Электролит хромирования и способ получения хромового покрытия на стальных деталях

 

Изобретение относится к гальванотехнике, а именно к электролитическому хромированию стальных деталей в электролитах, содержащих ионы Cr III, и может быть использовано для получения покрытий на детали трения или детали гидросистем, работающих под давлением в изделиях авиационной, автомобильной и других отраслях техники. Электролит содержит, г/л: Cr III 50-350, Na₂C₂O₄ 20-30, Na₂SO₄ 60-70, NaF 25-30, Al₂(SO₄)₃·18 H₂O 90-110, порошок Al₂O₃ 1-100. Способ включает пропускание постоянного электрического тока между анодом и катодом в электролите предложенного состава, где деталь является катодом. Техническим результатом изобретения является повышение микротвердости, адгезии, снижение пористости покрытия при высокой скорости его осаждения. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к гальванотехнике, а именно к электролитическому хромированию стальных деталей в электролитах, содержащих ионы Сr III, и может быть использовано для получения покрытий на деталях, работающих на трение, в гидросистемах, работающих под давлением >150 кг/см², в изделиях авиационной техники, машиностроении, автомобильной промышленности и других отраслях техники.

Известен электролит, содержащий Сr VI и водную дисперсию кластерных частиц алмаза 5-40 г/л. Покрытие, получаемое в этом электролите электролитическим способом при температуре (50-60)°С, беспористое и имеет микротвердость 1000-1200 кг/мм² (заявка PCT/SU 88/00230, WO 89/07668).

Известен способ получения композиционных покрытий на основе хрома VI, включающий перед введением в электролит водную дисперсию кластерных частиц алмаза, активацию в дезинтеграторе с пропускной способностью 5-7 л/час при линейной скорости движения пальцев дисков 150-180 м/сек. Покрытие, получаемое в этом электролите электролитическим способом при температуре 60°С, беспористое и имеет микротвердость 1000-1200 кг/мм² (заявка РСТ/RU 93/00176, WO 94/23095).

Недостатком известного электролита и способа получения композиционного хромового покрытия является высокая токсичность Сr VI (1 класс опасности), высокая температура электролита и применение дорогостоящих алмазных частиц.

Известен электролит хромирования для получения покрытий на стальных деталях, содержащих хромовый ангидрид, калий кремнефтористоводородный, стронций сернокислый, порошки оксидов и карбидов металлов групп IVB,VB,VIB и ПАВ. Покрытие, получаемое в этом электролите электролитическим способом при температуре (50-60)°С, беспористое и имеет микротвердость 1000-1400 кг/мм², порошки в 5-15 раз дешевле кластерных частиц алмаза.

Недостатком известного электролита является высокая токсичность Сr VI (1 класс опасности), высокая температура электролита.

За прототип принят наиболее близкий по технической сущности к заявляемому электролит и способ получения хромового покрытия из электролита следующего состава, г/л:

Соль трехвалентного хрома 5-150

Твердые частицы 1-100

В качестве твердых частиц используют Аl₂О₃, TiC с размером частиц более 0,2 мкм. Нанесение хромового покрытия осуществляют в гальванической ванне при температуре (20-60)°С путем прохождения постоянного электрического тока плотностью 5-150 А/дм² между анодом и деталью, являющейся катодом, при этом обеспечивается получение хромового покрытия с микротвердостью 1000-1050 кг/мм², скорость осаждения 0,6-1,0 мкм/мин (патент FP № 2726289, WO 94/2981).

Недостатком прототипа является неудовлетворительная адгезия хромового покрытия к стали и невозможность получения мелкозернистого покрытия, обеспечивающего плотное прилегание к покрываемой поверхности, что приводит к течи по хрому, вызванного тем, что при покрытии образуются мостики между микронеровностями покрываемой поверхности, недостаточная скорость осаждения, микротвердость покрытия и выход по току до 20%.

Технической задачей данного изобретения является получение хромового покрытия на стальных деталях, сочетающих высокую микротвердость до 1500 кг/мм² с высокой адгезией к поверхности детали при снижении пористости и увеличении скорости осаждения покрытия.

Для решения поставленной задачи предложен электролит хромирования и способ получения хромового покрытия на стальных деталях. Электролит хромирования содержит соли Сr III и порошок Аl₂O₃ и отличается тем, что он дополнительно содержит натрий щавелевокислый, натрий сернокислый, натрий фтористый, алюминий сернокислый при следующем соотношении компонентов, г/л:

Соль Сr III 50-350

Натрий щавелевокислый Na₂C₂O₄ 20-30

Натрий сернокислый Na₂SO₄ 60-70

Натрий фтористый NaF 25-30

Алюминий сернокислый Аl₂(SO₄)₃·18 Н₂O 90-110

Порошок Аl₂О₃ 1-100

В качестве солей Сr III используют хром сернокислый Сr₂(SO₄)₃·6 Н₂O или хромокалиевые квасцы KCr(SO₄)₂. Ультрадисперсный порошок Аl₂О₃ имеет удельную поверхность 20-200 м² на грамм сухого порошка и размер частиц 0,005-0,15 мкм. Способ получения хромового покрытия на стальных деталях осуществляют методом электролитического нанесения покрытия путем пропускания постоянного электрического тока между катодом и анодом в электролите, отличающийся тем, что в качестве электролита используют заявляемый электролит.

Нанесение покрытия можно осуществлять как методом погружения в гальваническую ванну, так и методом электронатирания при t° электролита 30-45°С, плотности тока от 10 до 150 А/дм² и рН 0,9-2,0. Метод электронатирания применяется при ремонте покрытия и покрытии крупногабаритных деталей.

Соли трехвалентного хрома являются поставщиками ионов хрома в процессе электролитического хромирования, изменение концентрации позволяет получать покрытия с заданными свойствами по микротвердости, скорости осаждения, пористости. Применение в электролите комплексообразователя Na₂C₂O₄ токопроводящей добавки Na₂SO₄, активатора NaF позволяет стабилизировать хромовый комплекс (устойчивость электролита) и выход по току до 43%. Применение буферной добавки Аl₂(SO₄)₃·18 Н₂O позволяет поддерживать рН в диапазоне 0,9-2,0. Применение ультрадисперсного порошка Аl₂О₃ позволяет исключить брак по прочности сцепления (адгезии), а также течь по хрому за счет получения покрытия, точно копирующего профиль поверхности детали, обеспечить значение микротвердости до 1500 кг/мм² и скорости осаждения 1,8 мкм/мин.

Пример осуществления.

В таблице 1 представлены составы электролитов, где примеры 1-3 предлагаемый, пример 4 - прототип.

В таблице 2 представлены свойства покрытия из предлагаемого электролита и прототипа.

Нанесение покрытия из предлагаемого электролита по примерам 1, 2 осуществляли в гальванической ванне.

Получение хромового покрытия из электролита в примере 3 осуществляли методом электронатирания, в котором деталь является катодом, а анодом - платинированный титан, помещенный в чехол из токонепроводящих полимерных материалов, электролит подается из емкости хранения насосом по химически стойкой трубке в чехол анода.

Пористость покрытия контролировали методом наложения фильтровальной бумаги по ГОСТ 9.302-88.

Шероховатость поверхности контролировали профилометром модели 283 по ГОСТ 19300-86.

Микротвердость покрытия контролировали микротвердомером ПМТ-3М по ГОСТ 9450-78.

Контроль адгезии проводили методом нагрева по ГОСТ 9.302-88 и методом шлифования по ТР 510-71.

Скорость осаждения V_oc определяли по формуле V_oc=δ/τ, где δ - толщина покрытия в мкм, которую контролировали электромагнитным толщиномером “Константа К5”, τ - время нанесения покрытия в мин, которое контролировали секундомером механическим С1-60 ГОСТ 5072-79Е.

Как видно из таблицы 2, покрытие, получаемое из предлагаемого электролита, обладает следующими преимуществами по сравнению с прототипом: адгезия покрытия к основе существенно выше, микротвердость в пределах 1100-1500 кг/мм² (у прототипа 1000 кг/мм²), пористость хромового покрытия отсутствует даже при толщинах покрытия >20 мкм. Шероховатость поверхности при хромировании в предлагаемом электролите не изменялась при толщинах до 35 мкм, у прототипа ухудшалась на 1-2 класса, что требует последующей механической обработки (шлифование) покрытия.

Таким образом, применение предлагаемого электролита и способа хромирования позволит обеспечить стальные детали, работающие на трение, в том числе в гидросистемах при давлении >150 кг/см², надежным покрытием, обладающим высокой микротвердостью (до 1500 кг/мм²), беспористым при толщине покрытия >20 мкм, хорошей адгезией и позволит исключить механическую обработку (шлифование) при толщинах покрытия ≤35 мкм.

Применение способа электронатирания позволит наносить покрытие на крупногабаритные детали (без использования гальванических ванн) и восстанавливать поврежденные покрытия, что позволит снизить энерго- и трудозатраты, проводить восстановление покрытий на ремонтных заводах (не обладающих гальваническими участками), сократить сроки ремонта и вредные выбросы в процессе нанесения покрытия.

Формула изобретения

1. Электролит хромирования, содержащий соли Сr III и порошок Аl₂O₃, отличающийся тем, что он дополнительно содержит натрий щавелево-кислый, натрий серно-кислый, натрий фтористый и алюминий серно-кислый при следующем соотношении компонентов, г/л:

Соль хрома Сr III 50 - 350

Na₂C₂O₄ 20 - 30

Na₂SO₄ 60 - 70

NaF 25 - 30

Al₂(SO₄)₃·18 H₂O 90 - 110

Порошок Аl₂О₃ 1 - 100

2. Электролит хромирования по п.1, отличающийся тем, что в качестве солей Сr III используют хром серно-кислый Сr₂(SO₄)₃·6 Н₂O или хромокалиевые квасцы KCr(SO₄)₂.

3. Электролит хромирования по п.1, отличающийся тем, что порошок Аl₂O₃ имеет удельную поверхность 20-200 м² на 1 г сухого порошка и размер частиц 0,005-0,15 мкм.

4. Способ получения хромового покрытия на стальных деталях, включающий электролитическое нанесение покрытия путем пропускания постоянного электрического тока между катодом, в качестве которого используют деталь, и анодом в электролите, отличающийся тем, что в качестве электролита используют электролит хромирования по п.1.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что нанесение покрытия из электролита по п.1 осуществляют методом погружения в гальваническую ванну или методом электронатирания.

6. Способ по п.4, отличающийся тем, что нанесение покрытия осуществляют при температуре электролита 30-45°С, плотности тока (10-150) А/дм² и рН 0,9-2,0.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2