Электролит никелирования
Владельцы патента RU 2449063:
Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) (RU)
Изобретение относится к области гальванотехники и может найти применение в авиационной, автомобильной и других отраслях промышленности. Электролит содержит, г/л: никельсульфаминовокислый 325-440, никель-хлористый 4-10, кобальт сульфаминовокислый 12-30, борная кислота 25-40, натрий лаурилсульфат 0,01-0,1, наночастицы оксида алюминия и/или оксида циркония 2-55, микрочастицы оксида алюминия α и γ фазы 10-40, микрочастицы дисульфида молибдена 1-4, вода до 1 л. Технический результат: повышение микротвердости, износостойкости и антифрикционных свойств покрытий. 2 з.п. ф-лы, 2 табл., 5 пр.
Изобретение относится к области гальванотехники, а именно к электрохимическому нанесению никеля и его сплавов на стальные детали, например, узлы трения-скольжения с получением композиционно кластерных гальванических покрытий (ККГП), и может найти применение в авиационной, автомобильной и других отраслях промышленности.
Известен электролит никелирования, имеющий следующий химический состав, г/л:
| сульфат никеля | 630 мл/л |
| хлорид никеля | 5 |
| борная кислота | 30 |
| стабилизатор | 0,8 |
| лаурилсульфат | 0,1 |
| микрочастицы | BN (патент США №4479855). |
который может содержать микрочастицы порошков нитрида бора, карбида кремния, оксида титана, оксида алюминия дисперсностью 0,4-5 мкм.
Недостатком электролита никелирования является то, что полученные покрытия обладают низкими антифрикционными свойствами.
Известен электролит никелирования для получения композиционных электрохимических покрытий, содержащий, г/л:
| сульфат никеля | 220 |
| хлорид никеля | 45 |
| ацетат натрия или калия | 30 |
| фуллерен C60 | 0,025-0,050 (патент РФ №2280109) |
Недостатком известного электролита является низкая износостойкость получаемого покрытия.
Известен также электролит для осаждения композиционного покрытия никель - фторопласт, который содержит, г/л:
| хлорид никеля | 150-350 |
| борная кислота | 25-40 |
| хлорамин Б | 1,5-4,5 |
| фторопластовая эмульсия | 7-35 (патент РФ №2297476) |
Недостатком известного электролита является неудовлетворительная износостойкость получаемых композиционных покрытий, т.е. они могут работать только при низких нагрузках.
Известен электролит никелирования для осаждения композиционных покрытий следующего состава, г/л:
| сульфат никеля | 200 |
| хлорид никеля | 40 |
| бисульфат графита | 2-10 |
| ацетат никеля или ацетат калия | 30 (патент РФ №2352695) |
Недостатком известного электролита для получения покрытия является низкая износостойкость и отсутствие промышленного выпуска бисульфата графита.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является электролит никелирования, содержащий, г/л:
| никель сульфаминовокислый | 300-440 |
| никель хлористый | 4-15 |
| кобальт сульфаминовокислый | |
| или железо сульфаминовокислое | 12-27 |
| борная кислота | 25-40 |
| наночастицы оксида металла групп | |
| IIIA, IVB, VB, VIB и/или | |
| карбида металла | |
| групп IVB, VB, VIB | 2-100 |
| ПАВ | 0,01-0,1 |
| вода | до 1 л (патент РФ №2293803) |
Наночастицы имеют дисперсность 50-200 нм и удельную поверхность 20-390 м2/г.
Недостатком прототипа является то, что покрытия, сформированные в этом электролите, не обладают достаточными антифрикционными свойствами и не обеспечивают высокой износостойкости.
Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка электролита никелирования, обеспечивающего получение композиционно-кластерных гальванических покрытий (ККГП) на основе никеля, имеющих повышенные значения микротвердости, износостойкости и улучшенные антифрикционные свойства.
Для решения поставленной задачи предложен электролит никелирования, содержащий никель сульфаминовокислый, никель хлористый, кобальт сульфаминовокислый, борную кислоту, поверхностно-активное вещество, наночастицы оксида металла и воду, который в качестве наночастиц оксида металла содержит оксид алюминия и/или оксид циркония, а в качестве поверхностно-активного вещества -натрий лаурилсульфат и дополнительно содержит микрочастицы оксида алюминия ά и γ фазы и дисульфида молибдена при следующем соотношении компонентов, г/л:
| никель сульфаминовокислый | 325-440 |
| никель хлористый | 4-10 |
| кобальт сульфаминовокислый | 12-30 |
| борная кислота | 25-40 |
| натрий лаурилсульфат | 0,01-0,1 |
| наночастицы оксида алюминия | |
| и/или оксида циркония | 2-55 |
микрочастицы:
| оксид алюминия ά и γ фазы | 10-40 |
| дисульфид молибдена | 1-4 |
| вода | до 1 л |
Микрочастицы оксида алюминия и дисульфида молибдена имеют дисперсность 0,5÷20 мкм.
В качестве блескообразующей добавки электролит дополнительно содержит сахарин.
Установлено, что введение в электролит микрочастиц Al2O3 ά и γ фазы, а также MoS2 способствует формированию композиционной структуры с улучшенными физико-механическими свойствами (износостойкость, микротвердость, антифрикционные свойства). При использовании микрочастиц Al2O3 β-фазы композиционное покрытие не формируется, в связи с неустойчивым фазовым состоянием данной модификации в сульфаминовокислом электролите.
Одновременное введение в электролит наночастиц оксида алюминия и/или оксида циркония и микрочастиц в виде композиции из оксида алюминия ά и γ фазы и дисульфида молибдена, обеспечивает получение поликомпозиционного самосмазывающегося покрытия, сочетающего низкий коэффициент трения - скольжения и высокую износостойкость. Частицы дисульфида молибдена вводят в композиционное покрытие для того, чтобы снизить эффект непосредственного трибологического контакта. Вследствие ориентации частиц дисульфида молибдена кристаллической плоскостью базиса параллельно направлению трения и, следовательно, действию сдвиговых деформаций, обеспечивается локализация этих деформаций в смазочном слое, что обеспечивает снижение энергетических потерь в процессе трения, поскольку сопротивление сдвигу в этих слоях существенно ниже, чем в материале подложки.
Установлено, что лаурилсульфат натрия, как поверхностно-активное вещество, поддерживает седиментационную устойчивость нано- и микрочастиц и увеличивает рассеивающую способность электролита. Электролит содержит сахарин в качестве блескообразователя.
Примеры осуществления
Пример 1
Электролит никелирования готовили путем смешивания приготовленного раствора сульфаминовокислого никеля с остальными компонентами. Оксид алюминия άи γ фазы и дисульфид молибдена вводили в электролит в виде суспензии и осаждали композиционное покрытие с применением активного барботажа электролита воздухом при вертикальном расположении анода и катода.
В качестве наночастиц оксида металла использовали оксид алюминия и/или оксид циркония.
Осаждение никелевого покрытия проводили при следующих соотношениях компонентов, г/л: никель сульфаминовокислый - 325, никель хлористый - 4, кобальт сульфаминовокислый - 12, борная кислота - 25, натрий лаурилсульфат - 0,01, сахарин - 0,5, наночастицы ZrO2 - 2, микрочастицы Al2O3 ά и γ фазы - 10, микрочастицы MoS2 - 4.
Режим осаждения: температура 42°C, рН=4,0, плотность тока 5 А/дм2.
Примеры 2, 3, 4 аналогичны примеру 1.
В таблице 1 представлены составы электролитов, где примеры 1-4 - предлагаемый состав, пример 5 - прототип.
В таблице 2 представлены физико-механические свойства (микротвердость, износостойкость) композиционно-кластерных никелевых покрытий, получаемых из предлагаемого электролита и прототипа.
| Таблица 1 | |||||
| Составы электролитов никелирования | |||||
| Состав электролита, г/л | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 (прототип) |
| Никель сульфаминовокислый | 325 | 360 | 400 | 440 | 400 |
| Никель хлористый | 4 | 6 | 8 | 10 | 10 |
| Кобальт сульфаминовокислый | 12 | 18 | 24 | 30 | 20 |
| Борная кислота | 25 | 30 | 35 | 40 | 35 |
| Натрия лаурилсульфат | 0,01 | 0,04 | 0,08 | 0,1 | 0,08 |
| Сахарин | 0,5 | 1,5 | 0,8 | ||
| Наночастицы, Al2O3 | - | 15 | 30 | 20 | 30 |
| Наночастицы, ZrO2 | 2 | - | - | 35 | - |
| Микрочастицы, Al2O3 ά и γ фазы / дисперсность, мкм | 10/0,5 | 20/5 | 30/10 | 40/20 | - |
| Микрочастицы, MoS2 / дисперсность, мкм | 2/5 | 3/10 | 1/20 | 4/0,5 | - |
| Таблица 2 | ||||
| Физико-механические свойства композиционно-кластерных никелевых покрытий, получаемых из предлагаемых электролитов и прототипа | ||||
| № п/п | Микротвердость, МПа | Износостойкость в условиях сухого торцового трения | ||
| Момент трения | Коэфф. трения | Износ, мг | ||
| 1 | 5700 | незначительное повышение в начальный период (процесс приработки) | 0,46 | 0,7 |
| 2 | 6200 | стабильный | 0,43 | 0,6 |
| 3 | 6500 | стабильный | 0,42 | 0,6 |
| 4 | 5900 | незначительное повышение в начальный период (процесс приработки) | 0,48 | 0,7 |
| 5 | 5500 | равномерное повышение в процессе трения с образованием кольцевых бороздок по всей поверхности покрытия | 0,57 | 1,3 |
Полученные покрытия по внешнему виду соответствуют требованиям ГОСТ 9.301-86.
Контроль содержания микрочастиц в композиционном покрытии проводили микроскопическим способом с применением металографического метода.
Контроль прочности сцепления проводили методом нагрева по ГОСТ 3802-88. Контроль микротвердости проводили с помощью микротвердомера ПМТ-3М при нагрузке 50 г.
Контроль износостойкости и антифрикционных характеристик покрытий проводили на образцах типа Н03-264 на машине торцевого трения И-47 по СТП 1.595-14-285-9.
Как видно из таблицы 2, покрытие, получаемое из предлагаемого электролита, по сравнению с прототипом обладает повышенной на 15-20% микротвердостью, пониженным на 15-25% коэффициентом трения по стали, увеличенной более чем в 2 раза износостойкостью.
Применение предлагаемого электролита увеличит ресурс работы узлов машин и механизмов.
1. Электролит никелирования, содержащий никель сульфаминовокислый, никель хлористый, кобальт сульфаминовокислый, борную кислоту, поверхностно-активное вещество, наночастицы оксида металла и воду, отличающийся тем, что в качестве наночастиц оксида металла он содержит наночастицы оксида алюминия и/или оксида циркония, а в качестве поверхностно-активного вещества - натрий лаурилсульфат, при этом дополнительно содержит микрочастицы оксида алюминия α- и γ-фазы и дисульфида молибдена при следующем соотношении компонентов, г/л:
| никель сульфаминовокислый | 325-440 |
| никель хлористый | 4-10 |
| кобальт сульфаминовокислый | 12-30 |
| борная кислота | 25-40 |
| натрий лаурилсульфат | 0,01-0,1 |
| наночастицы оксида алюминия | |
| и/или оксида циркония | 2-55 |
| микрочастицы оксида алюминия α- и γ-фазы | 10-40 |
| микрочастицы дисульфида молибдена | 1-4 |
| вода | до 1 л |
2. Электролит никелирования по п.1, отличающийся тем, что микрочастицы оксида алюминия и дисульфида молибдена имеют дисперсность 0,5÷20 мкм.
3. Электролит никелирования по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит в качестве блескообразующей добавки сахарин.
