RU2818200C1 - Способ получения покрытия кобальт-карбид вольфрама с использованием импульсного режима электролиза - Google Patents

Способ получения покрытия кобальт-карбид вольфрама с использованием импульсного режима электролиза Download PDF

Info

Publication number
RU2818200C1
RU2818200C1 RU2023130558A RU2023130558A RU2818200C1 RU 2818200 C1 RU2818200 C1 RU 2818200C1 RU 2023130558 A RU2023130558 A RU 2023130558A RU 2023130558 A RU2023130558 A RU 2023130558A RU 2818200 C1 RU2818200 C1 RU 2818200C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
cobalt
coating
coatings
electrolyte
temperature
Prior art date
Application number
RU2023130558A
Other languages
English (en)
Inventor
Сергей Юрьевич Киреев
Софья Руслановна Синенкова
Светлана Николаевна Киреева
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пензенский государственный университет" (ФГБОУ ВО "ПГУ")
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пензенский государственный университет" (ФГБОУ ВО "ПГУ") filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пензенский государственный университет" (ФГБОУ ВО "ПГУ")
Application granted granted Critical
Publication of RU2818200C1 publication Critical patent/RU2818200C1/ru

Links

Abstract

Изобретение относится к области гальваностегии, в частности к получению покрытий кобальт-карбид вольфрама, используемых для придания поверхности деталей и оснастки высокой твердости и износостойкости. Способ включает приготовление электролита и осаждение покрытия Co-WC с использованием растворимых или нерастворимых анодов. Электролит содержит гексагидрат хлорида кобальта (II) 35-40 г/л, хлорид аммония 100-150 г/л, уротропин 45-55 г/л, порошок WC 5-20 г/л. Осаждение проводят при рН = 6,5-6,8, температуре 18-25°С, перемешивании электролита магнитной мешалкой со скоростью 300-600 об/мин и с использованием униполярного гальваностатического режима импульсного тока при плотности тока в импульсе 7-10 А/дм2, длительности импульса 10 мс, скважности тока 2. Техническим результатом является получение твердых, износостойких композиционных электрохимических покрытий Co-WC при температуре 18-25°С, обладающих высокой адгезионной прочностью. 7 пр.

Description

Изобретение относится к области гальваностегии. Покрытия кобальт-карбид вольфрама используются для придания поверхности деталей и оснастки высокой твердости и износостойкости.
Для повышения поверхностной твердости и износостойкости часто используют покрытия хромом. Данные покрытия обладают высокой адгезионной прочностью, твердостью, износостойкостью и надежно защищают изделия из стали от коррозии [1]. Однако высокая агрессивность к большинству конструкционных материалов и экологическая опасность, а также токсичность для живых организмов соединений шестивалентного хрома инициируют работы по поиску альтернативы хромовым покрытиям [2, 3].
Наиболее перспективными для замены гальванических покрытий хромом являются композиционные покрытия, в которых дисперсной фазой являются ультрадисперсные алмазы, карбиды металлов, включенные в металлическую матрицу, которая хорошо смачивает частицы дисперсной фазы и обладает высокой адгезионной прочностью к поверхности материала-основы.
Для формирования на стали композиционного электрохимического покрытия Ni-WC предлагается следующий состав электролита: гексагидрат сульфата никеля 250 г/л , гексагидрат хлорида никеля 35 г/л, борная кислота 40 г/л. Добавление дисперсной фазы в виде частиц порошка карбида вольфрама 2 г/л. Электроосаждение ведут при плотности тока 20 А/дм2, температуре 50°С, активном перемешивании магнитной мешалкой со скоростью 300 об/мин [4]. Высокая токсичность никеля и его способность вызывать аллергию при контакте с кожей являются сдерживающими факторами для широкого распространения. Смачиваемость частиц WC никелем ниже, чем кобальтом.
Для нанесения покрытия Ni-Co-WC предлагается электролит следующего состава: гексагидрат сульфата никеля 250 г/л, гексагидрат хлорида кобальта 16 г/л, борная кислота 32 г/л. Добавление дисперсной фазы в виде частиц порошка карбида вольфрама 2...8 г/л. Электроосаждение ведут при плотности тока 50 А/дм2, температуре 50°С, активном перемешивании магнитной мешалкой со скоростью 300 об/мин [5]. Смачиваемость частиц WC сплавом Ni-Co значительно выше, чем никелем. Недостатками данного способа являются: высокая токсичность и аллергенность никеля, а также трудности промышленной реализации данной технологии, связанные с анализом и корректировкой состава электролита для формирования трехкомпонентного покрытия.
Покрытие Ni-WC также получают способом лазерного нанесения. Используется технология лазерной наплавки с помощью лазера мощностью 1700 Вт, диаметр пятна лазера 3 мм, скорость сканирования составила 100 мм/мин [6]. Данная технология является более дорогой по сравнению с гальваническим осаждением и не подходит для обработки больших деталей сложной геометрической формы.
Учитывая лучшую смачиваемость частиц WC кобальтом, меньшую токсичность кобальта по сравнению с никелем, международные ограничения применения никеля в качестве покрытий (Директива Европейского Сообщества 76/769/ЕЕС), более высокую твердость покрытий Co-WC по сравнению с покрытиями Ni-WC, наиболее перспективным является использование кобальта в качестве металлической матрицы для композиционных электрохимических покрытий, обеспечивающих высокую поверхностную твердость и износостойкость.
Из применяемых в настоящее время электролитов наиболее близким по составу и технологическим характеристикам является электролит, имеющий следующий состав: гексагидрат хлорида кобальта (II) 35...40 г/л, хлорид аммония 100...150 г/л, уротропин 45...55 г/л, порошок WC – 5-20 г/л, рН = 6,5…6,8. Процесс электроосаждения проводят при перемешивании магнитной мешалкой со скоростью 300…600 об/мин, плотности тока 3,5…4,5 А/дм2 и температуре 18...25°С, скорость осаждения 115…145 мкм/час. Уротропин улучшает смачиваемость поверхности детали с покрытием и подавляет кислотную коррозию металлов. [7].
Покрытия, полученные из данного состава электролита, являются твердыми (до 5,315 ГПа), износостойкими и полублестящими только при температуре 50°С. Также недостатком данного метода является значительная зависимость состава покрытия и, следовательно, его свойств, от состава электролита и режима электролиза.
Техническим результатом предлагаемого способа является получение твердых, износостойких композиционных электрохимических покрытий
Co-WC при температуре 18…25°С, обладающих высокой адгезионной прочностью.
Это достигается тем, что осаждение ведется из электролита следующего состава: гексагидрат хлорида кобальта (II) 35...40 г/л, хлорид аммония 100...150 г/л, уротропин 45...55 г/л, порошок WC – 5-20 г/л, рН = 6,5…6,8. Процесс электроосаждения проводят с использованием растворимых (кобальт) и нерастворимых (графит) анодов, при перемешивании магнитной мешалкой со скоростью 300…600 об/мин, с использованием униполярного гальваностатического режима импульсного тока при плотности тока 7…10 А/дм2, времени импульса 10 мс, времени паузы 10 мс (скважность 2) и температуре 18...25°С. Скорость осаждения при этом составит 170…240 мкм/час. Уротропин улучшает смачиваемость поверхности детали с покрытием и подавляет кислотную коррозию металлов.
Предлагаемый раствор прост в приготовлении, а также не содержит токсичные добавки, позволяет работать как с растворимыми, так и с нерастворимыми анодами. Из этого электролита при указанных режимах с использованием импульсного тока прямоугольной формы формируются равномерные полублестящие покрытия с высокой адгезионной прочностью. Твердость и износостойкость получаемых покрытий выше, чем у прототипа.
Не выявлены решения, имеющие признаки заявляемого способа.
Способ нанесения гальванических покрытий кобальт-карбид вольфрама осуществляется следующим образом: расчетные количества хлористого кобальта, хлористого аммония и уротропина последовательно растворяют в дистиллированной воде. Полученный раствор перемешивают до растворения всех реагентов, при необходимости корректируют значение рН. Затем добавляют навеску порошка WC при постоянном перемешивании и доводят объем электролита до требуемого значения дистиллированной водой.
Преимущества промышленного использования заявленного способа:
1. Предлагаемый электролит малокомпонентен, не содержит токсичных органических добавок, позволяет получать покрытия с высоким значением выхода по току.
2. Электролит может работать как с инертными, так и с растворимыми анодами.
3. Светлые, полублестящие композиционные покрытия Co-WC с высокой адгезионной прочностью из данного электролита получаются при температурах 18...25°С.
4. Скорость осаждения покрытия при импульсном токе увеличивается в 1,5 раза по сравнению со скоростью осаждения при постоянном токе.
Примеры практической реализации способа.
1. Состав электролита: гексагидрат хлорида кобальта (II) 35 г/л, хлорид аммония 100 г/л, уротропин 45 г/л, порошок WC – 5,1 г/л, рН = 6,5. Процесс электроосаждения проводят при перемешивании магнитной мешалкой со скоростью 300 об/мин, плотности тока 7 А/дм2, температуре 18°С и скорости осаждения 170 мкм/час Аноды инертные (графит). Катодный выход по току кобальта 52%. Покрытия светлые, мелкокристаллические. Содержание WC в покрытии 10,0±0,77%. Покрытия выдерживают испытания на адгезионную прочность методами нанесения сетки царапин и изгиба образца до излома. Микротвердость покрытия 5,852±0,33 ГПа. Износостойкость покрытия составляет 4200±120 двойных возвратно поступательных движений (ДВПД) индентора на 1 мкм толщины покрытия при нагрузке на индентор 2 Н.
2. Состав электролита: гексагидрат хлорида кобальта (II) 35 г/л, хлорид аммония 100 г/л, уротропин 45 г/л, порошок WC – 5 г/л, рН = 6,5. Процесс электроосаждения проводят при перемешивании магнитной мешалкой со скоростью 300 об/мин, плотности тока 9 А/дм2 и температуре 25°С. Аноды инертные (графит). Катодный выход по току кобальта 57%. Покрытия светлые, мелкокристаллические. Содержание WC в покрытии 11,1±0,62%. Покрытия выдерживают испытания на адгезионную прочность методами нанесения сетки царапин и изгиба образца до излома. Микротвердость покрытия 6,008±0,28 ГПа. Износостойкость покрытия составляет 4140±120 двойных возвратно поступательных движений (ДВПД) индентора на 1 мкм толщины покрытия при нагрузке на индентор 2 Н.
3. Состав электролита: гексагидрат хлорида кобальта (II) 35 г/л, хлорид аммония 100 г/л, уротропин 45 г/л, порошок WC – 5 г/л, рН = 6,5. Процесс электроосаждения проводят при перемешивании магнитной мешалкой со скоростью 300 об/мин, плотности тока 7 А/дм2 и температуре 19°С. Аноды кобальтовые. Катодный выход по току кобальта 55%. Покрытия светлые, мелкокристаллические. Содержание WC в покрытии 10,1±0,72%. Покрытия выдерживают испытания на адгезионную прочность методами нанесения сетки царапин и изгиба образца до излома. Микротвердость покрытия 5,96±0,28 ГПа. Износостойкость покрытия составляет 4140±120 двойных возвратно поступательных движений (ДВПД) индентора на 1 мкм толщины покрытия при нагрузке на индентор 2 Н.
4. Состав электролита: гексагидрат хлорида кобальта (II) 40 г/л, хлорид аммония 150 г/л, уротропин 55 г/л, порошок WC – 20 г/л, рН = 6,8. Процесс электроосаждения проводят при перемешивании магнитной мешалкой со скоростью 300 об/мин, плотности тока 9 А/дм2 и температуре 20°С. Аноды инертные (графит). Катодный выход по току кобальта 67%. Покрытия светлые, мелкокристаллические. Содержание WC в покрытии 21,0±1,54%. Покрытия выдерживают испытания на адгезионную прочность методами нанесения сетки царапин и изгиба образца до излома. Микротвердость покрытия 11,15±0,435 ГПа. Износостойкость покрытия составляет 5500±150 двойных возвратно поступательных движений (ДВПД) индентора на 1 мкм толщины покрытия при нагрузке на индентор 2 Н.
5. Состав электролита: гексагидрат хлорида кобальта (II) 40 г/л, хлорид аммония 150 г/л, уротропин 55 г/л, порошок WC – 20 г/л, рН = 6,8. Процесс электроосаждения проводят при перемешивании магнитной мешалкой со скоростью 600 об/мин, плотности тока 9 А/дм2 и температуре 25°С. Аноды инертные (графит). Катодный выход по току кобальта 64%. Покрытия светлые, мелкокристаллические. Содержание WC в покрытии 18,5±1,9%. Покрытия выдерживают испытания на адгезионную прочность методами нанесения сетки царапин и изгиба образца до излома. Микротвердость покрытия 7,85±0,2 ГПа. Износостойкость покрытия составляет 5760±120 двойных возвратно поступательных движений (ДВПД) индентора на 1 мкм толщины покрытия при нагрузке на индентор 2 Н.
6. Состав электролита: гексагидрат хлорида кобальта (II) 40 г/л, хлорид аммония 125 г/л, уротропин 50 г/л, порошок WC – 10 г/л, рН = 6,8. Процесс электроосаждения проводят при перемешивании магнитной мешалкой со скоростью 300 об/мин, плотности тока 8,5 А/дм2 и температуре 24°С. Аноды инертные (графит). Катодный выход по току кобальта 60%. Покрытия светлые, мелкокристаллические. Содержание WC в покрытии 16,5±1,31%. Покрытия выдерживают испытания на адгезионную прочность методами нанесения сетки царапин и изгиба образца до излома. Микротвердость покрытия 7,597±0,23 ГПа. Износостойкость покрытия составляет 5580±150 двойных возвратно поступательных движений (ДВПД) индентора на 1 мкм толщины покрытия при нагрузке на индентор 2 Н.
7. Состав электролита: гексагидрат хлорида кобальта (II) 40 г/л, хлорид аммония 125 г/л, уротропин 50 г/л, порошок WC – 10 г/л, рН = 6,8. Процесс электроосаждения проводят при перемешивании магнитной мешалкой со скоростью 600 об/мин, плотности тока 8 А/дм2 и температуре 23°С. Аноды инертные (графит). Катодный выход по току кобальта 59%. Покрытия светлые, мелкокристаллические. Содержание WC в покрытии 25,0±1,1%. Покрытия выдерживают испытания на адгезионную прочность методами нанесения сетки царапин и изгиба образца до излома. Микротвердость покрытия 7,226±0,26 ГПа. Износостойкость покрытия составляет 5400±180 двойных возвратно поступательных движений (ДВПД) индентора на 1 мкм толщины покрытия при нагрузке на индентор 2 Н.
ЛИТЕРАТУРА
1. Солодкова, Л. Н. Электролитическое хромирование: приложение к журналу "Гальванотехника и обработка поверхности" / Л. Н. Солодкова ; Л. Н. Солодкова, В. Н. Кудрявцев ; под ред. В. Н. Кудрявцева. – Москва : Глобус, 2007. – 191 с.
2. Технический регламент Евразийского экономического союза "Об ограничении применения опасных веществ в изделиях электротехники и радиоэлектроники" (ТР ЕАЭС 037/2016). URL: https://docs.cntd.ru/document/420387089?ysclid=lciz6uxe25600302990 (дата обращения: 05.01.2023).
3. Directive 2011/65/EU RoHS of the European Parliament and of the Council of 8 June 2011 on the restriction of the use of certain hazardous substances in electrical and electronic equipment (Директива ЕС 2011/65/EU RoHS Европейского парламента и Совета ЕС от 8 июня 2011 г. по ограничению содержания вредных веществ в электрическом и электронном оборудовании). URL:https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/?uri=CELEX%3A32011L0065 (дата обращения: 05.01.2023).
4. Surender M., Balasubramaniam R., Basu B. Electrochemical behavior of electrodeposited Ni–WC composite coatings //Surface and Coatings Technology. – 2004. – Т. 187. – №. 1. – С. 93-97.
5. Elkhoshkhany N., Hafnway A., Khaled A. Electrodeposition and corrosion behavior of nano-structured Ni-WC and Ni-Co-WC composite coating //Journal of Alloys and Compounds. – 2017. – Т. 695. – С. 1505-1514.
6. Liu Y. et al. Wear and heat shock resistance of Ni-WC coating on mould copper plate fabricated by laser //Journal of materials research and technology. – 2020. – Т. 9. – №. 4. – С. 8283-8288
7. Zhang Y. G. et al. Electrodeposition, microstructure and property of Co–WC composite coatings //Materials Research Express. – 2020. – Т. 6. – №. 12. – С. 126438.

Claims (1)

  1. Способ нанесения композиционных электрохимических покрытий Co-WC, включающий приготовление электролита и осаждение покрытия Co-WC с использованием растворимых или нерастворимых анодов из электролита, содержащего гексагидрат хлорида кобальта (II) 35-40 г/л, хлорид аммония 100-150 г/л, уротропин 45-55 г/л, порошок WC 5-20 г/л при рН = 6,5-6,8, при температуре 18-25°С и перемешивании магнитной мешалкой со скоростью 300-600 об/мин, отличающийся тем, что осаждение проводят с использованием униполярного гальваностатического режима импульсного тока, при плотности тока в импульсе 7-10 А/дм2, длительности импульса 10 мс, скважности тока 2.
RU2023130558A 2023-11-23 Способ получения покрытия кобальт-карбид вольфрама с использованием импульсного режима электролиза RU2818200C1 (ru)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2818200C1 true RU2818200C1 (ru) 2024-04-25

Family

ID=

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2463392C1 (ru) * 2011-06-09 2012-10-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого Способ нанесения покрытий с карбидами вольфрама
CN102719862B (zh) * 2012-07-07 2015-04-01 西安科技大学 在W18Cr4V钢表面制备Co-WC复合镀层的方法
RU2796775C1 (ru) * 2023-02-13 2023-05-29 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пензенский государственный университет" (ФГБОУ ВО "ПГУ") Способ нанесения композиционного электрохимического покрытия кобальт-карбид вольфрама

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2463392C1 (ru) * 2011-06-09 2012-10-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого Способ нанесения покрытий с карбидами вольфрама
CN102719862B (zh) * 2012-07-07 2015-04-01 西安科技大学 在W18Cr4V钢表面制备Co-WC复合镀层的方法
RU2796775C1 (ru) * 2023-02-13 2023-05-29 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пензенский государственный университет" (ФГБОУ ВО "ПГУ") Способ нанесения композиционного электрохимического покрытия кобальт-карбид вольфрама

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Zhang, Y.G. et.al. Electrodeposition, microstructure and property of Co-WC composite coatings. Materials Research Express, 2020, 6(12), 126438. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Beltowska-Lehman et al. Optimisation of the electrodeposition process of Ni-W/ZrO2 nanocomposites
Ranjith et al. Ni–Co–TiO2 nanocomposite coating prepared by pulse and pulse reversal methods using acetate bath
Sharma et al. Electrowinning of cobalt from sulphate solutions
Yari et al. Deposition and characterization of nanocrystalline and amorphous Ni–W coatings with embedded alumina nanoparticles
Góral et al. Influence of current density on microstructure and properties of electrodeposited nickel-alumina composite coatings
Fayomi et al. Investigation on microstructural, anti-corrosion and mechanical properties of doped Zn–Al–SnO2 metal matrix composite coating on mild steel
CA1118710A (en) Hard, heat-resistant nickel electrodeposits
Böck et al. Effect of additive and current mode on surface morphology of palladium films from a non-aqueous deep eutectic solution (DES)
Büker et al. Influence of carboxylic acids on the performance of trivalent chromium electrolytes for the deposition of functional coatings
Benballa et al. Zinc–nickel codeposition in ammonium baths
RU2818200C1 (ru) Способ получения покрытия кобальт-карбид вольфрама с использованием импульсного режима электролиза
Shetty et al. Development of Ni-Co-CNT composite coatings for corrosion protection of mild steel in 5% NaCl
Barbano et al. New electrolytic bath for electrodeposition of protective binary FeMo and ternary FeMoP films
Tian et al. Induced electrodeposition of alloy coatings from baths containing different systems of complexing agents: Preparation and enhanced properties of Co-Mo-Ni-W coatings
RU2796775C1 (ru) Способ нанесения композиционного электрохимического покрытия кобальт-карбид вольфрама
Oriňáková et al. Electrodeposition of composite Ni–B coatings in a stirred heterogeneous system
Diafi et al. The influence of co2+ concentration on the electrodeposition of ZnNi films to obtain the ZnNi–co composite coatings
JP2007308801A (ja) ニッケル・コバルト・リン電気メッキの組成物及びその用途
Amadeh et al. Corrosion behavior of pulse electrodeposited nanostructure Ni–SiC composite coatings
Karabulut et al. Effect of H₃BO₃ on the Corrosion Properties of Ni-B Based Electroplating Coatings
Tafreshi et al. Effect of PTFE on characteristics, corrosion, and tribological behavior of Zn–Ni electrodeposits
Bigos et al. Electrodeposition and properties of nanocrystalline Ni-based alloys with refractory metal from citrate baths
Kir et al. Effect of hard chrome plating parameters on the wear resistance of low carbon steel
RU2449062C1 (ru) Способ получения оксидного покрытия на стали
Mbugua et al. The Influence of Co Concentration on the Properties of Conventionally Electrodeposited Ni–Co–Al 2 O 3–SiC Nanocomposite Coatings