CC BY
59
УДК 621.357.7
свойства электролитического композиционного
покрытия никель - кобальт - оксид алюминия, осажденного из хлоридного электролита
© 2013 г. К.В. Мурзенко
Мурзенко Ксения Владимировна - аспирант, кафедра «Технология электрохимических производств, аналитическая химия, стандартизация и сертификация», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). E-mail: [email protected]
Murzenko Kseniy Vladimirovna - post-graduate student, department «Technology electrochemical production, analytic chemistry, standardization and certification», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). E-mail: [email protected]
Разработан хлоридный электролит для нанесения композиционного электролитического покрытия никель-кобальт-оксид алюминия. Исследовано влияние режимов электролиза и состава электролита на физико-механические свойства композиционных электролитических покрытий никель-кобальт-оксид алюминия, осажденных из хлоридного электролита, и показана возможность замены ими износостойких хромовых покрытий.
Ключевые слова: осаждение; композиционное покрытие; никель-кобальт-оксид алюминия; хлоридный электролит; покрытие; свойства.
The chloride electrolyte for infliction of composite electrolytic nickel-cobalt-aluminium oxide coating has been developed. Effect of electrolysis modes and electrolyte composition on the physic-mechanical properties of composite electrolytic nickel-cobalt-aluminium oxide diamond coating, deposited from the chloride electrolyte has been studied, and the possibility of replacing wear-resistant chromium coating.
Keywords: deposition; composite coating; nickel-cobalt-aluminium oxide diamond; chloride electrolyte; properties.
Создание композиционных электрохимических покрытий (КЭП) является одним из актуальных направлений функциональной гальванотехники. Принцип получения КЭП основан на том, что вместе с металлами из электролитов-суспензий соосаждаются дисперсные частицы различных размеров и видов. Кинетика образования КЭП включает следующие стадии: доставку частиц к катоду, удерживание их у поверхности катода и заращивание частиц осаждающимся металлом. Варьируя условия электроосаждения, можно обеспечить такой микрорельеф поверхности, когда на ней удерживаются частицы определенного размера.
Включаясь в покрытия, частицы существенно улучшают их эксплуатационные свойства (твердость, износостойкость, коррозионную устойчивость) и придают им новые качества (антифрикционные, магнитные, каталитические). Благодаря этому КЭП находят широкое применение в различных отраслях промышленности, а разработка новых видов композиционных покрытий и изучение их свойств является важной научно-технической задачей.
Благодаря высокой твердости, износостойкости и хорошей коррозионной стойкости сплавы никеля с
кобальтом используются в качестве рабочего слоя при изготовлении пресс-форм для переработки термопластов, а также в машиностроении для увеличения срока службы и восстановления деталей машин и механизмов. Это позволяет использовать их для упрочнения поверхности с целью повышения износостойкости деталей, уменьшения износа сопряженных пар. Однако данные покрытия обладают недостаточной износостойкостью, особенно в условиях, например, сухого трения. При испытаниях в таком режиме уже при малых нагрузках образовывались «задиры».
С целью увеличения износостойкости широко применяются КЭП на основе никеля и его сплавов. По своим физико-механическим свойствам КЭП превосходят покрытия, не содержащие введенной в электролит дисперсной фазы. В качестве композиционной добавки, позволяющей улучшить физико-механические характеристики покрытия никель-кобальт, выбрали оксид алюминия.
Целью работы является исследование влияния режимов электролиза и состава электролита на физико-механические свойства композиционных электролитических покрытий никель-кобальт-оксид алюминия, осажденных из хлоридного электролита.
В результате проведенных исследований разработан электролит для нанесения композиционного покрытия никель-кобальт-оксид алюминия состава, г/л: хлорид никеля 200 - 350, хлорид кобальта 3 - 11, оксид алюминия 10 - 40, борная кислота 25 - 40, хлорамин Б 1,5 - 4,0. Режимы электролиза: рН 1,5 - 5,0, температура 18 - 60 оС, перемешивание 80 - 120 оборотов в минуту, катодная плотность тока 1 - 9 А/дм2 [1].
Наличие кобальта и оксида алюминия в композиционном материале никель-кобальт-оксид алюминия, осажденного из хлоридного электролита при определенном соотношении компонентов и режимов электролиза, приводит к увеличению его износо- и корро-зионностойкости.
Электролит готовили следующим образом. В электролитической ванне, заполненной до % необходимого объема водопроводной водой, при температуре 60 - 70 оС растворяли борную кислоту, хлорамин Б, хлорид никеля и кобальта, после того как довели уровень электролита до необходимого объема, вводили оксид алюминия размерами 1 - 5 мкм, рН электролита доводили либо соляной кислотой, либо гидроокисью натрия или калия (100 - 150 г/л).
Так как данное покрытие разрабатывается для замены хромовых покрытий, то сравнивали результаты износостойкости КЭП никель-кобальт-оксид алюминия и покрытия износостойким хромом. Хромовые покрытия получали из электролита состава, г/л: хромовый ангидрид 250, серная кислота 2,3, температура 60 °С, катодная плотность тока 60 А/дм2.
Результаты сравнительных исследований износостойкости КЭП никель-кобальт-оксид алюминия и покрытия износостойким электролитическим хромом показали, что в режиме сухого трения износостойкость покрытий на основе композиционного покрытия никель-кобальт-оксид алюминия почти в 1,5 раза превосходят износостойкость хромовых покрытий. Однако со смазкой СОЖ РВ практически одинаковая. Это объясняется, по-видимому, следующим: во-первых, благодаря высокой пористости покрытий хромом СОЖ, попадая в более пористое покрытие обусловливает его лучшую прирабатываемость в отличие от практически беспористого при толщине 20 мкм покрытия никель-кобальт-оксид алюминия. Во-вторых, за счет высокой твердости покрытие, содержащее кобальт, недостаточно пластично, поэтому износостойкость КЭП превосходит износостойкость хрома при высоких нагрузках в режиме трения со смазкой.
В то же время в режиме сухого трения лучшая износостойкость покрытия никель-кобальт-оксид алюминия по сравнению с хромовым покрытием объясняется более высокой твердостью, а также тем, что при разрушении покрытия частицы композиционной добавки, возможно, играют роль твердой смазки, обусловливая лучшую работу КЭП на износ.
Превышение значений выхода по току (ВТ) КЭП 100 % является отличительной особенностью электролитов, содержащих тонкодисперсные частицы, участвующие в электродных процессах, как введенные в электролит, так и образующиеся в процессе электролиза. Объяснение этих данных следует в первую очередь связывать с включением в катодный осадок дисперсных частиц, введенных в электролит в виде оксида алюминия, а также включение неразря-дившихся коллоидных и микрогетерогенных соединений никеля.
Рассеивающая способность (РС) электролита для нанесения износостойких КЭП является важным параметром, поскольку позволяет оценить возможность использования покрытия для осаждения на детали сложной конфигурации. РС, измеренная по методу Херринга и Блюма, находится в пределах 21 - 37 %. В результате проведенных исследований получены данные о снижении РС электролита с увеличением концентрации оксида алюминия. Снижение величины РС электролита по мере введения в него оксида алюминия объясняется дополнительным перемешиванием трудноразмешиваемой части приэлектродного слоя. Этот процесс, по-видимому, осуществляется труднорастворимыми соединениями никеля, образующимися в электролите совместно с частицами оксида алюминия, введёнными в изучаемый раствор.
В гальванических покрытиях, как известно, возникают внутренние напряжения (ВН), которые могут достигать довольно высоких значений, что неблагоприятно влияет на физико-механические свойства покрытий, в частности уменьшается износостойкость.
Характер изменения ВН зависит от доли включения дисперсной фазы в покрытие. При значительной доле включений преобладают напряжения растяжения, при минимальной - сжатия. При увеличении толщины покрытия наблюдаемые напряжения сжатия снижаются. По сравнению с электролитом, содержащим только хлорид никеля шестиводный и борную кислоту, в присутствии хлорамина Б напряжения сжатия в покрытии уменьшаются; значительно снижает ВН одновременное присутствие в электролите сахарина и оксид алюминия. Добавка оксида алюминия примерно в 1,5 раза снижает ВН сжатия при толщине 30 мкм, в остальных случаях ее влияние несущественно.
Проведенные исследования также показали, что рН электролита практически не влияет на ВН КЭП никель-кобальт-оксид алюминия.
Влияние катодной плотности тока на напряжения сжатия изучаемого покрытия более существенно. При большей плотности тока ВН существенно ниже, что объясняется, по-видимому, максимальным содержанием УДА в катодном осадке при плотности тока 9 А/дм2.
Композиционные покрытия часто обладают повышенной коррозионной стойкостью и защитной способностью, которые в большинстве случаев связывают с минимальной пористостью, а также более плотной и однородной структурой покрытия. Коррозионные испытания КЭП никель-кобальт-оксид алюминия проводили в сравнении с покрытием износостойким хромом, которое предполагается заменять, а также никелевым покрытием без добавки оксида алюминия. Испытания проводили на образцах из стали при толщине покрытия 30 мкм. Покрытия для испытаний осаждали из электролитов для нанесения композиционного покрытия и хрома, приведенных выше.
На основании ускоренных коррозионных испытаний можно сделать вывод о более высокой защитной способности КЭП никель-кобальт-оксид алюминия по сравнению с хромовыми покрытиями. Показано положительное влияние оксида алюминия, способствующее повышению коррозионной стойкости покрытия. По-видимому, микропластические деформации никелевой матрицы вокруг дисперсных частиц, присутствующих в гальваническом осадке, способствуют однородности структуры, а значит - минимальной пористости и увеличению сопротивления коррозии.
Для определения количества электричества, после прохождения которого необходима корректировка электролита для получения композиционного покры-
Поступила в редакцию
тия никель-кобальт-оксид алюминия с повышенной микротвердостью и износостойкостью, производили проработку изучаемого раствора при объемной плотности тока 2 А-ч/л. После каждых 10 А-ч/л контролировали рН электролита, измеряли микротвердость осадка. При изгибе образца под углом 90° проверяли качество сцепления. Во всех случаях при изгибе под углом 90° покрытие не отслаивалось. Оценивали также внешний вид осадков. Проведенные исследования показали, что корректировку рН необходимо осуществлять через каждые 20 А •ч/л, по оксиду алюминия -через 120 А^ч/л, остальных компонентов - согласно анализу электролита.
Литература
1. Балакай В.И., Арзуманова А.В., Балакай И.В., Балакай К.В., Бырылов И.Ф. Способ получения гальванического композиционного покрытия никель-кобальт-оксид алюминия и гальваническое композиционное покрытие никель-кобальт-оксид алюминия / Пат. 2418107 РФ, МПК С 25 Д 15/00 (2006.01). - № 2009113190/02; заявл. 08.04.2009; опубл. 10.05.2011. Бюл. № 13.
26 сентября 2013 г.
