Способ формирования гальванических покрытий

Изобретение относится к триботехнике, машиностроению и приборостроению и может быть использовано при формировании многофункциональных покрытий на поверхностях фрикционных пар при гальванических способах осаждения в магнитном поле для обеспечения антифрикционных, механических (упругих, прочностных) свойств. Способ включает послойное осаждение на подложке металлов в последовательности уменьшения среднего размера их блоков мозаики, при этом предварительно производят текстурирование подложки, а послойное осаждение ведут в условиях воздействия магнитного поля, ориентируя кристаллы в каждом последующем слое однонаправлено с кристаллами предыдущего слоя в регламентированных плоскостях, причем плоскости скольжения в кристаллах функционального слоя ориентируют параллельно поверхности трения, а подбор материалов покрытия осуществляют с позиций минимизации величины температурного коэффициента линейного расширения от подложки к наружным слоям. Технический результат: повышение долговечности покрытия и расширение его функциональных возможностей. 1 табл.

 

Изобретение относится к триботехнике, машиностроению и приборостроению и может быть использовано при формировании многофункциональных покрытий на поверхностях фрикционных пар при гальванических способах осаждения в магнитном поле для обеспечения антифрикционных, механических (упругих, прочностных) свойств.

Известен способ получения магнитных покрытий [1], основанный на осаждении в послойной комбинации магнитомягкого слоя с регламентированной доменной структурой, связующего и магнитожесткого слоев.

К недостаткам указанного способа следует отнести сложность учета влияния остаточных (упругих) напряжений между подложкой и магнитомягким слоем, напряжений, возникающих при скин-эффекте вследствие функционального перемагничивания, ограниченную область использования.

Наиболее близок по технологической сущности к заявляемому способ получения многослойных покрытий [2], основанный на электрохимическом нанесении на поверхность изделий трех и более металлов в последовательности уменьшения среднего размера их блоков мозаики и очередности убывания на единицу заряда ядра атомов при осаждении в качестве завершающего слоя хрома.

Недостатками способа являются сложность взаимоувязки параметров размера блоков мозаики и величины заряда ядра атома при формировании структуры покрытия, а также технологические сложности реализации принципов формирования покрытия в условиях изнашивания, отличных от ударно-абразивных.

Задача изобретения - повышение адгезии между слоями и снижение величины износа покрытия.

Технический результат - повышение долговечности покрытия и расширение его функциональных возможностей.

Это достигается тем, что в способе формирования гальванических покрытий, включающем послойное осаждение на подложке металлов в последовательности уменьшения среднего размера их блоков мозаики, предварительно производят текстурирование подложки, а послойное осаждение ведут в условиях воздействия магнитного поля, ориентируя кристаллы в каждом последующем слое однонаправленно с кристаллами предыдущего слоя в регламентированных плоскостях, причем плоскости скольжения в кристаллах функционального слоя ориентируют параллельно поверхности трения, а подбор материалов покрытия осуществляют с позиций минимизации величины температурного коэффициента линейного расширения от подложки к наружным слоям.

Известно, что размеры блоков мозаики в последовательно осаждаемых слоях (каждый осаждаемый металл представляет собой отдельный слой покрытия) являются коррелируемыми с номером заряда ядра атомов. Таким образом, уменьшение среднего размера блоков мозаики при осаждении покрытий обеспечивается подбором осаждаемых металлов по номеру заряда ядра атомов в направлении его минимизации и, кроме того, последовательном уменьшении коэффициента линейного расширения в каждом последующем слое покрытия. Влияние уменьшения блоков мозаики является фактором, приводящим к одновременному повышению прочности и вязкости покрытия, что повышает его сопротивляемость износным процессам, выраженным в механическом истирании и трещинообразовании (хрупком разрушении), в том числе усталостном (Рыбакова Л.М., Куксенова Л.И. Структура и износостойкость металла. М.: Машиностроение, 1982, 212 с.). Это, в итоге, способствует повышению долговечности покрытия.

Известно, что при формировании двух- и более слойной структуры покрытия происходит образование остаточных напряжений между слоями, что приводит к ослаблению адгезии, способствует расслоению и трещинообразованию. Причиной этому выступает различие в типах кристаллических решеток материалов, входящих в состав покрытия, а также в коэффициентах их линейного расширения, что обусловливает эффект эпитаксии.

Известно также, что адгезионные свойства покрытий в значительной степени определяются кристаллографической ориентацией: осаждаемые кристаллы образуют взаимовыгодные (близкие к параллельности) когерентные плоскости с кристаллами основы. Следовательно, величина остаточных напряжений зависит от угла их разориентации.

Индуцирование материала при осаждении покрытия в магнитном поле, а также явление остаточной намагниченности изменяют кинетику восстановительных реакций, создавая дополнительную энергию кристаллизации по направлению индуцирования. При этом эпитаксия оказывается полеориентированной, а уровень остаточных напряжений между слоями при плоскопараллельном расположении когерентных кристаллографических плоскостей, в качестве которых выступают плоскости с наименьшим энергетическим потенциалом, минимизируется. Осаждение покрытий в магнитном поле вследствие полеориентированной эпитаксии и минимизации остаточных напряжений между слоями позволяет не придерживаться строгой последовательности в подборе металлов покрытия по вышеуказанным критериям, сохраняя при этом принятый методологический подход (что иллюстрируется в примере 2 реализации заявляемого способа). Это, в свою очередь, способствует расширению функциональных возможностей покрытий.

Способствует этому также предварительное текстурирование подложки и параллельная ориентация кристаллов в послойно осаждаемой структуре покрытия в пограничных областях. Текстурирование подложки характеризуется регламентированной ориентацией составляющих кристаллографической структуры (в частности отдельных зерен или их блоков). При соответствии (параллельности) когерентных плоскостей в металлах в осаждаемых слоях покрытия, в т.ч. относительно подложки, влияние эпитаксии минимизируется, и, как следствие, уменьшаются остаточные напряжения, приводящие к расслоению и растрескиванию покрытия. В отсутствие текстурирования подложки (при ее квазиизотропном состоянии) снижение эпитаксии обеспечивается осаждением промежуточного (аморфного) слоя, что приводит к нежелательному увеличению толщины покрытия. Текстурирование подложки обеспечивается холодной прокаткой с последующим отжигом известным образом, в результате чего образуются ребровая (110) [001] или кубическая (100) [001] структуры (Смирнов B.C., Дурнев В.Д. Текстурирование металлов при прокатке. М.: Металлургия, 1971. 254 с.).

Текстурирование (как предварительное, так и в ходе осаждения покрытия) способствует повышению адгезии и, кроме того, позволяет исключить необходимость формирования промежуточного аморфного слоя при возможности одновременного увеличения толщины функциональных слоев. Одновременно при этом отпадает необходимость строгого ранжирования осаждаемых металлов по номеру заряда ядра атомов (очередности осаждения), что расширяет его функциональные возможности, позволяя включать в структуру покрытия только металлы с заданными функциональными свойствами. Это позволяет обеспечить сопротивляемость изнашиванию покрытия в различных условиях внешнего воздействия. В случае, если материал покрытия не обладает магнитными свойствами, управление эпитаксией может обеспечиваться за счет накопленной в материале подложки механической энергии (например, при поверхностно-пластическом деформировании и последующем нагреве).

Ориентация вектора магнитной индукции устанавливается исходя из характера нарушения сплошности покрытия: при расположении расслоений параллельно поверхности вектор магнитной индукции ориентируют параллельно подложке, а при перпендикулярном расположении расслоения - перпендикулярно. Таким образом, вектор магнитной индукции оказывается однонаправленным с вектором растягивающих напряжений.

Уменьшение деформационной составляющей силы трения обеспечивается за счет ориентирования статистически превалирующих плоскостей скольжения в кристаллах наружных (функциональных) слоев параллельно силе трения.

Известно, что с увеличением температурного коэффициента линейного расширения материала величина износа резко возрастает. Известна также связь магнитных свойств металлов с величиной температурного коэффициента линейного расширения: меньшая его величина свойственна ферромагнитному состоянию металла, а с переходом в парамагнитное состояние - возрастает.

Таким образом, формируя многослойную структуру покрытия из материалов, подбор которых осуществляют с позиций последовательно уменьшающегося коэффициента линейного расширения в каждом слое - от подложки к наружным слоям за счет управления их магнитодинамическим состоянием, представляется возможным обеспечить условия для гетеродиффузии и, тем самым, повысить адгезию покрытия к основе, а также повысить плотность внешних (функциональных) слоев с одновременным снижением интенсивности воздействия поверхностно-активных веществ.

В качестве подложки для осаждения выступают металлические и неметаллические материалы, являющиеся как электропроводящими, так и диэлектриками, с различным знаком и величиной магнитной восприимчивости, имеющие разные коэффициенты линейного расширения.

В качестве покрытия используют металлические материалы с заданными функциональными свойствами (механическими, химическими, трибологическими), при их сочетании в различной комбинации конверсионной (послойной) структуры покрытия в зависимости от условий эксплуатации.

Пример 1. На стальную поверхность осаждали покрытие Cu-Ni-Fe толщиной 30 мкм. Атомные номера элементов составляли соответственно 29, 28, 26. Средние размеры блоков мозаики ε^-1/2, м^-1/2 - 1,0×10^-5; 0,5×10^-5; 2,0×10^-6.

Предварительно поверхность основы текстурировали при прокатке роликами при удельном давлении 300 МПа с последующим отжигом 550°С. В результате образовывалась текстура {110} <001>. Осаждаемые металлы ориентировали в магнитном поле соленоида (вектор магнитной индукции составлял 90 град. к поверхности образца) в когерентных плоскостях (110)-(110)-(110) соответственно, причем поверхностные слои Fe на завершающем этапе осаждения имели ориентировку (111) параллельно поверхности, что обеспечивалось переориентированием соленоида относительно поверхности образца (на угол 45 град). Напряженность магнитного поля соленоида составляла 750 кА/м. Электролитические слои толщиной 10 мкм каждый наносили последовательно по мере уменьшения коэффициента линейного (объемного) расширения, значения которого приведены в таблице. Слои наносили из хлористого (Fe, Cu) и сернокислого (Ni) электролитов при температуре 50, 65 и 60°С и плотности тока 12, 7,5 и 5,0 А/дм² соответственно.

Покрытия испытывали на износ истиранием по древесине при вращательном движении контробразца, окружной скорости вращения 10 м/с и давлении 10 МПа. Испытания проводили до отказа скалыванием или интенсификации изнашивания. За критерий эксплуатационной надежности принимали наработку в часах. Наработка до первого отказа скалыванием составила 380 часов, коэффициент износостойкости составил 1.33.

Пример 2. На латунные образцы наносили износостойкие покрытия общей толщиной 40 мкм последовательно следующими металлами Pb-Cu-Ni-Fe.

Атомные номера элементов составляли соответственно: 82, 29, 28, 26. Размеры блоков мозаики ε^-1/2, м^-1/2 - 8×10^-3; 1,0×10^-5; 0,5×10^-5; 2,0×10^-6.

Содержание и последовательность операций по подготовке поверхности до получения текстуры {100} <001> являлись аналогичными. Осаждаемые металлы ориентировали в когерентных плоскостях 100-100-110(111)-111, причем кристаллографическая ориентировка в слое Ni по мере осаждения менялась на (111), вследствие чего поверхностные слои Fe на завершающем этапе осаждения имели однонаправленную ориентировку - (111) параллельно поверхности трения. Напряженность магнитного поля соленоида составляла 810 кА/м.

Покрытия испытывали на износ истиранием по стальной поверхности (сталь 40Х) с абразивно-масляной прослойкой при вращательном движении контробразца (окружная скорость вращения 0,1 м/с, при удельном давлении 0,5 МПа). Испытания проводили до отказа скалыванием или интенсификации изнашивания. Наработка до первого отказа скалыванием составила 460 часов, коэффициент износостойкости составил 1.41.

В результате отсеивающих экспериментов было установлено, что минимально эффективная величина напряженности магнитного поля составляет 750-800 кА/м, практически не зависит от состава и структуры покрытия и определяется, преимущественно, масштабным фактором, типом соленоида и объемом образца, влияющими на коэффициент размагничивающих потерь. Значение последнего, в частности, рассчитывается известными методами для конкретного случая.

Таблица Параметры осаждаемых материалов
Металл	Коэффициент линейного расширения, α, К-1	Коэффициент объемного расширения β, K-1
Свинец	0.0000292	0.0000876
медь	0.0000165	0.0000495
никель	0.0000128	0.0000384
железо	0.0000120	0.0000360
сталь	0.000011	0.000033

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №1663047, кл. С 23 С 18/32, 1991.

2. Авторское свидетельство СССР №1694708, кл. C 25 D 5/12, 1991.

Способ формирования гальванических покрытий, включающий послойное осаждение на подложке металлов в последовательности уменьшения среднего размера их блоков мозаики, отличающийся тем, что предварительно производят текстурирование подложки, а послойное осаждение ведут в условиях воздействия магнитного поля, ориентируя кристаллы в каждом последующем слое однонаправлено с кристаллами предыдущего слоя в регламентированных плоскостях, причем плоскости скольжения в кристаллах функционального слоя ориентируют параллельно поверхности трения, а подбор материалов покрытия осуществляют с позиций минимизации величины температурного коэффициента линейного расширения от подложки к наружным слоям.