Электролит для осаждения композиционных покрытий на основе никеля

 

Изобретение относится к области гальванотехники, в частности к осаждению композиционных покрытий никель-бор-фторопласт, и может быть использовано в различных областях промышленности в качестве твердых, износостойких покрытий с целью замены твердого хромирования. Электролит для осаждения композиционных покрытий на основе никеля содержит, г/л: хлорид никеля 200 -300, сульфат никеля 3 - 10, борная кислота 20 - 30, лиофильный золь на основе политетрафторэтилена 10 - 100, соль анионного полиэдрического бората 0,5 - 3,5, хлорамин Б или сахарин 0,5 - 2,0 и антипиттинговая добавка НИА-1 0,8 - 2,0. Покрытие, нанесенное из электролита, имеет высокую износостойкость и твердость. 3 табл.

Изобретение относится к гальванотехнике, в частности к осаждению композиционных покрытий никель-бор-фторопласт, для применения в различных областях промышленности в качестве твердых, износостойких покрытий с целью замены твердого хромирования на основе хромовой кислоты.

В настоящее время экологическая ситуация заставляет настоятельно думать о замене токсичных электролитов гальванических цехов. К числу наиболее опасных электролитов в современном производстве несомненно относятся стандартные электролиты хромирования на основе хромовой кислоты. Замена их электролитами на основе трехвалентных солей хрома не является выходом из положения, т.к. эти электролиты также токсичны, а, кроме того, покрытия из разработанных на сегодняшний день не могут заменить покрытий из стандартных электролитов хромирования прежде всего там, где требуется высокая износостойкость и твердость.

Наиболее узкими местами современного производства, где широко применяются хромовые покрытия, является производство и упрочнение деталей цилиндро-поршневой группы двигателей внутреннего сгорания, полиграфических валов, пресс-форм для опрессовывания пластмасс (литье под давлением), матриц, а также различного вида оснастка, где требуются высокие функциональные характеристики: твердость и износостойкость.

Известны электролиты [1] [2] для нанесения сплавов никеля с целью получения покрытий с повышенной износостойкостью следующего состава, г/л: 1. Хлорид никеля или кобальта 10 20 Сульфат никеля или кобальта 50 200 Борная кислота 25 30 Алкилпроизводное бората с общей формулой C₂B₉H₁₂NH_nR_m (где R алкил; n 0, 1, 2, 3; m 1, 2, 3, 4) 0,5 4 2. Хлорид никеля 60 Сульфат никеля 300 Борная кислота 30 Cr₂O₃ 100 / TiO₂ 25 TiC 50 Однако покрытия, осажденные из этих электролитов, не обеспечивают достаточную твердость, износостойкость, сопоставимую с хромовым покрытием.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является электролит [3] для получения композиционных покрытий на основе никеля и фторсодержащих полимеров, причем в качестве последних широко применяется политетрафторэтилен (ПТФЭ). Электролит содержит следующие соотношения компонентов, г/л:
Сульфат никеля 280
Хлорид никеля 45
Борная кислота 40
Лиофильный золь на основе политетрафторэтилена (количество частиц) 50
Режимы электролиза: pH 4,2, температура 50^oC, перемешивание, плотность тока 4 А/дм².

Покрытия, реализованные из этого электролита, обладают самосмазывающимися свойствами вследствие значительного содержания в них политетрафторэтилена, однако это техническое решение не обеспечивает получение покрытий с достаточно высокой твердостью и износостойкостью, способных заменить базовое в промышленности твердое хромирование.

Изобретение направлено на создание технического решения, способного значительно улучшить твердость и износостойкость изделий, чем известные композиционные покрытия на основе никеля.

Поставленная цель достигается тем, что в состав электролита, содержащий хлорид и сульфат никеля, борную кислоту, лиофильный золь на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ), дополнительно вводят соль анионного полиэдрического бората, хлорамин Б или сахарин, антипиттинговую добавку при следующем соотношении компонентов, г/л:
Хлорид никеля 200 300
Сульфат никеля 3 10
Борная кислота 20 30
Лиофильный золь на основе ПТФЭ 10 100
Соль анионного полиэдрического бората общей формулы M_zC_mB_nH_x, (где M натрий; калий, аммоний; z 1, 2; m 0,2; n 3, 6, 9, 10, 12; x 6, 8, 10, 12) 0,5 3,5
Сахарин или хлорамин Б 0,5 2,0
Антипиттинговая добавка, НИА-1 0,8 2,0
Режимы электролиза: pH 2,7 4,5; температура 18 25^oC, катодная плотность тока 0,5 2,5 А/дм².

Электролит готовят следующим образом. Расчетное количество борной кислоты растворяют в горячей воде (70 80^oC и имеющую содержание солей не более 80 мг/л), составляющей 1/3 объема ванны. Затем в этом объеме растворяют необходимое количество хлорида и сульфата никеля и доводят уровень раствора до 3/4 объема ванны. Дают остыть раствору и затем последовательно вводят все остальные компоненты и доводят уровень электролита до нужного объема. pH электролита корректируют соляной кислотой либо раствором гидроокиси аммония, калия или натрия.

Предлагаемое изобретение содержит в составе электролита лиофильный золь на основе политетрафторэтилена (фторопласта-4). В качестве лиофильного золя использовали фторопластовые суспензии разных марок: Ф-4Д, Ф-4ДУ, Ф-4ДМ или Ф-4ОД.

Суспензия фоторопласта-4Д (фторлона-4Д) представляет взвесь фторопласта-4Д или 4ДП в воде и содержит стабилизирующее поверхностно-активное вещество (ПАВ) ОП-7. Ее разновидность- суспензия Ф-4ДУ имеет более укрупненный размер частиц.

В табл.1 приведены технические характеристики вышеприведенных фторопластов суспензий.

Введение в состав заявленного технического решения сахарина или хлорамина Б связано с необходимостью снижения высоких внутренних напряжений (напряжения растяжения) покрытий. При больших собственных напряжениях растяжения имеется опасность образования микротрещин, шелушения и отслаивания покрытия.

Присутствие в электролите антипиттинговой добавки НИА-1 (ТУ 6-14-19-426-82) связано с необходимостью удаления пузырьков водорода с поверхности покрытия. Прилипания пузырьков водорода при гальваническом осаждении приводит к ухудшению качества покрытий, снижению класса поверхности и коррозионной стойкости.

Для получения сравнительных свойств по свойствам покрытий из предлагаемого технического решения и известного были приготовлены четыре электролита.

Составы электролитов приведены в табл. 2, данные по свойствам покрытий - в табл. 3.

Как видно из приведенных данных, электролит по изобретению обеспечивает получение покрытий никель-бор-фторопласт с более высокой твердостью и износостойкостью, чем известное техническое решение, и может быть рекомендован с целью замены стандартного электролита хромирования.

Экономический эффект от внедрения предлагаемого изобретения взамен процесса электролитического хромирования может быть получен:
в результате исключения строительства индивидуальных очистных сооружений;
исключения расхода электроэнергии на подогрев гальванической ванны;
уменьшения расхода электроэнергии на проведение электролиза, т.к. выход по току равен 100% (у хромовых электролитов выход по току не превышает 17%);
покрытия сложнопрофилируемых изделий без дополнительных загрузочных приспособлений (анодов) и улучшения качества покрываемых изделий за счет увеличения рассеивающей способности электролита;
нанесения покрытия в барабанах и колоколах;
возможности проводить в производстве операции с последующей деформацией покрытий, что для хромовых покрытий невозможно;
эксплуатации изделий при знакопеременных нагрузках;
возможности нанесения покрытия непосредственно на сталь без промежуточных покрытий.

Формула изобретения

Электролит для осаждения композиционных покрытий на основе никеля, содержащий хлорид и сульфат никеля, борную кислоту и лиофильный золь на основе политетрафтоэтилена (ПТФЭ), отличающийся тем, что он дополнительно содержит соль анионного полиэдрического бората общей формулы
M_zC_mB_nH_x,
где М натрий, калий, аммоний;
z 1, 2;
m 0, 2;
n 3, 6, 9, 10, 12;
x 6, 8, 10, 12,
хлорамин Б или сахарин и антипиттинговую добавку НИА-1 при следующем соотношении компонентов, г/л:
Хлорид никеля 200 300
Сульфат никеля 3 10
Борная кислота 20 30
Лиофильный золь на основе ПТФЭ 10 100
Соль анионного полиэдрического бората 0,5 3,5
Хлорамин Б или сахарин 0,5 2,0
Антипиттинговая добавка НИА-1 0,8 2,0в

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2