PL214615B1 - Nanostrukturalna powłoka kompozytowa odporna na zużycie ścierne i korozję - Google Patents

Description

(21) Numer zgłoszenia: 390003 (51) Int.Cl.

C25D 3/12 (2006.01) C25D 15/00 (2006.01)

Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: 22.12.2009 (54) Nanostrukturalna powłoka kompozytowa odporna na zużycie ścierne i korozję

	(73) Uprawniony z patentu:
	INSTYTUT MECHANIKI PRECYZYJNEJ,
(43) Zgłoszenie ogłoszono:	Warszawa, PL
04.07.2011 BUP 14/11	(72) Twórca(y) wynalazku:
	BENIGNA SZEPTYCKA, Warszawa, PL
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono:
30.08.2013 WUP 08/13	(74) Pełnomocnik:
	rzecz. pat. Lech Foremski

PL 214 615 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest nanostrukturalna powłoka kompozytowa odporna na zużycie ścierne i korozję przeznaczona na powierzchnie wyrobów metalowych i niemetalowych.

Znane kąpiele do elektroosadzania kompozytowych powłok niklowych zawierają w roztworze wodnym sole niklu(II), sole przewodzące, związki buforujące, przeciwnaprężeniowe i zwilżające oraz cząstki ceramiczne takie jak węgliki krzemu, boru, wolframu, tlenki glinu, tytanu, krzemu, azotki boru.

Znana jest z opisu patentowego Stanów Zjednoczonych Ameryki Północnej nr 5660704 metoda osadzania niehomogenicznych powłok kompozytowych Ni-SiC, w której podkreśla się, że dzięki mniejszej zawartości SiC w powłoce osadzanej na powierzchni detalu osiąga się lepszą adhezję a dzięki wzrostowi zawartości SiC w górnej warstwie podwyższa się właściwości tribologiczne.

Znana jest z opisu patentowego Stanów Zjednoczonych Ameryki Północnej nr 5647967 metoda elektroosadzania powłok Ni-SiC o zawartości 2,5% wagowych SiC w powłoce z kąpieli niklowej zawierającej jony sodu w ilości 2 do 3,5 g na litr kąpieli i jony fosforu w ilości takiej, że w powłoce jego zawartość będzie pomiędzy 0,5 a 1% wagowo. Takie powłoki kompozytowe mają dobrą przyczepność, dużą mikrotwardość pomiędzy 554 a 724 HV0,1 i chropowatość R_z pomiędzy 7,5 a 50 μm.

Znana jest z polskiego opisu patentowego nr 202435 chemicznie nakładana niklowa powłoka kompozytowa o właściwościach przeciwzużyciowych zawierająca jako osnowę pierwiastki niklu i fosforu z wbudowanymi w nią cząstkami tlenku glinu o rozmiarach od 2 nm do 4 nm, odznaczająca się dwukrotnie lepszymi właściwościami przeciwzużyciowymi w porównaniu ze znaną ww chemiczną powłoką bez tlenku glinu.

Znane są też, na przykład z opisu patentowego JP2040059A, JP52088549A czy opisu patentowego DE 3545826 A1 powłoki zawierające w osnowie niklowej rozproszone cząstki super twarde takie jak węgliki metali, węgliki boru lub krzemu, czy też azotki krzemu, boru lub glinu, przy czym ich zawartość w powłoce wynosi powyżej 3% a nawet do 35%. Rozmiary cząstek super twardych w tych powłokach wynoszą co najmniej 2 μm i więcej nawet do 20 μm. Sama zawartość tych cząstek super twardych w osnowie niklowej wpływa na wzrost ich odporności na zużycie ścierne ale nie ma istotnego wpływu na wzrost odporności powłoki na korozję.

Celem wynalazku było opracowanie galwanicznej powłoki kompozytowej o istotnie większej odporności na zużycie ścierne oraz na korozję niż znane niklowe powłoki kompozytowe i ekonomicznej bo nie wymagającej dalszego ulepszania poprzez wygrzewanie lub osadzanie następnych warstw.

Istota powłoki według wynalazku zawierającej w osnowie niklowej takie cząstki super twarde jak węgliki, azotki lub tlenki wolframu i/lub molibdenu, i/lub boru, i/lub glinu, i/lub tytanu i/lub krzemu, i/lub cyrkonu, i/lub pierwiastki z grupy chromowców korzystnie molibden, i/lub wolfram, i/lub takie pierwiastki jak bor, i/lub krzem, i/lub super twarde cząstki szklane o rozmiarach od 20 nm do 50 μm, polega na tym, że zawartość wymienionych cząstek super twardych w powłoce wynosi od 0,3 do 1,2%wag. a jako resztę powłoka zawiera osnowę niklową o rozmiarach krystalitów od 10 do 60 nm i udziale orientacji preferowanej P111 w powłoce w zakresie od 0,5 do 2,5.

Okazało się, że znaczny wzrost odporności na zużycie ścierne powłoki kompozytowej można uzyskać poprzez zmniejszenie rozmiarów krystalitów niklu w osnowie niklowej, dzięki czemu wzrasta mikrotwardość powłoki nawet do 8 GPa. Okazało się również, że powłoki kompozytowe mają największą odporność na korozję tylko w pewnym przedziale zawartości wbudowanych cząstek dyspersyjnych. Znaczące podwyższenie odporności powłoki na zużycie ścierne i korozję uzyskano dzięki zawartości wbudowanych super twardych cząstek dyspersyjnych i wytworzenie osnowy niklowej, która będzie miała rozmiary krystalitów oraz przy orientacji preferowanej P111 powłok w wyżej wymienionych zakresach.

Przedmiot wynalazku uwidoczniono bliżej w poniższych przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia zależność wzrostu mikrotwardości HV powłok Ni-SiC i Ni-B od rozmiarów D krystalitów niklu, fig. 2 - zależność między odpornością P powłok Ni-SiC i Ni-B na korozję a zawartością Cp w tych powłokach cząstek dyspersyjnych a fig.3 - zależność między odpornością P na korozję powłoki Ni-SiC a rozmiarami D krystalitów osnowy niklowej i udziałem orientacji preferowanej P111 w osadzanej powłoce kompozytowej.

P r z y k ł a d I.

Powłokę kompozytową Ni-SiC odporną na zużycie ścierne i korozyjne wytworzono metodą elektrolityczną na podłożu ze stali 40H. Proces otrzymywania powłoki kompozytowej Ni-SiC polegał na wytworzeniu dyspersji cząstek węglika krzemu SiC o rozmiarach 1 μm i dodaniu jej do kąpieli niklowej

PL 214 615 B1 w ilości 10 g/l kąpieli. Po 0,5-godzinnym mieszaniu galwanicznie nałożono powłokę kompozytową na odtłuszczone i zdekapowane podłoże stalowe. Szybkość osadzania powłoki wynosiła 0,8 μm na minu₂ tę przy gęstości prądu 4 A/dm². Zawartość Cp wbudowanych cząstek SiC wynosiła 1,0% wagowych. Grubość osadzonej warstwy wynosiła 30 μm. Wytworzona powłoka Ni-SiC miała rozmiary D krystalitów niklu 17,6 nm, mikrotwardość HV - 7,1 GPa oraz preferowaną orientację P111 - 1,48. Zużycie wagowe tej powłoki w procesie tarcia ślizgowego ze smarowaniem wynosiło po 3 godzinach 0,00095 g, podczas gdy powłoka niklowa osadzona z roztworu kąpieli bez cząstek dyspersyjnych o rozmiarach krystalitów niklu 20,4 nm, mikrotwardości HV - 6,9 GPa i orientacji preferowanej P111 - 1,15 miała zużycie w tych samych warunkach 0,0045 g. Otrzymana powłoka kompozytowa według wynalazku miała więc prawie pięciokrotnie większą odporność na zużycie ścierne w porównaniu z powłoką niklową. Odporność korozyjna powłoki Ni-SiC w roztworze chlorku sodu o stężeniu 0,5 M była o 81% większa od odporności powłoki niklowej.

P r z y k ł a d II.

Wytwarzanie powłoki Ni-B przeprowadzono w podobny sposób jak powłoki Ni-SiC z tym, że do kąpieli dodano dyspersję cząsteczek boru o rozmiarach 0,34 μm w ilości 5 g/l kąpieli. Zawartość C_p wbudowanych cząstek boru wynosiła 0,5% wagowych. Grubość osadzonej powłoki wyniosła 30 μm. Wytworzona znanym sposobem powłoka miała rozmiary D krystalitów niklu 19,9 nm, mikrotwardość HV - 7,1 GPa i orientację preferowaną P111 - 1,42. W warunkach tarcia ślizgowego ze smarowaniem wytworzona powłoka Ni-B miała pięciokrotnie mniejsze zużycie w porównaniu z powłoką niklową. Odporność korozyjna powłoki Ni-B w roztworze chlorku sodu o stężeniu 0,5 M była o 80% większa od odporności powłoki niklowej.

Odporność powłoki na korozję P jako procentowe zmniejszenie szybkości korozji powłoki kompozytowej wyliczano z zależności:

P ₌ Oęor^O-Ocor _χθθ

Ocor.O gdzie:

rkor,0 z- szybkość korozji powłoki niklowej [mm/rok], rkor - szybkość korozji powłoki kompozytowej [mm/rok].

Wzrost mikrotwardości HV powłok Ni-SiC oraz Ni-B od rozmiarów D krystalitów niklu wyliczano z równania regresji nieliniowej:

a

HV= —

Fd

Odporność P powłoki na korozję wyliczano z równania regresji wielokrotnej:

P= aP111 + bD gdzie:

D - przeciętny rozmiar krystalitów niklu w powłoce kompozytowej, a, b - współczynniki regresji,

P111 - orientacja preferowana powłoki w kierunku 111.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   Nanostrukturalna powłoka kompozytowa odporna na zużycie ścierne i korozję zawierająca w osnowie niklowej jako składniki o dużej odporności na zużycie ścierne takie cząstki super twarde jak węgliki, azotki lub tlenki wolframu i/lub molibdenu, i/lub boru, i/lub glinu, i/lub tytanu i/lub krzemu, i/lub cyrkonu, i/lub pierwiastki z grupy chromowców korzystnie molibden, i/lub wolfram, i/lub takie pierwiastki jak bor, i/lub krzem, i/lub super twarde cząstki szklane o rozmiarach od 20 nm do 50 μm, znamienna tym, że zawartość wymienionych cząstek super twardych w powłoce wynosi od 0,3 do 1,2% wag. a jako resztę powłoka zawiera osnowę niklową o rozmiarach krystalitów od 10 do 60 nm i udziale orientacji preferowanej P111 w powłoce w zakresie od 0,5 do 2,5.