Способ получения композиционных покрытий на основе хрома

 

Изобретение относится к электролитическому нанесению покрытий на металлы и может быть использовано в металлургии и машиностроении. Предложен способ, включающий электрохимическое осаждение из электролита на основе хромовой кислоты, содержащего взвесь коллоидных кластерных частиц алмаза, на обрабатываемое изделие, которое ведут в электролите с переменной по его объему концентрацией коллоидных кластерных частиц алмаза, причем максимальную концентрацию коллоидных кластерных частиц алмаза создают вокруг обрабатываемого изделия, которое вращают вокруг оси. Изобретение позволяет повысить твердость наносимого покрытия путем регулирования в широком диапазоне содержания кластерных частиц алмаза по толщине хромового покрытия. 1 з.п.ф-лы.

Изобретение относится к электролитическому нанесению покрытий на металлы и может быть использовано в металлургии и машиностроении для получения особо твердых хромовых покрытий при изготовлении валков прокатных станов и режущего инструмента.

Известен способ нанесения на функциональные поверхности инструментов покрытий из хрома, включающий электрохимическое осаждение в электролите с постоянной по объему концентрацией ультрадисперсных частиц алмаза (см., например, Технология и эффективность кластерного покрытия режущих инструментов ультрадисперсным порошком искусственных алмазов. Коган Б.И., Плотников В.В. - Вестник Кузбас. гос. техн. универ., 2000, 5.- С. 65-67).

Недостатком данного способа является низкая твердость наносимого на инструмент покрытия за счет того, что из-за расхода ультрадисперсных частиц алмазов затруднено поддержание их постоянной заданной высокой концентрации в электролите вокруг обрабатываемого изделия. Это приводит к сложности управления содержанием ультрадисперсных частиц алмаза в получаемом композиционном покрытии, а следовательно, к невозможности получения заданной высокой твердости покрытия.

Наиболее близким аналогом к заявляемому объекту является способ получения композиционных покрытий на основе хрома, включающий электрохимическое осаждение из электролита на основе хромовой кислоты, содержащего взвесь коллоидных кластерных частиц алмаза (см. пат. РФ 2031982, C 25 D 3/06, 15/00).

Недостатком известного способа является низкая твердость получаемого на поверхности изделия композиционного покрытия за счет того, что взвесь коллоидных кластерных частиц алмаза заполняет весь объем электролита с равномерной концентрацией, вследствие чего, при движении к поверхности обрабатываемого изделия ионов хрома количество захваченных ими кластерных частиц алмаза будет носить случайных характер. Это затрудняет регулирование содержания кластерных частиц алмаза в композиционном покрытии, а следовательно, не обеспечивает высокую твердость получаемого покрытия.

Технической задачей, решаемой заявляемым изобретением, является повышение твердости наносимого покрытия путем регулирования в широком диапазоне содержания кластерных частиц алмаза по толщине хромового покрытия.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе получения композиционных покрытий на основе хрома, включающем электрохимическое осаждение из электролита на основе хромовой кислоты, содержащего взвесь коллоидных кластерных частиц алмаза, на обрабатываемое изделие, согласно изобретения осаждение ведут в электролите с переменной по его объему концентрацией коллоидных кластерных частиц алмаза, причем максимальную концентрацию коллоидных кластерных частиц алмаза создают вокруг обрабатываемого изделия, которое вращают вокруг оси. При этом максимальную концентрацию коллоидных кластерных частиц алмаза создают в пористой среде, которую размещают вокруг обрабатываемого изделия.

Отличительный признак, характеризующий создание переменной по объему электролита концентрации коллоидных кластерных частиц алмаза с максимумом вокруг обрабатываемого изделия, в известных технических решениях не обнаружен.

Механизм электрохимического осаждения металлов с ультрадисперсными частицами алмазов определяется условиями электрофоретического переноса частиц за счет высокого градиента потенциала, а также условиями захвата и переноса кластерных частиц ионами металла, движущимися к катоду. Заявляемый способ обеспечивает локализацию кластерных частиц алмаза в небольшом объеме вблизи обрабатываемой поверхности изделия, создавая тем самым условия для поддержания постоянной требуемой концентрации непрерывно расходуемых в процессе осаждения частиц, что обеспечивает возможность управления в широком диапазоне количеством кластерных частиц алмаза, как в электролите, так и в наносимом композиционном покрытии. Такое размещение слоя ультрадисперсных (кластерных) частиц алмаза в электролите с максимальной концентрацией вокруг обрабатываемого изделия позволяет свести до минимума расстояние между слоем кластерных частиц алмаза и поверхностью, являющейся катодом, обрабатываемого изделия, в результате чего создаются наилучшие условия для заращивания кластерных частиц электрохимически осаждающимся металлом. Все это позволяет получать композиционное покрытие с высокой заданной твердостью по его толщине.

Известно использование среды с переменной плотностью для разделения веществ: эффект гидрофобности - гидрофильности (см., например, а.с. СССР 1019680).

В заявляемом способе отличительный признак, характеризующий концентрацию кластеров алмаза в пористой среде, предназначен для создания локализации (хранения) частиц - кластеров алмаза вокруг обрабатываемого изделия. Кроме того, размещение кластерных частиц алмаза в пористой среде вокруг обрабатываемого изделия позволяет интенсифицировать процесс их транспортировки к поверхности обрабатываемого изделия за счет того, что к силам механического переноса частиц алмаза ионами металла хрома добавляются форетические силы, возникающие в пористой среде и действующие на кластерные частицы алмаза. При этом чем выше концентрация частиц алмаза, тем их большее количество будет захвачено ионами металла и доставлено к катоду - поверхности обрабатываемого изделия. Кроме того, возникающие в пористой среде силы от явления фореза позволяют дополнительно подтянуть с периферии электролита нейтральные (незаряженные) частицы алмаза к поверхности катода (обрабатываемого изделия), то есть происходит интенсификация процесса транспортировки частиц алмаза. В результате этого на поверхности обрабатываемого изделия образуется упорядоченная структура покрытия с минимально возможной пористостью, а следовательно, с высокой твердостью.

Известен прием вращения цилиндрического инструмента вокруг оси в процессе электролитического получения покрытия, который предназначен для закрепления материала покрытия на поверхности изделия путем натирания (см., например, пат. РФ 2078856 C 25 D 5/04).

В заявляемом способе, так же как и в известном, прием вращения обрабатываемого изделия вокруг оси также предназначен для частичного закрепления ионов металла покрытия на поверхности обрабатываемого изделия. Однако наравне с известным свойством заявляемый признак проявляет новое техническое свойство, заключающееся в активизации процесса проникновения кластерных частиц алмаза с ионами хрома в глубь поверхности обрабатываемого изделия. Это происходит в результате того, что вращение покрываемого изделия вокруг оси обеспечивает равномерное распределение ионов хрома вокруг частиц алмаза при одновременном увеличении скорости движения ионов хрома к катоду - поверхности обрабатываемого изделия. Это способствует интенсификации процесса нанесения покрытия и обеспечивает возможность регулируемого управления количеством осаждаемых кластерных частиц алмаза с ионами хрома на поверхности изделия за счет изменения скорости его вращения, что позволяет получать покрытия с высокой твердостью по всей его толщине.

На основании вышеприведенного анализа известных источников информации можно сделать вывод, что для специалиста заявляемый способ получения композиционных покрытий на основе хрома не следует явным образом из известного уровня техники, а следовательно, соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".

Способ получения композиционных покрытий на основе хрома осуществляется следующим образом.

В приготовленный и проработанный электролит на основе хромовой кислоты, содержащий взвесь коллоидных кластерных частиц алмаза, вводят обрабатываемое изделие, являющееся катодом. Вокруг поверхности обрабатываемого изделия создают максимальную концентрацию коллоидных кластерных частиц алмаза, например, путем их размещения вокруг изделия в пористой среде. В качестве пористой среды используют, например, пористый фильтр, или многослойный войлочный пакет, или марлевый пакет. При этом величину максимальной концентрации кластерных частиц алмаза в пористой среде задают в соответствии с требуемой толщиной хромового покрытия и заданной твердостью готового композиционного покрытия. Таким образом, в электролите создают переменную по его объему концентрацию кластерных частиц алмаза. Затем после подачи постоянного напряжения осуществляют равномерное вращение обрабатываемого изделия - катода вокруг своей оси. Ионы хрома, двигаясь через объем электролита к поверхности обрабатываемого изделия (катоду), беспрепятственно проникают через пористую среду и окружают находящиеся в ней кластерные частицы алмаза. Так как размеры ионов хрома меньше размера частиц алмаза, то один кластер алмаза окружается несколькими ионами хрома. Ионы хрома, имея высокую по отношению к кластерам алмаза скорость, захватывают их и увлекают к поверхности катода. При этом возникающий в пористой среде электрофоретический эффект интенсифицирует продвижение кластеров алмаза к обрабатываемому изделию и создает упорядоченное равномерное распределение кластерных частиц вокруг его поверхности. При вращении изделия происходит интенсивное перемешивание ионов металла покрытия с доставленными к катоду кластерными частицами алмаза, что обеспечивает высокую концентрацию последних на поверхности изделия, глубокое их проникновение и закрепление на обрабатываемом изделии. Таким образом, за счет упорядоченной плотной упаковки ионов хрома вокруг кластерных частиц алмаза на поверхности обрабатываемого изделия формируется композиционное покрытие со структурой, имеющей минимально возможную пористость и, следовательно, высокую твердость. По окончании процесса осаждения вращение обрабатываемого изделия прекращают, и извлекают его из электролита.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что заявляемый способ получения композиционных покрытий на основе хрома работоспособен и устраняет недостатки, имеющие место в прототипе.

Заявляемый способ может найти широкое применение для получения композиционных покрытий с высокой твердостью. Например, при изготовлении режущего инструмента возможно получение хромовых покрытий с максимальной твердостью до 1500 HV при максимальном содержании кластерных частиц алмазов в покрытии до 15%, при нанесении покрытий на рабочие валки станов холодной прокатки возможно обеспечение твердости покрытия от 1200 до 1400 HV при концентрации кластерных частиц алмазов в нем 0,1-6%. Следовательно, заявляемый способ получения композиционных покрытий на основе хрома соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость".

Формула изобретения

1. Способ получения композиционных покрытий на основе хрома, включающий электрохимическое осаждение из электролита на основе хромовой кислоты, содержащего взвесь коллоидных кластерных частиц алмаза, на обрабатываемое изделие, отличающийся тем, что осаждение ведут в электролите с переменной по его объему концентрацией коллоидных кластерных частиц алмаза, причем максимальную концентрацию коллоидных кластерных частиц алмаза создают вокруг обрабатываемого изделия, которое вращают вокруг оси.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что максимальную концентрацию коллоидных кластерных частиц алмаза создают в пористой среде, которую размещают вокруг обрабатываемого изделия.