Многослойное композитное покрытие на стали, полученное методом химического осаждения

Изобретение относится к машиностроению, в частности к защитным покрытиям на стали, полученным методом химического осаждения. Покрытие содержит, по меньшей мере, шесть компонентов - никель, кобальт, фосфор, химические соединения никеля с фосфором состава Ni3P, Ni5P2, Ni2P, и состоит из нескольких чередующихся слоев, при этом нечетные слои являются твердым раствором фосфора в никеле, а четные - твердым раствором фосфора в кобальте, причем взаимосвязь чередующихся слоев осуществлена за счет сращивания матрицы последующего слоя с матрицей предыдущего слоя. В нечетных слоях покрытия частицы никеля, фосфора, химических соединений Ni3P, Ni5P2, Ni2P имеют размеры в пределах от 40 до 1000 нм. В четных слоях покрытия частицы кобальта и фосфора имеют размеры в пределах от 300 до 5100 нм. Полученные многослойные композитные покрытия обладают высокой микротвердостью и коррозионностойкостью. 3 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл., 4 пр.

 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к защитным покрытиям на стали, полученным методом химического осаждения.

Известны химически осажденные покрытия, состоящие из кобальта или его сплавов (патент US 2006280860 США, заявка US 20050148724, B05D 5/12, С23С 18/34, С23С 18/36). Данные покрытия получены из раствора, содержащего источник ионов кобальта, восстанавливающий агент для осаждения ионов кобальта и стабилизатор, являющийся оксидом. Покрытия предназначены для использования в деталях микроэлектронных устройств.

Для повышения микротвердости, износостойкости, коррозионной устойчивости и антифрикционных свойств покрытий на основе металлов подгруппы железа в данные покрытия вводят различные неорганические вещества: наноалмазы (патент RU 2357002, С23С 18/36, В82В 1/00), микро- и наночастицы оксида алюминия, оксида циркония и дисульфида молибдена (патент RU 2449063, C25D 15/00; патент RU 2465374, С23С 18/36, В82В 1/00), квазикристаллические неорганические порошки, например порошок состава AlCuFe (патент RU 2478739, C25D 15/00).

Известно, что наличие в композиционных покрытиях алюминиевых нановолокон позволяет снизить коэффициент трения, повысить износостойкость и коррозионную стойкость данных покрытий (патент RU 2451113, С23С 18/36, В82В 3/00). Нановолокно, входящее в состав покрытия, представляет собой порошок оксидно-гидроксидных фаз алюминия с размером частиц 100-700 нм.

Однако для получения всех вышеперечисленных покрытий требуются достаточно сложные предварительные операции по подготовке порошков и волокон, что усложняет и удорожает процесс нанесения покрытий. Также требуется подготовка поверхности деталей для нанесения на нее химического покрытия.

В покрытия на основе металлов подгруппы железа могут быть одновременно добавлены неорганические и органические вещества.

Известны гальванические композиционные покрытия на основе никеля, получаемые методом электрохимического осаждения и содержащие никель, кобальт, частицы фторопласта Ф-4Д и дополнительно - оксид кремния (патент RU 2489530, C25D 15/00; патент RU 2489531, C25D 15/00).

Структура данных покрытий является мелкокристаллической, покрытие является равномерным, самосмазывающимся, обладает высокой износостойкостью и микротвердостью. Однако наличие в композиции оксида кремния приводит к увеличению внутренних напряжений. Необходимо строго контролировать содержание оксида кремния в композиции, так как увеличение его содержания выше заявляемого предела приводит к еще большему росту внутренних напряжений, ухудшению качества, а уменьшение содержания ниже заявляемого предела приводит к снижению износостойкости композиционного материала. Кроме того, в гальванических покрытиях водорода в несколько раз больше, чем в покрытиях, полученных химическим способом, а наличие водорода в покрытиях снижает их прочностные характеристики.

Ближайшим аналогом заявляемого покрытия является химически осажденное на поверхности легированной стали композиционное покрытие никель-фосфор-кобальт (патент CN 102433556 Китай, заявка CN 20111451578, С23С 18/36, С23С 18/50). Отмечено, что данное покрытие обладает высокой коррозионной стойкостью.

Все вышеперечисленные покрытия являются однослойными, что делает их более подверженными износу и коррозии, чем многослойные покрытия.

Задачей настоящего изобретения является повышение коррозионной стойкости и микротвердости покрытий на стальных поверхностях.

Для достижения поставленной задачи предложены многослойные композиционные покрытия (МКП), представляющие собой твердый раствор, в данном случае, частиц фосфора в металле. МКП состоят из нескольких слоев: нечетные слои являются твердым раствором фосфора в никеле, четные - фосфора в кобальте. В нечетных слоях помимо фазы твердого раствора фосфора в никеле присутствует ряд химических соединений никеля с фосфором состава Ni3P, Ni5P2, Ni2P. В состав покрытия могут входить другие компоненты, не влияющие на его коррозионную стойкость и микротвердость.

Многослойное композитное покрытие стальной поверхности состоит из входящих в состав двух слоев, по меньшей мере, шести компонентов: никеля, кобальта, фосфора, химических соединений никеля с фосфором состава Ni3P, Ni5P2, Ni2P, при этом нечетные слои представляют собой твердый раствор фосфора в никеле и в них присутствуют химические соединения состава Ni3P, Ni5P2, Ni2P, а четные слои представляют собой твердый раствор фосфора в кобальте, при этом чередующиеся слои взаимосвязаны за счет сращивания матрицы последующего слоя с матрицей предыдущего слоя.

В нечетных слоях покрытия частицы никеля, фосфора, химических соединений Ni3P, Ni5P2, Ni2P имеют размеры в пределах от 40 до 1000 нм. В четных слоях покрытия частицы кобальта и фосфора имеют размеры в пределах от 300 до 5100 нм.

Химически осажденный никель обладает высокими коррозионно-защитными свойствами, имеет малую пористость. Таким образом, покрытие никель-фосфор может применяться на металлических изделиях сложного профиля, на крупногабаритной арматуре, для увеличения износоустойчивости трущихся поверхностей деталей машин; для повышения коррозионной стойкости в среде кипящей щелочи и перегретого пара; для замены хромового покрытия, чтобы использовать вместо коррозионностойкой стали более дешевую сталь, покрытую слоем, состоящим из никеля и фосфора.

Химическое нанесение кобальта на поверхность металлических материалов придает им ферромагнитные свойства, а также высокую микротвердость. Особое значение имеет осаждение данного покрытия на тонкие магнитные пленки, используемые для создания микроэлектронных устройств.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в том, что полученные покрытия обладают высокой микротвердостью и коррозионной стойкостью. Коррозионная стойкость повышается в результате наличия нескольких плотных слоев коррозионно-стойкого никеля. Микротведость покрытий повышается в результате наличия четных слоев кобальт-фосфор, физические свойства которых, в частности твердость, превышают аналогичные для слоя никель-фосфор. Нанесение чередующихся слоев позволяет варьировать характеристики получаемого покрытия. В том случае, если последним нанесен слой никель-фосфор, покрытие обладает повышенной коррозионной стойкостью; если последним нанесен слой кобальт-фосфор, то покрытие обладает высокой микротвердостью.

Описание изобретения

МКП состоит из нескольких чередующихся слоев, нечетные слои являются твердым раствором фосфора в никеле, а также в них присутствует ряд химических соединений состава Ni3P, Ni5P2, Ni2P. Четные слои являются твердым раствором фосфора в кобальте. В состав покрытия могут входить другие компоненты, не влияющие на его коррозионную стойкость и микротведость.

Первый слой МКП осаждается на стальной поверхности, а последующие слои - на композитной поверхности металл-фосфор. На покрываемой поверхности ионы металла восстанавливаются до металла и взаимодействуют с фосфором.

Нечетные слои - покрытие никель-фосфор - имеют кристаллическую структуру, в которой размер частиц колеблется от 40 до 1000 нм. Микротвердость получаемого покрытия никель-фосфор составляет 2940-3930 МПа (300-400 кгс/мм2). Толщина каждого из нечетных слоев 12-15 мкм.

Четные слои - покрытие кобальт-фосфор - также имеют кристаллическую структуру, в которой размер частиц колеблется от 300 до 5100 нм. Микротвердость получаемого покрытия кобальт-фосфор составляет 3500-5000 МПа (350-500 кгс/мм2). Толщина каждого из четных слоев 5-7 мкм.

Ниже приведены примеры заявленного изобретения.

Пример 1. Двухслойное МКП, полученное на образцах стали Ст3. Исследование полученных слоев методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) показало, что размер частиц в слое никель-фосфор составляет 40-1000 нм (увеличение в 10000 раз), а размер частиц в слое кобальт-фосфор составляет 500-1200 нм (увеличение в 5500 раз). Микротвердость МКП, измеренная после нанесения второго слоя, составляет 4600 МПа.

Пример 2. Двухслойное МКП, полученное на образцах стали Ст3, в котором первый слой аналогичен примеру 1. Исследование второго слоя кобальт-фосфор методом СЭМ при увеличении в 6000 раз показало, что размер частиц в слое составляет 800-5100 нм. Микротвердость МКП, измеренная после нанесения второго слоя, составляет 4500 МПа.

Пример 3. Двухслойное МКП, полученное на образцах стали Ст3, в котором первый слой аналогичен примеру 1. Исследование второго слоя кобальт-фосфор методом СЭМ при увеличении в 7500 раз показало, что размер частиц в слое составляет 300-2030 нм. Микротвердость МКП, измеренная после нанесения второго слоя, составляет 3800 МПа.

Пример 4. Двухслойное МКП, полученное на образцах стали Ст3, в котором первый слой аналогичен примеру 1. Исследование второго слоя кобальт-фосфор методом СЭМ при увеличении в 13000 раз показало, что размер частиц в слое составляет 400-1400 нм. Микротвердость МКП, измеренная после нанесения второго слоя, составляет 5000 МПа.

На фигуре показана зависимость изменения удельной массы МКП, полученная при испытании покрытий на коррозионную стойкость. Испытанные МКП состоят из двух слоев, первый слой получен из раствора, состав которого приведен в таблице 1, второй слой - из раствора, состав которого приведен в таблице 2.

Испытания на коррозионную стойкость проводились выдерживанием взвешенных образцов в 3%-ном растворе натрия хлорида при температуре 18-20°C (по ГОСТ 9.308-85. Единая система защиты от коррозии и старения. Покрытия металлические и неметаллические неорганические. Методы ускоренных коррозионных испытаний). После истечения определенного времени образцы вынимали из раствора, сушили, взвешивали и определяли изменение массы.

Таблица 1
Компонент раствора Количество
никель сернокислый 10 г/л
натрий гипофосфит 25 г/л
натрий уксуснокислый 20 г/л
тиомочевина 0,005 г/л
уксусная кислота 13 мл/л
Таблица 2
№ раствора Состав раствора, г/л
кобальта дифторида натрия гипофосфита натрия лимоннокислого аммония хлорида
1 35 20 100 45
2 35 20 80 45
3 35 10 80 45
4 15 10 80 45
5 15 10 100 45
6 15 20 100 45
7 35 10 100 45
8 15 20 80 45

1. Многослойное композитное покрытие стальной поверхности, состоящее из входящих в состав двух слоев, по меньшей мере, шести компонентов: никеля, кобальта, фосфора, химических соединений никеля с фосфором состава Ni3P, Ni5P2, Ni2P, при этом нечетные слои представляют собой твердый раствор фосфора в никеле и в них присутствуют химические соединения состава Ni3P, Ni5P2, Ni2P, а четные слои представляют собой твердый раствор фосфора в кобальте, при этом чередующиеся слои взаимосвязаны за счет сращивания матрицы последующего слоя с матрицей предыдущего слоя.

2. Покрытие по п.1, отличающееся тем, что в его состав входят другие компоненты, не влияющие на его коррозионную стойкость и микротведость.

3. Покрытие по п.1, отличающееся тем, что частицы никеля, фосфора, химических соединений Ni3P, Ni5P2, Ni2P в нечетных слоях имеют размеры в пределах от 40 до 1000 нм.

4. Покрытие по п.1, отличающееся тем, что частицы кобальта и фосфора в четных слоях имеют размеры в пределах от 300 до 5100 нм.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к получению покрытий на металлических поверхностях. В способе на стальную поверхность наносят многослойное покрытие, в котором в качестве нечетных слоев наносят слои никель-фосфор, а в качестве четных кобальт-фосфор.

Изобретение относится к области химического осаждения аморфных магнитных пленок Co-P, например, на полированное стекло и может быть использовано в вычислительной технике.
Изобретение относится к области получения покрытий из никелевых сплавов химическим путем и может быть использовано в различных областях техники для получения покрытий с высокой механической прочностью и коррозионной стойкостью.

Изобретение относится к области химического осаждения аморфных магнитных пленок, например, на такие материалы, как полированное стекло, поликор, ситалл, кварц, и может быть использовано в вычислительной технике, в головках записи и считывания информации, в датчиках магнитных полей, управляемых СВЧ-устройствах: фильтрах, амплитудных фазовых модуляторах и т.д.

Изобретение относится к установке для нанесения никелевого покрытия химическим методом на различные детали. .
Изобретение относится к прикладной химии, а именно к способам получения никелевого покрытия на материалах из углеродного волокна. .
Изобретение относится к химическому осаждению аморфных магнитных пленок Co-Р, например, на полированное стекло и может быть использовано в вычислительной технике в головках записи и считывания информации, в датчиках магнитных полей, в управляемых сверхвысокочастотных (СВЧ) устройствах: фильтрах, амплитудных и фазовых модуляторах и т.д.

Изобретение относится к гальваностегии, в частности к осаждению черных никелевых покрытий на поверхность металлических изделий, и может быть использовано в различных видах гальванического производства для получения декоративных покрытий.

Изобретение относится к области технологий получения защитных покрытий и может быть использовано для нанесения металлических покрытий на микроизделия для микроэлектроники методом химического никелирования.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при нанесении металлопокрытий химическим способом. .
Изобретение относится к области нанотехнологии, а именно к элементам электроники, состоящих из слоев и содержащих наноматериалы в своей конструкции. Технический результат - снижение размеров элементов электроники.

Изобретение относится к получению покрытий на металлических поверхностях. В способе на стальную поверхность наносят многослойное покрытие, в котором в качестве нечетных слоев наносят слои никель-фосфор, а в качестве четных кобальт-фосфор.
Изобретение относится к технологии получения вспененного композитного элемента. Способ включает стадию обеспечения покровного слоя, нанесение на покровный слой слоя адгезивного средства и нанесение на слой адгезивного средства слоя пеноматериала, содержащего полиуретан и/или полиизоцианурат.

Группа изобретений относится к защитным элементам, применяемым для защиты от подделки документов, ценных бумаг, полиграфической продукции и других изделий. Защитный элемент содержит внешнюю прозрачную полимерную основу с присоединенным к ней прозрачным лаковым слоем, на поверхности которого выполнен микрорельеф с нанесенными тонкими слоями отражающего и магнитного материалов.

Изобретение относится к области металлургии. Для повышения коррозионной стойкости стального листового изделия и обеспечения хорошей свариваемости осуществляют предварительное покрытие стальной полосы или листа алюминием, или алюминиевым сплавом, резку указанной стального листа или полосы с предварительным покрытием для получения стальной заготовки с предварительным покрытием, нагрев заготовки в предварительно нагретой печи до температуры и в течение времени согласно диаграмме в соответствии с толщиной заготовки при средней скорости нагрева Vc в температурном диапазоне от 20 до 700°C, составляющей от 4 до 12°C/с и при скорости нагрева Vc' в температурном диапазоне от 500 до 700°C, составляющей от 1,5 до 6°C/с, затем перемещение указанной нагретой заготовки к штамповочному прессу, горячую штамповку нагретой заготовки в штамповочном прессе для получения горячештампованного стального листового изделия, охлаждение нагретой заготовки от температуры на выходе из печи до температуры 400°C при средней скорости охлаждения, по меньшей мере, 30°C/с.
Изобретение относится к способам получения композиционных материалов для теплоотводящих оснований полупроводниковых приборов, в частности, композиционного материала Al-SiC, имеющего металлическое покрытие, и изделиям, полученным с использованием этих материалов.

Изобретение относится к химическим аспектам изготовления многослойных антикоррозионных конструкций и касается способа производства многослойного изделия. .

Изобретение относится к производству подкровельных покрытий в виде плоских конструктивных элементов, располагающихся под водоотводящим кровельным покрытием. .
Изобретение может быть использовано для изготовления супермногослойных листовых полуфабрикатов на основе разнородных материалов. В качестве исходных заготовок используют листы из сплавов разнородных металлов, взаимно растворимых друг в друге в интервале температуры нагрева при горячей обработке давлением. После мерной резки исходных заготовок из металлических листов проводят обработку их поверхностей и сборку нарезанных заготовок в пакет. Сборку осуществляют с расположением между листами из металлов с более низкой температурой плавления листа металла с более высокой температурой плавления, который при нагреве служит барьером для прохождения рекристаллизации в пределах толщины одного слоя для формирования наноразмерной структуры. Осуществляют горячую обработку давлением пакета путем его нагрева и прокатки в диапазоне температур прохождения рекристаллизации, соответствующем материалу с наименьшей температурой плавления. Повторяют упомянутые технологические операции до получения многослойного листа с заданным числом слоев и требуемой толщины. Способ обеспечивает получение многослойных листовых материалов с наноразмерной структурой без использования операции вакуумирования.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к защитным покрытиям на стали, полученным методом химического осаждения. Покрытие содержит, по меньшей мере, шесть компонентов - никель, кобальт, фосфор, химические соединения никеля с фосфором состава Ni3P, Ni5P2, Ni2P, и состоит из нескольких чередующихся слоев, при этом нечетные слои являются твердым раствором фосфора в никеле, а четные - твердым раствором фосфора в кобальте, причем взаимосвязь чередующихся слоев осуществлена за счет сращивания матрицы последующего слоя с матрицей предыдущего слоя. В нечетных слоях покрытия частицы никеля, фосфора, химических соединений Ni3P, Ni5P2, Ni2P имеют размеры в пределах от 40 до 1000 нм. В четных слоях покрытия частицы кобальта и фосфора имеют размеры в пределах от 300 до 5100 нм. Полученные многослойные композитные покрытия обладают высокой микротвердостью и коррозионностойкостью. 3 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл., 4 пр.

Наверх