Способ получения оптически черного гибридного покрытия на стали Российский патент 2023 года по МПК C25D11/34 C25D11/14 

Изобретение относится к области технической электрохимии и может быть использовано в химическом машиностроении, электронной и автомобильной промышленности, в теплотехнике.

Известен способ получения оптически черного оксидно-керамического покрытия на поверхности алюминия и его сплавах авторов Ж.И. Беспалова, И.Н. Паненко [Пат. RU №2459890, МПК C25D 11/14, C25D 15/00, опубл. 27.08.2012, Бюл. №24. Способ получения оптически черного оксидно-керамического покрытия на поверхности алюминия и его сплавах], включающий микроплазменное оксидирование в водных растворах электролита. Покрытие наносят в импульсном анодно-катодном режиме с длительностью пачек анодных импульсов 50 мс, катодных 40 мс, паузами между ними 10 мс, соотношением средних анодных и катодных токов 1,1:0,9 из водных растворов электролита при последовательном оксидировании в течение 10 мин в трех растворах, содержащих в своем составе гидроксид натрия (NaOH), метасиликат натрия (Na₂SiO₃⋅9H₂O), тетраборат натрия (Na₂B₄O₇⋅10Н₂О), бихромат калия (K₂Cr₂O₇), вольфрамат натрия (Na₂WO₄⋅2H₂O), аммония парамолибдат ((NH4)₆Mo₇O₂₄⋅4H₂O), оксид вольфрама (WO₃), при разных концентрациях первых двух компонентов. В результате оксидирования в условиях микроплазменных разрядов на поверхности алюминиевого сплава формируется равномерное интенсивное черное покрытие, имеющее соответственно коэффициенты поглощения (α) и излучения (ε), определенные в широком диапазоне световых волн 95,8 и 87,0%.

Недостатком способа является необходимость использования сложного оборудования, а также необходимость использования трехстадийного синтеза для получения покрытий, что увеличивает трудоемкость процесса.

Известен способ получения покрытия, повышающего излучательную способность металлической поверхности авторов Ю.В. Богданов, А.С.Князев, В.И. Кузеванов, Л.Г. Штейнер [Пат. RU №2368702, МПК С23С 24/00, С23С 20/06, B05D 1/02, опубл. 27.09.2009. Бюл. №27. Покрытие, нанесенное на металлическую поверхность и повышающее ее излучательную способность, и способ его нанесения], включающий распыление материала покрытия на металлическую поверхность. Материал покрытия распыляют в виде суспензии, полученной смешением минерального наполнителя и источника минерального SiO₂ - связующего в виде концентрированного водного золя кремниевой кислоты при соотношении связующего и наполнителя в суспензии 10-50 и 90-50 мас. % соответственно. При этом металлическую поверхность перед распылением суспензии нагревают до температуры 100-350°С.

Недостатком способа является предлагаемый метод нанесения покрытия - пневматическое распыление, что не позволяет получать покрытия, однородные по толщине.

Наиболее близким по способу получения является способ получения селективного покрытия, описанный авторами Ж.И. Беспалова, В.А. Клушин, А.С. Дьячишин [Пат. RU №2393275, МПК C25D 11/10, F24J 2/48, опубл. 27.06.2010. Бюл. №18. Способ получения селективного покрытия], с использованием переменного асимметричного тока, заключающийся в нанесении покрытия из электролита, содержащего сульфат алюминия, сульфат никеля, формалин и лимонную кислоту, при соотношении среднего катодного и анодного токов 1,5:1 и напряжении от 8 до 15 В, при температуре 25±5°С.

Недостатком такого способа получения является необходимость использования токсичного соединения - формалина и низкое значение коэффициента излучения покрытия (ε=6%).

Изобретение направлено на повышение коэффициента излучения (степени черноты) получаемых покрытий.

Задача достигается осаждением на сталь марки 08кп оптически черного гибридного покрытия при напряжении 15 В из водного раствора электролита, содержащего сульфат никеля, лимонную кислоту, дополнительно содержащего соли молибдена, кобальта, железа, борную и полиакриловую кислоты, при соотношении средних за период катодного и анодного токов 1,1:1 - 1,4:1; рН 4-5, температуре 65°С, времени электролиза 70-100 мин при следующих соотношениях компонентов электролита (г-л^-1):

Оксиды молибдена, никеля, кобальта и железа характеризуются широким спектром оптических свойств благодаря незавершенной d-оболочки металлов, что является общим признаком этой группы.

Наноразмерные частицы оксидов переходных металлов, внедренные в различные матрицы, в том числе полимерные, представляют большой интерес благодаря регулируемым оптическим и физическим свойствам, что обусловлено как классическими, так и квантовыми размерными эффектами.

Полиакриловая кислота представляет собой полимер анионного типа и обладает способностью к комплексообразованию с ионами d-металлов. Введение в состав покрытия полиакриловой кислоты обеспечивает его матовость и более высокую однородность распределения оксидов металлов по поверхности, а также их стабильность.

Использование переменного асимметричного тока позволяет получать покрытия на основе оксидов металлов, в том числе оксидов молибдена, нестехиометричного состава, способных непрерывно поглощать в ИК-диапазоне, что приводит к высоким значениям не только коэффициента поглощения, но и излучения.

Предлагаемый способ получения оптически черного гибридного покрытия на стали позволил:

- сформировать на поверхности стали 08 кп гибридное покрытие на основе оксидов молибдена, кобальта, никеля, железа и полиакриловой кислоты;

- достичь повышения коэффициента теплового излучения (степени черноты);

- обеспечить однородность распределения оксидов металлов в матрице полиакриловой кислоты.

Формирование оптически черных гибридных покрытий проводили на предварительно подготовленной по стандартной методике поверхности стали марки 08кп при поляризации переменным асимметричным током промышленной частоты, представляющим собой две полусинусоиды разной амплитуды из электролита, содержащего соли молибдена, никеля, кобальта, железа, лимонную и борную кислоты, полиакриловую кислоту. В качестве рабочего электрода использовали макроэлектроды из 08кп 40×40×1 мм (с обеих сторон). Противоэлектродом служил кобальт.

Для экспериментальной проверки предлагаемого способа были получены оптически черные гибридные покрытия на стали.

Способ получения оптически черного гибридного покрытия на стали осуществляется следующим образом:

Оптически черное гибридное покрытие получали на поверхности стали марки 08кп размером 40×40×1 мм электроосаждением при напряжении 15 В из водного раствора электролита, содержащего сульфат никеля, лимонную кислоту, соли молибдена, кобальта, железа, борную и полиакриловую кислоты, при соотношении средних за период катодного и анодного токов 1,1:1 - 1,4:1; рН 4-5, температуре 65°С и времени электролиза 70-100 мин при следующем соотношении компонентов (г-л^-1):

Определение коэффициентов поглощения солнечного излучения (a_s) проводили относительным методом на рефлектометре солнечном «РС-К» с использованием образцов сравнения, а определение коэффициентов излучения (ε) проводили относительным методом на рефлектометре инфракрасном «РИ-К». Коэффициент поглощения (a_s) составил 0,89-0,95; коэффициент излучения (ε) составил 0,90-0,95.

При несоблюдении доверительного интервала концентраций компонентов электролита не достигается технический результат, а именно не достигается повышение коэффициента теплового излучения (степени черноты).

Рассмотрим пример осуществления способа с конкретными значениями компонентов электролита и режимов электролиза.

Пример 1.

Оптически черное гибридное покрытие получали на поверхности стали марки 08кп размером 40×40×1 мм электроосаждением из электролита, при следующем соотношении компонентов (г⋅л^-1):

Время электролиза составило 70 мин, плотность среднего за период катодного тока j_K=0,17 А⋅дм^-2, анодного тока j_A=0,12 А⋅дм^-2, температура электролиза 65°С. Коэффициенты поглощения (α) и излучения (ε) составили 0,90 и 0,90 соответственно.

Пример 2.

Оптически черное гибридное покрытие получали на поверхности стали марки 08кп размером 40×40×1 мм электроосаждением из электролита, при следующем соотношении компонентов (г⋅л^-1):

Режимы электролиза отличаются от Примера 1 плотностью среднего за период катодного тока j_K=0,15 А⋅дм^-2, анодного тока j_A=0,12 А⋅дм^-2. Коэффициенты поглощения (α) и излучения (ε) составили 0,89 и 0,90 соответственно.

Пример 3.

Оптически черное гибридное покрытие получали на поверхности стали марки 08кп размером 40×40×1 мм электроосаждением из электролита, при следующем соотношении компонентов(г-л^-1):

Режимы электролиза отличаются от Примера 2 плотностью среднего за период катодного тока j_K=0,17 А⋅дм^-2 анодного тока j_A=0,12 А⋅дм^-2, а также временем электролиза 80 мин. Коэффициенты поглощения (α) и излучения (ε) составили 0,95 и 0,95 соответственно.

Пример 4.

Оптически черное гибридное покрытие получали на поверхности стали марки 08кп размером 40×40×1 мм электроосаждением из электролита, при следующем соотношении компонентов (г⋅л^-1):

Оптически черное гибридное покрытие получали на поверхности стали марки 08кп размером 40×40×1 мм электроосаждением из электролита, при следующем соотношении компонентов (г⋅л^-1):

Режим электролиза отличается от Примера 3 временем электролиза 100 мин. Коэффициенты поглощения (α) и излучения (ε) составили 0,92 и 0,91 соответственно.

Изобретение относится к области технической электрохимии и может быть использовано в химическом машиностроении, электронной и автомобильной промышленности, в теплотехнике. Способ заключается в осаждении на сталь марки 08кп гибридного покрытия при напряжении 15 В из водного раствора электролита, содержащего сульфат никеля, лимонную кислоту, соли молибдена, кобальта, железа, борную и полиакриловую кислоты, при соотношении средних за период катодного и анодного токов 1,1:1-1,4:1; рН 4-5, температуре 65°С при следующем соотношении компонентов (г⋅л^-1):

Технический результат: повышение коэффициента излучения (степени черноты) получаемых покрытий. 4 пр.

Способ получения оптически черного гибридного покрытия, заключающийся в осаждении на сталь марки 08кп гибридного покрытия при напряжении 15 В из водного раствора электролита, содержащего сульфат никеля, лимонную кислоту, отличающийся тем, что электролит дополнительно содержит соли молибдена, кобальта, железа, борную и полиакриловую кислоты, при соотношении средних за период катодного и анодного токов 1,1:1–1,4:1; pH 4-5, температуре 65°C и времени электролиза 70–100 мин, при следующем соотношении компонентов (г⋅л^-1):

Сульфат кобальта (II) (CoSO₄⋅7H₂O) 90-110 Хлорид кобальта (II) (CoCl₂⋅6H₂O) 10-16 Борная кислота (H₃BO₃) 15-30 Сульфат железа (II) (FeSO₄⋅7H₂O) 6-12 Сульфат никеля (II) (NiSO₄⋅7H₂O) 20-30 Гептамолибдат аммония ((NH₄)₆Mo₇O₂₄) 30-50 Лимонная кислота (C₆H₈O₇) 3-5 Полиакриловая кислота ((C₂H₃COOH)_n) 2