Електроліт для електрохімічного нанесення нанокомпозиційних покриттів нікель-цирконію діоксид

Реферат: Винахід належить до галузі гальванотехніки, зокрема до електролітів для нанесення композиційних покриттів на основі нікелю з високою мікротвердістю. Електроліт містить, г/л: нікелю метилсульфонат 200,00-400,00; натрію хлорид 10,00-30,00; кислота борна 25,00-45,00; цирконію діоксид (31 нм) 2,00-20,00. Технічний результат: високі значення мікротвердості у широкому діапазоні густин струму. UA 109761 C2 (12) UA 109761 C2 UA 109761 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Запропонований винахід належить до галузі гальванотехніки, зокрема до електролітів для нанесення композиційних покриттів на основі нікелю з високою мікротвердістю, що використовуються при електрохімічній обробці поверхонь, які працюють в умовах високих механічних навантажень. Відомий електроліт для електроосадження композиту нікель-силіцій карбід із вмістом силіцій карбіду близько 48 % (об.), що містить (г/л): 330 NiSO4•7H2O; 45 NiCl2; 25 Н3ВО3; 0,5 натрій сахаринату; 0,5 натрій 1,3,6-нафталінсульфонату; 60 SiC; 4,5 олеїлдиметиламін оксид. 2 Температура 50 °C. Густина струму 16 А/дм [Пат. 4043878 США, МКВ C25D 15/00. Electroplating method / Robert F. Ehrsam; John L. Raymond; Robert Z. Ream. - № 696073; Заяв.14.06.76; Опубл. 23.08.77]. Недоліками цього електроліту для електроосадження покриттів нікель-силіцій карбід є висока крихкість осадів. Відомий електроліт, який використовують в енергетиці при нанесенні покриттів на поверхні роторів, що містить (г/л): 600 Ni(NH2SO3)2•4H2O; 17 NiCl2•6H2O; 45 Н3ВО3; 120 SiC. Температура 2 45-50 °C, рН 4,5, густина струму 30 А/дм . Вміст силіцій карбіду близько 15 % (об.), [Пат. 3891542 США, МКИ C25D 15/00. Method for insuring high silicon carbide content in elnisil eatings/ Leonard G Cordone; William A. Donakowski; John R. Morgan; Karl Roemming; Ford Motor Company. - № 413155; Заяв.05.11.73; Опубл. 24.06.75]. Недоліками цього електроліту для отримання товстих композиційних покриттів на основі нікелю є вузькі робочі інтервали температури та рН електроліту. При температурі розчину вище 55 °C відбувається гідроліз сульфамат-іона із утворенням амонію та сульфату, що призводить до забруднення розчину і погіршення якості покриттів. Швидкість гідролізу підвищується при зростанні температури та кислотності електроліту. [Справочник по гальванопокрытиям в машиностроении / П.С. Мельников. - М.: Машиностроение, 1979. - 296 с]. Відомий електроліт для нанесення композиційних покриттів на основі нікелю з дисперсною фазою різного фракційного складу, що містить (г/л): 300 NiSO4•7H2O; 35 NiCl2; 40 Н3ВО3; 20 SiC 2 Температура 50 °C, рН 4,5, густина струму 5 А/дм . [Pavlatou E.A. Hardening effect induced by incorporation of SiC particles in nickel electrodeposits/ Pavlatou E.A., Stroumbouli M., Gyftou P. and Spyrellis N. // Journal of Applied Electrochemistry-2006. - т. 36 - С. 385-394]. Як дисперсну фазу використано частинки силіцій карбіду розміром 1 мкм та 20 нм. Показано, що мікротвердість композиційних покриттів нікель-силіцій карбід вища в разі використання нанорозмірних частинок дисперсної фази, що пов'язано із збільшенням інкорпорованих частинок дисперсної фази у композиційне покриття. Підвищення мікротвердості композиційних покриттів обумовлено змінами в структурі кристалічної решітки нікелевої матриці та зменшенням розмірів зерен осадів, які викликані модифікуванням складу покриттів неметалевою фазою. Недоліками цього електроліту для отримання композиційних покриттів на основі нікелю є низьке значення робочої густини струму та недостатньо висока мікротвердість одержуваних покриттів. Найбільш близьким до винаходу, що пропонується, по технічній суті і результату, що досягається, є електроліт для нанесення нанокомпозиційних покриттів на основі нікелю [Huang J. М. Electroplating of Ni-ZrO2 nanocomposite coatings on 40CrNiMo7 alloy / J. M. Huang, Y. Li, G. F. Zhang, X. D. Hou and D. W. Deng // Surface Engineering-2013. - т. 29 - С. 194-199], до складу якого входить (г/л): 240 NiSO4•7H2O; 45 NiCl2; 40 Н3ВО3; 4-30 ZrO2 (40 нм), в якому наноситься 2 композиційне нікель-цирконію діоксид при катодній густині струму 1 А/дм , температура 50 °C, рН 4,5 (прототип). Вміст ZrO2 в осадах, одержаних з електроліту-прототипу складає 22-42 % (мас). До недоліків прототипу потрібно віднести вузький діапазон густин струму електроосадження, низьку агрегативну стійкість нанопорошку цирконію діоксиду і недостатньо високу мікротвердість покриттів при значному вмісті ZrO2 в осадах. В основу винаходу поставлена задача удосконалення електроліту для нанесення нанокомпозиційних покриттів на основі нікелю з високими значеннями мікротвердості у широкому діапазоні густин струму, шляхом збільшення вмісту часток неметалевої фази в покриттях, яке пов'язано із підвищенням агрегативної стійкості наночастинок цирконію діоксиду у електроліті, та зміни структури і морфології осадів нікель-цирконію діоксид, внаслідок підвищення рН триелектродного шару в процесі електролізу, при нанесенні нанокомпозиційних покриттів із метилсульфонатного електроліту. Поставлена задача вирішується тим, що відомий електроліт для електрохімічного нанесення нанокомпозиційних покриттів нікель-цирконію діоксид, який включає борну кислоту, цирконію діоксид, іони нікелю, згідно з винаходом, як джерело цих іонів містить нікелеву сіль 1 UA 109761 C2 5 10 15 20 25 30 35 метансульфонової кислоти та додатково містить натрію хлорид у наступному співвідношенні компонентів, г/л: нікелю метилсульфонат 200,00-400,00 натрію хлорид 10,00-30,00 кислота борна 25,00-45,00 цирконію діоксид (31 нм) 2,00-20,00. Процес нанесення нанокомпозиту нікель-цирконію діоксид із вмістом цирконію діоксиду 52 15 % (мас.) здійснюють при температурі 50-60 °C при густині струму 0,5-10 А/дм , при рН 2-4, при перемішуванні. Електроліт готують розчиненням у воді компонентів і потім додають нанопорошок цирконію діоксиду фракцією 31 нм і протягом 30 хвилин проводять ультразвукову обробку розчину. Наводимо приклади конкретного використання пропонованого винаходу. Приклад 1 При приготуванні електроліту беруть 45 г/л борної кислоти і розчинюють у воді при температурі 70 °C. Потім в цьому розчині розчиняють 30 г/л натрію хлориду. Потім додають 400 г/л нікелю метилсульфонату. Потім додають 20 г/л цирконію діоксиду. Температура електролізу 60 °C, рН3. Приклад 2 При приготуванні електроліту беруть 25 г/л борної кислоти і розчинюють у воді при температурі 70 °C. Потім в цьому розчині розчиняють 10 г/л натрію хлориду. Потім додають 200 г/л нікелю метилсульфонату. Потім додають 2 г/л цирконію діоксиду. Температура електролізу 50 °C, рН2. Приклад 3 При приготуванні електроліту беруть 35 г/л борної кислоти і розчинюють у воді при температурі 70 °C. Потім в цьому розчині розчиняють 20 г/л натрію хлориду. Потім додають 300 г/л нікелю метилсульфонату. Потім додають 10 г/л цирконію діоксиду. Температура електролізу 55 °C, рН4. Приклад 4 При приготуванні електроліту беруть 30 г/л борної кислоти і розчинюють у воді при температурі 70 °C. Потім в цьому розчині розчиняють 25 г/л натрію хлориду. Потім додають 300 г/л нікелю метилсульфонату. Потім додають 15 г/л цирконію діоксиду. Температура електролізу 50 °C, рН3. Приклад 5 При приготуванні електроліту беруть 40 г/л борної кислоти і розчинюють у воді при температурі 70 °C. Потім в цьому розчині розчиняють 18 г/л натрію хлориду. Потім додають 300 г/л нікелю метилсульфонату. Потім додають 5 г/л цирконію діоксиду. Температура електролізу 60 °C, рН4. Порівняльна характеристика мікротвердості нанокомпозиційних покриттів нікель-цирконію діоксид, одержаних із електролітів прикладів 1-5, та прототипу наведена у таблиці. Таблиця Мікротвердість нанокомпозиційних покриттів нікель-цирконію діоксид за різних густин струму Електроліт для електроосадження нанокомпозиційних покриттів нікельцирконію діоксид Прототип Приклад 1 Приклад 2 Приклад 3 Приклад 4 Приклад 5 40 Мікротвердість нанокомпозиційних покриттів нікель2 цирконію діоксид, кг/мм 2 густина струму, А/дм 0,5 1 3 5 7 250 240 260 270 260 280 290 300 320 330 270 260 275 280 295 275 280 290 300 310 280 295 305 300 320 275 280 290 290 305 Запропоновані електроліти дозволяють одержувати нанокомпозиційні покриття нікельцирконію діоксид із мікротвердістю покриття, до 20 % вищою, ніж у покриттів, одержуваних із електроліту-прототипу при меншому масовому вмісті ZrO2 в осадах. Крім того покриття, отримані із електролітів, що описані у прикладах 1-5, на відміну від прототипу мають високу 2 мікротвердість у широкому діапазоні густин струму (0,5-7 А/дм ). 2 UA 109761 C2 Даний винахід може бути використаний для електроосадження нанокомпозиційних покриттів нікель-цирконію діоксид із високою мікротвердістю на поверхні деталей, які зазнають високих ударних навантажень, наприклад ротори генераторів, вали турбін, водні шасі, кожухи ракетних та реактивних двигунів. 5 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 10 Електроліт для електрохімічного нанесення нанокомпозиційних покриттів нікель-цирконію діоксид, який включає борну кислоту, цирконію діоксид, іони нікелю, який відрізняється тим, що як джерело цих іонів містить нікелеву сіль метансульфонової кислоти та додатково містить натрію хлорид у наступному співвідношенні компонентів, г/л: нікелю метилсульфонат 200,00-400,00 натрію хлорид 10,00-30,00 кислота борна 25,00-45,00 цирконію діоксид (31 нм) 2,00-20,00. Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3