более стойкое, чем никелевое. Однако уровень износостойкости КЭП Ni-B-WC покрытий невысокий, они содержат дорогостоящие и дефицитные порошки, не обеспечивающие композиционному слою требуемые технические свойства.

Цель изобретения - повышение износостойкости и технических свойств покрытия за счет увеличения содержания в нем включений ультрадисперсного углеродного конденсата и последующей его термической обработки.

Поставленная цель достигается тем, что состав для получения композиционных электролитических покрытий дополнительно содержит ультрадисперсный углеродный конденсат, в состав которого входят, мас.%: Карбин 2-5 Графит 1-15 Углерод некрис- таллический 3-50 Алмаз Остальное при следующем соотношении компонентов: Хлорид никеля (или железа, или кобальта) 300 Борная кислота 40 Бор аморфный 10-40 Ультрадисперсный угле- родный конденсат 2-150.

Введение в металлическую матрицу КЭП одновременно однофазной - аморфного бора и многофазной - УДУК выгодно отличает состав для получения КЭП от прототипа, так как наличие в его составе углерода обеспечивает повышение износостойкости покрытия при одновременном снижении коэффициента трения за счет эффекта твердой смазки как в условиях граничной смазки, так и при трении без смазки. Замена некоторой части дорогостоящего аморфного бора на УДУК существенно снижает стоимость покрытия, а наличие бора аморфного дает возможность проводить по аналогии с углеродом в железе термообработку КЭП начиная с 200^оС с образованием в матрице КЭП дисперсных выделений боридов Ni₃B, Fe₂B, Co₂B и т.п..

Для получения КЭП из электролита данного состава процесс электрохимического соосаждения гальванического металла и порошков наполнителя, суспендированных в электролите, осуществляли на предварительно обезжиренных и протравленных стальных образцах из стандартного хлористого электролита никелирования и (или железнения, кобальтирования), содержащего 300 кг/м³ хлористого никеля (железа, кобальта), 40 кг/м³ борной кислоты (100 кг/м³ хлористого водорода).

Процесс проводили при температуре от 40 до 60^оС, pH от 3-4 (или pH 0,8-1,2), катодной плотности тока от 5 до 15 А/дм² (от 20 до 50 А/дм²) при постоянном перемешивании электролита сжатым воздухом. Содержание в электролите частиц бора задавали в пределах от 10 до 80 кг/м³, а УДУК от 10 до 150 кг/м³. Полученные покрытия по данным химанализа содержат от 0,5 до 6 мас.% бора и в сумме от 0,215 до 4,5 мас.% УДУК (ультрадисперного карбида, алмаза, графита и аморфного углерода). После отжига в вакууме в интервале температур от 200 до 1050^оС в течение от 30 мин до 6 ч имеют структуру равномерно распределенных в металлической матрице из твердого раствора бора и углерода включений соответствующих боридов Ni₃B, Fe₂B, Co₂B и выражений УДУК, образование которых подвергается данными фазового рентгеновского анализа.

При отключении от оптимальных параметров ведения процесса электролиза, состава электролита и последующего их отжига в интервале рекомендуемых концентраций, плотностей тока и времени выдержки в сторону уменьшения или увеличения получение композиционных покрытий заданного состава, структуры и свойств не обеспечивается. Так, наиболее низкая температура начала образования боридов никеля (Ni₃B) зафиксирована 200^оС, а повышение температуры отжига свыше 1050^оС ведет к эвтектическому оплавлению покрытия. Кроме того, каталитическое преобразование алмаза в углерод наблюдается уже при температуре порядка 900^оС. Введение в электролит менее 10 кг/м³ каждой из добавок не обеспечивает требуемого количества включений в исходной композиции, количество бора в покрытии менее 0,5% не достаточно даже для достижения предельной концентрации бора в твердом растворе и зарождения боридных фаз, а содержание УДУК менее 0,32% ведет к существованию скоплений его как примеси по границе зерен феррита или никеля.

Анализируя результаты изучения свойств композиционного покрытия, полученного по заявляемому составу при различных режимах и условиях нанесения, соответствующих параметрам характеризующих состав как в заявляемом интервале значений, так и за пределами (см. таблицу), следует отметить, что износостойкость термообработанных по оптимальному режиму КЭП повышается в 3,8-7 раз, нагрузка схватывания в 2,3-3 раза, покрытие работ способно как с традиционными упрочненными, например азотированием, сталями, так и с керамикой. Явное преимущество состава в сравнении с известными (базовым) заключается в резком понижении температуры термообработки, что позволило в более широких пределах варьировать микроструктуру КЭП, что напрямую связано с их техническими свойствами. Кроме того, себестоимость композиционных покрытий на основе металлов группы железа снижается более чем вдвое.

Формула изобретения

1. СОСТАВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ МЕТАЛЛОВ ГРУППЫ ЖЕЛЕЗА, содержащий хлорид никеля, или хлорид кобальта, или хлорид железа, борную кислоту и аморфный бор, отличающийся тем, что, с целью повышения износостойкости и технических свойств покрытия, он дополнительно содержит ультрадисперсный углеродный конденсат при следующем соотношении компонентов, г/л: Хлорид никеля, или хлорид железа, или хлорид кобальта - 300 Борная кислота - 40 Аморфный бор - 10 - 40 Ультрадисперсный углеродный конденсат - 2 - 140 2. Состав по п.1, отличающийся тем, что углеродный конденсат имеет следующий состав, мас.%:
Карбин - 2 - 5
Графит - 1 - 15
Некристаллический углерод - 3 - 50
Алмаз - Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2