Способ получения композиционного электрохимического покрытия на основе меди с добавлением частиц электроэрозионной свинцовой бронзы Российский патент 2022 года по МПК C25D15/00 C25D3/38 

Изобретение относится к области гальванотехники и может быть использовано для модификации медных гальванических покрытий.

Известен способ приготовления электролита для получения композиционных покрытий на основе металлов [Патент РФ №2477341, МПК C25D 15/00, В82В 1/00, опубл. 10.03.2013]. Способ в основе включает введение в электролит дисперсной фазы в виде твердых субмикрочастиц, при этом введение осуществляют в виде шипучих растворимых таблеток состава: наноуглеродный материал марки «Таунит» от 1,6 до 8,3 мас. %, поверхностно-активное вещество - поливинилпирролидон от 8 до 16 мас. %, гидрокарбонат натрия от 30 до 50 мас. %, лимонная кислота от 10 до 50 мас. %. Способ обеспечивает получение гальванических покрытий с высокой микротвердостью, износостойкостью и низкой пористостью.

Известен способ получения гальванических покрытий, модифицированных наноалмазами [патент РФ №2368709, МПК C25D 15/00, В82В 1/00, C25D 5/20, опубл. 27.09.2009], включающий введение в электролит фракций наноалмаза размерностью менее 200 нм, диспергирование и нанесение покрытия, при этом диспергирование осуществляют до нанесения покрытия и в процессе нанесения покрытия путем воздействия на суспензию электролита кавитацией.

Недостатками этих способов является высокая стоимость компонентов, вводимых в электролиты при осаждении покрытий.

В основу изобретения положена задача повышения физико-механических свойств гальванических покрытий без существенного увеличения затрат на их изготовление.

Поставленная задача достигается тем, способ получения композиционного электрохимического покрытия на основе меди с добавлением частиц электроэрозионной свинцовой бронзы, заключается в том, что упомянутое композиционное электрохимическое покрытие получается путем введения суспензии порошка электроэрозионной свинцовой бронзы в сернокислый электролит меднения в концентрации 0,05 г/л. при проведении процесса электроэрозионного диспергирования свинцовой бронзы со следующими параметрами: частота следования импульсов 95-105 Гц; напряжение на электродах 190-200 В; емкость конденсаторов 65,5 мкФ, причем используют сернокислый электролит меднения следующего состава: CuSO₄⋅5H₂O - 200-250 г/л; H₂SO₄ - 35-70 г/л, NaCl - 0,01 г/л, лимонная кислота (0,01 г/л).

Метод электроэрозионного диспергирования (ЭЭД) выглядит весьма привлекательно для получения дисперсных систем. ЭЭД обладает очень существенными конкурентными преимуществами, такими как простота конструкции оборудования, возможность работы в жидкой среде, возможность получения сферических частиц, использование в качестве металлической загрузки отходов, возможность управления характеристиками получаемых порошков, безвредность и экологическая чистота процесса, отсутствие механического износа оборудования, малые энергозатраты.

Процесс ЭЭД представляет собой разрушение токопроводящего материала в результате локального воздействия кратковременных электрических разрядов между электродами.

Регулируя электрические параметры установки для электроэрозионного диспергирования (ЭЭД) можно получать за определенные промежутки времени нужное количество порошка заданных размеров и качества. Поэтому стало возможным готовить электролит-суспензию непосредственно в реакторе ЭЭД, путем прибавления к полученной в реакторе суспензии порошка пасты, состоящей из необходимых компонентов универсального сернокислого электролита меднения.

На фигуре 1 представлен внешний вид полученного покрытия. На фигуре 2 представлена микроскопия покрытия, полученного из электролита-суспензии. На фигуре 3 представлены результаты исследования шероховатости поверхностей покрытия, полученного из электролита-суспензии. На фигуре 4 представлены поверхности разрушения контртела (а) и образца с покрытием из электролита-суспензии (б). На фигуре 5 представлены результаты исследования износостойкости покрытия.

Покрытие получали в следующей последовательности.

Для получения суспензии порошка, стружку свинцовой бронзы помещали в реактор установки, которую заполняли дистиллированной водой, являющейся реакционной средой.

Задавали следующие режимы работы установки:

- частота следования импульсов 95…105 Гц;

- напряжение на электродах 190…200 В;

- емкость конденсаторов 65,5 мкФ.

В качестве подложки для нанесения покрытия использовали пятаки из стали марки 30 ХГСА.

Для увеличения прочности сцепления покрытия с обрабатываемой деталью были проведены следующие подготовительные операции перед нанесением покрытия:

1. Совместное обезжиривание и травление: NaOH (10-30 г/л), Na₃PO₄ (40-50 г/л), KI (40-50 г/л), Na₂SiO₃ (4-6 г/л).

2. Химическая активация: H₂SO₄ (50-100 г/л), лимонная кислота (0,05 г/л).

На первом этапе стальной пятак погружали в подготовленный и нагретый до 50-70°С раствор одновременного обезжиривания и травления и выдерживали в течение одной минуты.

Далее пятак последовательно несколько раз промывали в горячей и холодной воде.

Последней стадией подготовки поверхности перед нанесением композиционного электрохимического покрытия (КЭП) является процесс активации, заключающийся в удалении тонких окисных пленок, которые образуются на поверхности металлов, подготовленных к нанесению покрытия. Для этого пятак погружали в подготовленный раствор химической активации и выдерживали в нем в течение минуты, после чего несколько раз промывали в холодной воде.

Для осаждения покрытия использовали приготовленный сернокислый электролит меднения следующего состава: CuSO₄⋅5H₂O (200-250 г/л), H₂SO₄ (35-70 г/л), NaCl (0,01 г/л), лимонная кислота (0,01 г/л). Для приготовления электролита-суспензии, пригодного для получения КЭП, все эти реагенты ввели в суспензию порошка, полученную на установке ЭЭД.

Осаждение покрытия проводили на гальванической установке L1 DIGIT при следующих параметрах:

- материал анода - анодная медь марки АМФ;

- соотношение площадей анод-катод - 1:1;

- материал ванны - химстекло;

- рабочая температура - 18-25°С;

- напряжение - 2-5 В;

- диапазон плотности тока - 5-10 А на дм²;

- скорость осаждения - от 1 мкм 1 мин. (при 5А на дм²);

- перемешивание - обязательно.

Заключительным этапом нанесения покрытия являлась промывка в дистиллированной воде с последующей сушкой.

При этом достигается следующий технический результат: повышение физико-механических характеристик гальванического покрытия без существенного увеличения затрат на его изготовление.

Пример 1

Для осаждения покрытия использовали приготовленный сернокислый электролит меднения следующего состава: CuSO₄⋅5H₂O (200-250 г/л), H₂SO₄ (35-70 г/л), NaCl (0,01 г/л), лимонная кислота (0,01 г/л). Подготовленный электролит ввели в суспензию порошка с расчетной концентрацией электроэрозионных частиц 0,05 г/л.

Осаждение покрытия проводили на гальванической установке L1 DIGIT при следующих параметрах:

- материал анода - анодная медь марки АМФ;

- соотношение площадей анод-катод - 1:1;

- материал ванны - химстекло;

- рабочая температура - 18-25°С;

- напряжение - 2-5 В;

- диапазон плотности тока - 5-10 А на дм²;

- скорость осаждения - от 1 мкм 1 мин. (при 5А на дм²);

- перемешивание - обязательно.

Внешний вид полученного покрытия представлен на фигуре 1.

Образец был подвергнут микроскопическим исследованиям методом растровой электронной микроскопии с целью изучения микроструктуры покрытия (по поперечному шлифу). На фигуре 2 представлена микроскопия покрытия, полученного из электролита-суспензии. Показано, что присутствие в покрытии электроэрозионной свинцовой бронзы не способствует появлению в них пор, трещин и других дефектов.

Исследование шероховатости полученного покрытия было проведено на автоматизированном прецизионном контактном профилометре SURTRONIC 25. Экспериментально установлены следующие параметры шероховатости: среднее арифметическое отклонение профиля у композиционного электролитического покрытия, полученного из электролита-суспензии - R_a=0,32 мкм. Результаты исследования шероховатости поверхности представлены на фигуре 3.

Коэффициент трения и скорость износа поверхности образца и контртела измеряли на автоматизированной машине трения (Tribometer, CSM Instruments, Швейцария), управляемой компьютером, по стандартной схеме испытания «шарик-диск». Эти испытания позволяют использовать модель Герца, они соответствуют международным стандартам ASTM G99-959 DIN50324 и могут быть использованы для оценки износостойкости образца и контртела.

Образец устанавливали в держателе, перпендикулярно плоскости образца закрепляли стержень, на конце которого находился шарик диаметром 6 мм Al₂O₃ (оксид алюминия). С помощью регулировки датчика перемещения выбирали радиус кривизны износа, еще один датчик компенсировал силу трения и позволял установить значение коэффициента трения в определенный момент времени.

Испытания проводили на воздухе при нагрузке 2 Н и линейной скорости 10 см/сек, радиусом кривизны износа 5-6 мм, путь трения составлял 200 метров.

После испытаний были изучены поверхности разрушения обоих компонентов пары трения с помощью инвертированного оптического микроскопа OLYMPUS GX51: контртела (фигура 4, а) и образца с покрытием из электролита-суспензии (фигура 4, б).

Результаты исследования износостойкости полученного покрытия представлены в таблице на фигуре 5.

Пример 2

Для осаждения покрытия использовали приготовленный сернокислый электролит меднения следующего состава: CuSO₄⋅5H₂O (200-250 г/л), H₂SO₄ (35-70 г/л), NaCl (0,01 г/л), лимонная кислота (0,01 г/л). Подготовленный электролит ввели в суспензию порошка с расчетной концентрацией электроэрозионных частиц 0,01 г/л.

Осаждение покрытия проводили на гальванической установке L1 DIGIT при следующих параметрах:

- материал анода - анодная медь марки АМФ;

- соотношение площадей анод-катод - 1:1;

- материал ванны - химстекло;

- рабочая температура - 18-25°С;

- напряжение - 2-5 В;

- диапазон плотности тока - 5-10 А на дм²;

- скорость осаждения - от 1 мкм 1 мин. (при 5А на дм²);

- перемешивание - обязательно.

Результаты исследования износостойкости полученного покрытия показали увеличение коэффициента трения в сравнении с образцом, полученным при концентрации электроэрозионных частиц в электролите-суспензии 0,05 г/л.

Пример 3

Для осаждения покрытия использовали приготовленный сернокислый электролит меднения следующего состава: CuSO₄⋅5H₂O (200-250 г/л), H₂SO₄ (35-70 г/л), NaCl (0,01 г/л), лимонная кислота (0,01 г/л). Подготовленный электролит ввели в суспензию порошка с расчетной концентрацией электроэрозионных частиц 0,05 г/л.

Осаждение покрытия проводили на гальванической установке L1 DIGIT при следующих параметрах:

- материал анода - анодная медь марки АМФ;

- соотношение площадей анод-катод - 1:1;

- материал ванны - химстекло;

- рабочая температура - 18-25°С;

- напряжение - 2-5 В;

- диапазон плотности тока - 10-20 А на дм²;

- перемешивание - обязательно.

При данных режимах осаждения покрытие имело низкую адгезию с подложкой и рыхлости.

Изобретение относится к области гальванотехники и может быть использовано для модификации медных гальванических покрытий. Способ получения композиционного электрохимического покрытия на основе меди с добавлением частиц электроэрозионной свинцовой бронзы включает введение суспензии порошка электроэрозионной свинцовой бронзы в сернокислый электролит меднения в концентрации 0,05 г/л. Электроэрозионное диспергирование свинцовой бронзы проводят со следующими параметрами: частота следования импульсов 95-105 Гц, напряжение на электродах 190-200 В, емкость конденсаторов 65,5 мкФ. Используют сернокислый электролит меднения следующего состава: CuSO4⋅5H2O - 200-250 г/л; H2SO4 - 35-70 г/л, NaCl - 0,01 г/л, лимонная кислота - 0,01 г/л. Обеспечивается повышение физико-механических свойств гальванических покрытий без существенного увеличения затрат на их изготовление. 5 ил., 3 пр.

Способ получения композиционного электрохимического покрытия на основе меди с добавлением частиц электроэрозионной свинцовой бронзы, отличающийся тем, что упомянутое композиционное электрохимическое покрытие получается путем введения суспензии порошка электроэрозионной свинцовой бронзы в сернокислый электролит меднения в концентрации 0,05 г/л при проведении процесса электроэрозионного диспергирования свинцовой бронзы со следующими параметрами: частота следования импульсов 95-105 Гц; напряжение на электродах 190-200 В; емкость конденсаторов 65,5 мкФ, причем используют сернокислый электролит меднения следующего состава: CuSO₄⋅5H₂O - 200-250 г/л; H₂SO₄ - 35-70 г/л, NaCl - 0,01 г/л, лимонная кислота - 0,01 г/л.