Композиционное износостойкое химическое покрытие и способ его получения Российский патент 2024 года по МПК C25D11/06 

Изобретение относится к способу получения композиционных износостойких покрытий на «вентильных» металлах и их сплавах, обработанных микродуговым оксидированием (МДО). Изобретение может быть использовано в различных областях науки и техники, таких как машиностроение, судостроение, авиастроение и в производстве бытовой техники.

Известно [1,2], что микродуговое оксидирование относительно мягких вентильных металлов, таких как алюминий, титан, цирконий и т.д. повышает износостойкость и микротвердость поверхности за счет образования оксидов данных металлов, а также вовлечения в структуру покрытия компонентов электролита (диоксида кремния, силицидов и карбидов). Известно также, что покрытия никель-фосфор и никель-бор повышают износостойкость и микротвёрдость поверхности [3].

Известен способ получения износостойких покрытий [4] (пат. РФ №2250937, опубл. 2005.04.27), включающий микродуговое оксидирование магния, алюминия, титана, циркония, ниобия, тантала и их сплавов в щелочных или кислотных электролитах с формированием покрытий на основе керамических, полимерных мелкодисперсных частиц, перемешиваемых в электролите микродугового оксидирования и имеющих температуру плавления, ниже температуры микродуговых разрядов с одновременным вращением изделий со скоростью ламинарного потока электролита. Недостатком данного способа является необходимость дополнительного перемешивания сжатым воздухом, вращение детали, а также формирование неравномерных покрытий с невысокой адгезией и недостаточно высокими защитными свойствами, так как в условиях микроразрядов мелкодисперсные частицы образуют агрегаты, что в итоге проводит к их налипанию на покрытие.

Наиболее близким к изобретению является способ получения защитных покрытий на вентильных металлах и сплавах [5]. Суть изобретения состоит в нанесении МДО покрытия на вентильные металлы и их сплавы и последующей обработке пор полимерным составом. По сути, данный полимерный состав не является износостойким сам по себе, но понижает коэффициент трения. К недостаткам данного способа относится невысокая термостокость покрытия и низкая износостокость наполнителя (полимера).

Покрытия на вентильных металлах, полученные способом МДО, имеют высокий процент пористости (до 50-70%). Это позволяет наполнять (импрегнировать) покрытие различными составами, например полимерными и металлическими. В заявке предложен способ обработки вентильных металлов и сплавов (алюминий, титан, цирконий и т.д.) путем микродугового оксидирования в силикатно-щелочном электролите и последующем наполнении сквозных пор сплавами никель-фософор, никель-бор, полученными методом химико-каталитического осаждения, а также термической обработкой полученных композиционных покрытий.

Предварительно нанесенный МДО-подслой позволяет повысить адгезию химического слоя к основному металлу. Это обусловлено высокой пористостью МДО-покрытий. Нанесение МДО-слоя также позволяет не проводить предварительные операции с целью увеличения адгезии никель-фосфорного или никель-борного слоев к алюминию.

Техническим результатом данного изобретения является повышение износостойкости, и возможности получения относительно тонких композиционных покрытий и повышении их адгезии к основному металлу.

Технический результат достигается тем, что предварительно проводят микродуговое оксидирование вентильных металлов в силикатно-щелочном электролите, а затем поры покрытия заполняют N-P и Ni-B, путем химико-каталитического осаждения. Сплавы N-P, Ni-B являются плотными, износостойкими, что позволяет уплотнить пористую поверхность микродугового покрытия и повысить её износостойкость.

Для повышения износостойкости отжиг композиционных покрытий проводят на воздухе при температуре 300-500°С в течение 1 ч.

Примеры реализации заявленного способа приводятся ниже.

Микродуговое оксидирование вентильных металлов проводили в силикатно-щелочном электролите - 3 г/л NaOH или KOH и 9 г/л Na₂SiO₃, в анодно-катодном режиме (частота 50 Гц) при анодном напряжении 500 В и катодном 120 В в течение 1 ч и РН=11. Толщина покрытий составляла 15-20 мкм.

Никель-фосфорное и никель-борная часть композиционного покрытия была получена в электролитах состава:

NiSO₄*7H₂O 25 г/л NaH₂PO₂ 25 г/л

CH₃COONa 15 г/л

Глицин 15 г/л PbSO₄ 0.05 г/л рН 5 t 90°C NiCl₂*6H₂O 35 г/л NaOH 40 г/л NaBH₄ 1,5 г/л Этилендиамин 55 г/л PbCl₂ 0,02 г/л 2-меркаптобензотиазол 0,005 pH 13 t 85°C

Отжиг композиционных покрытий проводили на воздухе при температуре 300-500°С в течение 1 ч.

Износостойкость композиционных покрытий была изучена на абразиметре Табера по количеству циклов до полного износа покрытия, что фиксировали по появлению чистого металла (основы покрытия).

Данные по результатам износа композиционных покрытий приведены в табл. 1.

№ состав покрытия без отжига
(количество циклов) с отжигом
(количество циклов) 1 Al МДО 85 - 2 Al МДО + NiP 470 750 3 Al МДО + NiB 560 840 4 Al+NiP 90 - 5 Ti+МДО 2600 - 6 Ti+МДО + NiP 3400 -

Термообработка повышает износостойкость композиционных покрытий ввиду изменения структуры части покрытия, полученного химическим осаждением (N-P, Ni-B). Это может быть связано с усилением ковалентной связи металл-неметалл.

Таким образом, легирование МДО покрытий на вентильных металлах и их сплавах химически осаждёнными сплавами N-P, Ni-B существенным образом повышает износостойкость поверхности, а термообработка покрытий при 400°С позволяет еще более увеличить износостойкость.

Литература

1.Коломейченко А.В., Логачев В.Н. Исследование свойств покрытий, сформированных МДО, на пластически деформируемом алюминиевом сплаве АО3-7.Вестник Орёл ГАУ .Т.8 выпуск 5.2007. С.14-16.

2. Кондрацкий И.О., Эпельфельд А.В. Исследование характеристик покрытий, полученных методом микродугового оксидирования в электролитах-суспензиях. Сборник НИРС МАИ – 2016 Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет). Москва, 2017 С. 140-144.

3.Горбунова К.М., Никифорова А.А. Физико-химические основы процесса химического никелирования.Москва. Изд. Ан СССР. 1960. 207 с.

4. Казанцев И.А., Скачков В.С. Способ получения покрытий. Пат. РФ №2250937, опубл. 2005.04.27.

5.Гнеденков С.В., Синебрюхов С.Л., Машталяр Д.В. Способ получения защитных покрытий на вентильных металлах и их сплавах. Пат. Ru 2534123. Опубл. 27.11.2014 бюл. №33.

Изобретение относится к области гальванотехники и может быть использовано в различных областях науки и техники, таких как машиностроение, судостроение, авиастроение и в производстве бытовой техники. Композиционное износостойкое покрытие на вентильных металлах и сплавах состоит из оксидного слоя, поры которого заполнены сплавом Ni-B с помощью химико-каталитического осаждения. Способ получения композиционного износостойкого покрытия на вентильных металлах и сплавах заключается в микродуговой обработке их поверхности в силикатно-щелочном электролите, при этом поры покрытия заполняют сплавом Ni-B путем химико-каталитического осаждения. Техническим результатом является повышение износостойкости и адгезии покрытия к основному металлу и возможность получения относительно тонких композиционных покрытий. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 табл., 6 пр.

1. Композиционное износостойкое покрытие на вентильных металлах и сплавах, состоящее из оксидного слоя, поры которого заполнены сплавом Ni-B с помощью химико-каталитического осаждения.

2. Способ получения композиционного износостойкого покрытия на вентильных металлах и сплавах по п. 1, заключающийся в микродуговой обработке их поверхности в силикатно-щелочном электролите, отличающийся тем, что поры покрытия заполняют сплавом Ni-B путем химико-каталитического осаждения.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что микродуговую обработку поверхности вентильных металлов и их сплавов осуществляют в силикатно-щелочном электролите в анодно-катодном режиме, при частоте 50 Гц, при анодном напряжении 500 В и катодном 120 В в течение 1 ч и рН=11.

4. Способ по п. 2 или 3, отличающийся тем, что в качестве силикатно-щелочного электролита используют 3 г/л NaOH или KOH и 9 г/л Na₂SiO₃.

5. Способ по любому из пп. 2-4, отличающийся тем, что проводят термообработку полученных покрытий при температуре 300-500°С в течение 1 часа.