ГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ Российский патент 2009 года по МПК C25D15/00 

Предлагаемое изобретение относится к получению композиционного материала электрохимическим способом в качестве износостойкого материала в различных отраслях промышленности.

В промышленности появилась необходимость увеличения износостойкости различных материалов на основе никеля.

Увеличение износостойкости материалов на основе никеля можно достигнуть за счет легирования их металлами и (или) неметаллами.

Известны композиционные материалы на основе никеля с С, Si, SiC, TiC, TaC, ZrC, WC, SiO₂, TiO₂, BeO, ZrO₂, Cr₂О₃, MoS₂, MoSi₂ и т.д. (Сайфуллин Р.С. Композиционные покрытия и материалы. - М.: Химия, 1977. - 272 с.), а также с В (Гальванические покрытия сплавом никель-бор взамен хрома. Кукоз Ф.И., Кудрявцева И.Д., Сысоев Г.Н., Балакай В.И. // Теоретические основы технологии нанесения химических покрытий из металлов и сплавов: Тез. докл. Укр. Республ. конф. - К., 1988. - С.34-35), а также с фторопластом композиционные покрытия никель-бор-фторопласт (1. Балакай В.И. Электролит для осаждения композиционного покрытия никель-бор-фторопласт. Пат. 2213812 Рос. Федерация, МПК 7 C25D 15/00. - №2002113832/02; заявл. 27.05.2002; опубл. 10.10.2003, Бюл. №28. - 4 с. 2. Балакай В.И. Гальванический композиционный материал на основе никеля. Пат. 2213813 Рос. Федерация, МПК 7 C25D 15/00. - №2002113887/02; заявл. 27.05.2002; опубл. 10.10.2003, Бюл. №28. - 3 с.), обладающие повышенной износостойкостью по сравнению с чисто никелевыми покрытиями.

Существенным недостатком этих композиционных материалов и сплавов является то, что износостойкость является недостаточной.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является композиционный материал никель-фторопласт следующего состава, мас.%:

фторопласт 0,9-3,6 никель остальное

(Балакай В.И., Балакай И.В., Герасименко Ю.Я. Электролит для осаждения композиционного покрытия никель-фторопласт. Пат. 2297476 Рос. Федерация, МПК 7 C25D 15/00. - №2005130886/02(034622); - заявл. 05.10.2005; опубл. 20.04.2007; Бюл. №11. - 3 с.).

Однако данный композиционный материал имеет недостаточную износостойкость.

Задачей настоящего изобретения является повышение износостойкости материалов на основе никеля легированием кобальтом.

Указанная задача достигается получением композиционного материала никель-кобальт-фторопласт при следующем соотношении компонентов, мас.%:

кобальт 1,7-7,1 фторопласт 1,1-3,9 никель остальное

Наличие кобальта в композиционном материале никель-кобальт-фторопласт приводит к увеличению его износостойкости.

Увеличение содержания кобальта в композиции выше верхнего заявляемого предела приводит к увеличению внутренних напряжений, ухудшению качества.

Уменьшение содержания кобальта в композиции ниже нижнего заявляемого предела приводит к снижению износостойкости композиционного материала.

Для апробирования предложенного состава композиционного материала никель-кобальт-фторопласт были изготовлены композиции, химический состав которых приведен в табл.1, где 2, 3, 4 - содержание кобальта на нижнем, среднем и верхнем уровнях, соответственно, а 1 и 5 - содержание кобальта в композиции за граничными значениями.

Композиционный материал никель-фторопласт получали электрохимическим способом из электролита следующего состава, г/л:

хлорид никеля 200-350 хлорид кобальта 2-10 борная кислота 25-40 хлорамин Б 1,5-4,5 фторопластовая эмульсия   Ф-4Д-Э (ТУ 6-05-041-508-79) 7-35

Режимы электролиза: рН 1,0-5,5, температура 18-40°С, катодная плотность тока 0,5-12 А/дм² при перемешивании.

Таблица 1 -
Химический состав композиционного материала никель-кобальт-фторопласт и прототипа - никель-фторопласт Композиционный материал и прототип Никель кобальт Фторопласт Предложенный 1 98,7 0,6 0,7 2 97,2 1,7 1,1 3 92,9 4,6 2,5 4 89,0 7,1 3,9 5 86,8 9,3 4,4 Известный 97,1 0 2,9

Наличие кобальта в никелевых покрытиях позволяет увеличить износостойкость покрытий.

Никель является хорошим конструкционным материалом, и поэтому большое значение имеет разработка на его основе покрытий, обладающих высокой износостойкостью и низким коэффициентом трения. В связи с этим был разработан материал на основе никеля в виде сплава никель-бор, который обладает высокой твердостью и износостойкостью (получено авторское свидетельство №1387528). С целью увеличения износостойкости сплава никель-бор было предложено дополнительно вводить в покрытие фторопласт (так называемый самосмазывающий материал), который образует на поверхности композиционных покрытий никель-бор-фторопласт и никель-фторопласт тонкую пленку из фторопласта в результате трения двух поверхностей друг о друга и раздавливания фторопласта, находящегося в покрытии (получены патенты №2213812, 2213813). Однако из-за того что покрытие обычно не имеет идеально гладкую поверхность, то более твердое покрытие в последнем случае своими выступами должно разрушать самосмазывающий материал, который образуется на поверхности покрытий в виде фторопласта с большей скоростью, и тем самым снижать износостойкость покрытий и их коэффициент трения. Поэтому было предложено с целью увеличения износостойкости покрытий и снижения коэффициента трения наносить на трущиеся изделия не композиционное покрытие никель-бор-фторопласт, никель-фторопласт, а композиционные покрытия никель-кобальт-фторопласт, т.к. покрытия при введении в покрытие кобальта получаются более мелкокристаллическими и равномерными. В настоящее время износостойкие и самосмазываемые покрытия представляют определенный практический интерес.

Пример 1. Композиционный материал химического состава, мас.%: кобальт 0,6, фторопласт 0,7, никель остальное, осаждали из электролита состава, г/л: хлорид никеля 150, хлорид кобальта 1, борная кислота 20, хлорамин Б 1,0, фторопластовая эмульсия Ф-4Д-Э 5,0, при рН 5,7, температуре 16°С и катодной плотности тока 0,5 А/дм². Электролит готовили следующим образом. В электролитической ванне, заполненной до 3/4 необходимого объема водопроводной водой, при температуре 60-70°С растворяли борную кислоту, хлорамин Б и хлорид никеля, после того как довели уровень электролита до необходимого объема, вводили фторопластовую эмульсию. рН электролита доводили либо соляной кислотой, либо гидроокисью натрия или калия (100-150 г/л).

Пример 2. Композиционный материал химического состава, мас.%: кобальт 1,7, фторопласт 1,1, никель остальное, осаждали из электролита состава, г/л: хлорид никеля 275, хлорид кобальта 2, борная кислота 25, хлорамин Б 1,5, фторопластовая эмульсия Ф-4Д-Э 7,0, при рН 5,5, температуре 18°С и катодной плотности тока 1 А/дм². Электролит готовили по методике, описанной выше.

Пример 3. Композиционный материал химического состава, мас.%: кобальт 4,6, фторопласт 2,5, никель остальное, осаждали из электролита состава, г/л: хлорид никеля 250, хлорид кобальта 6, борная кислота 32, хлорамин Б 3,0, фторопластовая эмульсия Ф-4Д-Э 20, при рН 3,0, температуре 30°С и катодной плотности тока 6 А/дм². Электролит готовили по методике, описанной выше.

Пример 4. Композиционный материал химического состава, мас.%: кобальт 7,1, фторопласт 3,9, никель остальное, осаждали из электролита состава, г/л: хлорид никеля 350, хлорид кобальта 10, борная кислота 40, хлорамин Б 4,5, фторопластовая эмульсия Ф-4Д-Э 35, при рН 1,1, температуре 40°С и катодной плотности тока

12 А/дм². Электролит готовили по методике, описанной выше.

Пример 5. Композиционный материал химического состава, мас.%: кобальт 9,3, фторопласт 4,4, никель остальное, осаждали из электролита состава, г/л: хлорид никеля 370, хлорид кобальта 15, борная кислота 40, хлорамин Б 5,0, фторопластовая эмульсия Ф-4Д-Э 38, при рН 0,9, температуре 45°С и катодной плотности тока

12 А/дм². Электролит готовили по методике, описанной выше.

Прототип осаждали из электролита по (Балакай В.И., Балакай И.В., Герасименко Ю.Я. Электролит для осаждения композиционного покрытия никель-фторопласт. Пат. 2297476 Рос. Федерация, МПК 7 C25D 15/00. - №2005130886/02(034622); - заявл. 05.10.2005; опубл. 20.04.2007; Бюл. №11. - 3 с.).

В табл.2 приведены физико-механические свойства предложенного композиционного материала никель-кобальт-фторопласт и прототипа - никель- фторопласт.

Таблица 2 -
Физико-механические свойства предложенного композиционного материала никель-кобальт-фторопласт и прототип - никель-фторопласт. Физико-механические свойства композиционного материала никель-кобальт-фторопласт и никель-фторопласт (прототип) Предложенный состав композиции Прототип 1 3 2 4 5 Износостойкость в условиях граничного трения со сталью Ст 45 при нагрузке 20-30 кгс/см², мкм/ч 0,45 0,37 0,32 0,30 0,31 0,42 Микротвердость, ГПа 5,2 5,8 6,4 6,9 7,2 4,6 Внутренние напряжения, МПа 69,7 70,8 73,2 77,5 80,6 61,2

Как видно из табл.2, износостойкость композиционного материала никель-кобальт-фторопласт превышает износостойкость композиционного материала никель-фторопласт (прототипа) в 1,2-1,3 раза.

Изобретение относится к области гальванотехники и может быть использовано в различных отраслях промышленности, где необходимо применение износостойких материалов. Гальванический композиционный материал содержит, мас.%: кобальт 1,7-7,1, фторопласт 1,1-3,9, никель - остальное. Технический результат: повышение износостойкости. 2 табл.

Гальванический композиционный материал, содержащий никель и фторопласт, отличающийся тем, что он дополнительно содержит кобальт при следующем соотношении компонентов, мас.%:
кобальт 1,7-7,1 фторопласт 1,1-3,9 никель остальное