CZ2017520A3

CZ2017520A3 - Způsob vytvoření kompozitní vrstvy na povrchu materiálu a kompozitní vrstva

Info

Publication number: CZ2017520A3
Application number: CZ2017-520A
Authority: CZ
Inventors: Dana Benešová; Jan Kudláček; Petr Drašnar; Michal Pakosta
Original assignee: ÄŚeskĂ© vysokĂ© uÄŤenĂ technickĂ© v Praze
Priority date: 2017-09-07
Filing date: 2017-09-07
Publication date: 2019-01-02
Also published as: CZ307604B6

Abstract

Vynález se týká způsobu vytvoření kompozitní vrstvy na povrchu materiálu, při kterém se materiál, při kterém se materiál vloží do niklovací lázně, do které se rozptýlí disperzní částice syntetického jílu v koncentraci 8 až 20 g.la případně i leskutvorné přísady, načež se do lázně vloží materiál určený pro opatření povlakem a provede se elektrolytické pokovení při vylučovací rychlosti 0,3 až 0,6 µm.min, při teplotě lázně 55 až 65 °C a pH lázně 2,5 až 2,7. Niklovací lázeň obsahuje Ni v koncentraci 70 až 90 g.la fosfor v koncentraci 20 až 30 g.l, a elektrolytické pokovení se provede při napětí 1 až 10 V a proudové hustotě 0,2 až 1 A.dm, čímž se vytvoří kompozitní povlak tvořený slitinovou matricí NiP a disperzním částicemi syntetického jílu. Kompozitní povrchová úprava na bázi NiP s nízkým koeficientem tření splňuje zároveň obvyklé průmyslové požadavky na protikorozní odolnost a zásady ekologické šetrnosti. Tato technologie zajišťuje zvýšení životnosti konstrukčních dílů, snížení tloušťky povrchové úpravy. Vynález se také týká kompozitní vrstvy.

Description

Oblast techniky

Vynález se týká oblasti povrchových úprav, zejména elektrolyticky vyloučených kovových povlaků, způsobu vytvoření kompozitní vrstvy na bázi niklu s vysokou odolností proti opotřebení a této kompozitní vrstvy.

Dosavadní stav techniky

Vlastnosti jednosložkových povlaků nesplňují vždy všechny náročné požadavky kladené na vlastnosti povrchů. Navíc v rámci ekologického uvědomování sílí tlaky na omezení používání některých kovů v blízké budoucnosti. Proto jeden z hlavních směrů rozvoje povrchových úprav je obecně orientován na nové vícesložkové povlaky. U kovových povlaků je vývoj směrován kromě slitinových povlaků i na povlaky kompozitní a to jak u klasických technologií, tak i u řady nových způsobů a technologií pokovení, resp. povlaků. U nejčastěji aplikovaných technologií pokovení ve strojírenství, u galvanického pokovení, jsou tyto směry rozvíjeny u ochranných povlaků nej častěji na bázi zinku a v oblasti funkčních povlaků pak na bázi niklu. Galvanické technologie jsou zatím stále pro strojírenskou výrobu technicky i ekonomicky nej dostupnější. Navíc pro svoji přesnost, resp. tolerance, nejvíce vyhovují strojírenské praxi.

Využitím zcela nových vlastností povlaků, respektive jejich kombinacemi a rozdílnými způsoby zhotovení, i možností tepelného zpracování u slitinových povlaků, vznikají široké možnosti jejich aplikací. Uplatnění funkčních povlaků je však podmíněno použitím vhodných materiálů, ověřováním nových technologických postupů a sledováním výsledných vlastností povlaků. Např. při požadavku na kombinaci vlastností s nízkým koeficientem tření je možno vylepšit původní vlastnosti systému zpravidla použitím speciálních kluzných vrstev.

V oblasti využití slitinových kompozitních povlaků lze nalézt zástupce z řady Ni-PTFE, resp. NiP-PTFE, povlaků. Jedná se o chemicky nanášený povlak niklu obsahující částice PTFE. Obsah PTFE částic v lázni pro chemické nanášení povlaku se mění v závislosti na požadavcích na výsledné vlastnosti povlaku. Povrchová úprava realizovaná pomocí takového povlaku má ve srovnání s chemicky nanášeným Ni povlakem lepší kluzné vlastnosti, lepší odolnost proti otěru, nízký koeficient tření a dobrou korozní odolnost. Povlaky na bázi niklu chrání ocel bariérově, protože základní materiál, např. ocel, je méně ušlechtilý než povlak, tudíž hrozí vyšší riziko napadení bodovou korozí, případně podkorodování povlaku a následné a odlupování povlaku. Což jsou hlavní nevýhody dosavadního stavu techniky.

Z diplomové práce Bc. M. Chvojky (http://hdl.handle.net/10467/63617) a bakalářské práce P. Tesarikové (http://hdl.handle.net/10467/66037) jsou známé některé typy NiP-XLS povlaků, které se odlišují konkrétními podmínkami vytváření a také konkrétními vlastnostmi.

Cílem vynálezu proto je odstranit nebo alespoň minimalizovat nevýhody dosavadního stavu techniky, zejména nalézt vylepšený způsob vytvoření NiP-XLS povlaků a typ NiP-XLS povlaku.

Podstata vynálezu

Cíle vynálezu je dosaženo způsobem vytvoření kompozitní povrchové úpravy na povrchu materiálu elektrolytickým nanášením v niklovací lázni, do které se rozptýlí disperzní částice syntetického jílu v koncentraci 8 až 20 g.l¹ a případně i leskutvomé přísady, načež se do lázně vloží materiál určený pro opatření povlakem a provede se elektrolytické pokovení při vylučovací rychlosti 0,3 až 0,6 pminin¹, při teplotě lázně 55 až 65 °C a pH lázně 2,5 až 2,7, přičemž

- 1 CZ 2017 - 520 A3 podstata vynálezu spočívá v tom, že niklovací lázeň obsahuje Ni v koncentraci 70 až 90 g.l'¹ a fosfor v koncentraci 20 až 30 g.l¹, elektrolytické pokovení se provede při napětí 1 až 10 V a proudové hustotě 0,2 až 1 A.dm ², čímž se vytvoří kompozitní povlak tvořený slitinovou matricí NiP a disperzními částicemi syntetického jílu.

Výsledkem tohoto způsobu povlakování je kompozitní povlak tvořený slitinovou matricí NiP a disperzními částicemi syntetického jílu XLS . Vzniká povlak typu nikl-fosfor-syntetický jíl (zkráceně NiP-XLS), který je využitelný jak pro stykové plochy části strojů, či další funkční plochy. Vynález je založen na zcela nové a odlišné filozofii, jejímž výsledkem je dostatečná antikorozivnost povlaku při významně zvýšené odolnosti proti opotřebení, to při významném snížení koeficientu tření, a to vše při ekologicky přijatelném typu ochranného systému. Vytvořený kompozitní povlak má typické složení: niklu 82,17 % hmotn. niklu, 10,28 % hmotn. fosforu, 1,72% hmotn. sodíku, 1,98% hmotn. hořčíku a 2,39% hmotn. křemíku ve spektrogramu chemického složení povlaku. Zbylá necelá dvě procenta typicky tvoří stopová množství chrómu, železa a vanadu.

Podstata kompozitní povrchové vrstvy vytvořené elektrolytickým nanášením v niklovací lázni spočívá vtom, že slitinová matrice NiP s disperzními částicemi syntetického jílu obsahuje ve spektrogramu chemického složení povlaku složení 82,17 % hmotn. niklu, 10,28 % hmotn. fosforu, 1,72 % hmotn. sodíku, 1,98 % hmotn. hořčíku, 2,39 % hmotn. křemíku a stopová množství chrómu železa a vanadu.

Příklady uskutečnění vynálezu

Vynález bude popsán na příkladech vytvoření povlaků na povrchu chráněného materiálu, např. oceli, technologií elektrolytického nanášení, při které se materiál určený k ochraně vloží do elektrolytické niklovací lázně s přídavkem disperzních částic syntetického jílu (XLS), přičemž disperzní částice syntetického jílu jsou v lázni rozmíchávány, např. pomocí ultrazvuku, a pokovení materiálu probíhá při vylučovací rychlosti 0,3 až 0,6 pm.min¹. Tímto se na povrchu materiálu určeného k ochraně vytvoří kompozitní vrstva NiP-XLS.

Elektrolytické nanášení se provádí ideálně závěsovým elektrolytickým niklováním, při kterém se materiál určený k pokovení zavěsí do niklovací lázně, nebo se provádí procesem lokálního elektrolytického pokovení, tampónování, pokud je potřeba vytvořit povlak cíleně jen na části povrchu materiálu určeného k pokovení.

Způsob je možno provádět při různých obsazích jednotlivých složek v niklovací lázni a při různých podmínkách, přičemž rozsahy jednotlivých obsahů a podmínek uvádí následující tabulka.

Povlak podle vynálezu se příkladně vytvoří tak, že se připraví niklovací lázeň obsahující Ni v koncentraci 70 až 90 g.l'¹, s výhodou 80 g.l'¹, a dále obsahující fosfor v koncentraci 20 až 30 g.l¹, s výhodou 25 g.l'¹, a dále obsahující disperzní částice ve formě syntetického jílu v koncentraci 8 až 20 g.l'¹, s výhodou nanočástice syntetického jílu XLS s mezními rozměry pod 100 nm. Niklovací lázeň se míchá, např. ultrazvukem, aby došlo k rovnoměrnému rozptýlení disperzních částic syntetického jílu v objemu lázně. Do niklovací lázně se dále mohou přidat např. leskutvomé přísady pro lepší vzhledové vlastnosti vytvořeného povlaku atd.

Do takto připravené niklovací lázně se vloží materiál určený k ochraně a spustí se proces elektrolytického nanášení, při kterém při napětí 1 až 6 V, proudové hustotě 0,2 až 1 A.dm², teplotě lázně 55 až 65 °C a pH lázně 2,5 až 2,7, probíhá pokovení vloženého materiálu povlakem NiP-XLS při vylučovací rychlosti 0,3 až 0,6 pm.min¹. Takto připravený povlak obsahuje ve spektrogramu chemického složení povlaku nikl 82,17 % hmotn., fosfor 10,28 % hmotn., sodík 1,72 % hmotn., hořčík 1,98 % hmotn. a křemík 2,39 % hmotn. a tloušťka povlaku je do 20 pm.

-2CZ 2017 - 520 A3

Kompozitní povlak vzniká procesem závěsového elektrolytického niklování nebo procesem lokálního pokovení, tzv. tamponováním, nebo procesem hromadného (bubnového) elektrolytického niklování.

Disperzní částice syntetického jílu jsou ve výhodném provedení tvořeny nanozmy syntetického jílu ve tvaru destiček o rozměrech 25 nm x 0,92 nm.

Jak je běžně známo z technologie elektrolytického nanášení povlaků, je potřeba, aby materiál určený pro povlakování byl před vložením do lázně řádně upraven pro elektrolytické nanášení povlaků, např. tedy je materiál určený pro povlakování chemicky odmaštěn, opláchnut, namořen, elektrolyticky odmaštěn, dekapován (aktivován) atd. Stejně tak je z technologie elektrolytického nanášení povlaků zřejmé, že po provedení pokovení je potřeba materiál a na něm vytvořený povlak opláchnout a usušit.

Průmyslová využitelnost

Vynález je využitelný zejména pro ochranu stykových ploch částí strojů, či dalších funkčních ploch.

Claims

1. Způsob vytvoření kompozitní vrstvy na povrchu materiálu elektrolytickým nanášením v niklovací lázni, do které se rozptýlí disperzní částice syntetického jílu v koncentraci 8 až 20 g.l¹ a případně i leskutvomé přísady, načež se do lázně vloží materiál určený pro opatření povlakem a provede se elektrolytické pokovení při vylučovací rychlosti 0,3 až 0,6 pmimn'¹, při teplotě lázně 55 až 65 °C a pH lázně 2,5 až 2,7, vyznačující se tím, že niklovací lázeň obsahuje Ni v koncentraci 70 až 90 g.l'¹ a fosfor v koncentraci 20 až 30 g.l'¹, a elektrolytické pokovení se provede při napětí 1 až 10 V a proudové hustotě 0,2 až 1 A.dm ², čímž se vytvoří kompozitní povlak tvořený slitinovou matricí NiP a disperzními částicemi syntetického jílu.

2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že disperzní částice syntetického jílu jsou tvořeny nanozmy s rozměrem pod 100 nm.

-3 CZ 2017 - 520 A3

8. Kompozitní povrchová vrstva podle nároku 7, vyznačující se tím, že disperzní částice syntetického jílu jsou tvořeny nanozmy s rozměrem pod 100 nm.

3. Způsob podle nároku 2, vyznačující se tím, že nanozma syntetického jílu mají tvar destiček o rozměrech 25 nm x 0,92 nm.

4. Způsob podle kteréhokoli z předchozích nároků, vyznačující se tím, že elektrolytické pokovení se provede procesem závěsového elektrolytického niklování.

5. Způsob podle kteréhokoli z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že elektrolytické pokovení se provede procesem lokálního pokovení, tzv. tamponováním.

6. Způsob podle kteréhokoli z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že elektrolytické pokovení se provede procesem hromadného elektrolytického niklování.

7. Kompozitní povrchová vrstva vytvořená elektrolytickým nanášením v niklovací lázni podle některého z předchozích nároků, tvořená matricí NiP s disperzními částicemi syntetického jílu, vyznačující se tím, že slitinová matrice NiP s disperzními částicemi syntetického jílu obsahuje ve spektrogramu chemického složení povlaku složení 82,17 % hmotn. niklu, 10,28 % hmotn. fosforu, 1,72 % hmotn. sodíku, 1,98 % hmotn. hořčíku, 2,39 % hmotn. křemíku a stopová množství chrómu, železa a vanadu.

5 9. Kompozitní povrchová vrstva podle nároku 8, vyznačující se tím, že nanozma syntetického jílu mají tvar destiček o rozměrech 25 nm x 0,92 nm.