Разработка и получение композиционного материала на основе никеля и нитрида бора
электрохимическое осаждение никелевая матрица нитрид бора износостойкость композиционное покрытие
Изобретение относится к области гальванотехники и может быть использовано для получения никелевых электрохимических композиционных покрытий. Электролит-суспензия содержит, г/л: никель сернокислый – 250; никель хлористый – 30; борную кислоту – 30; нитрида бора – 20-100; поверхностно-активные вещества – 0,6-3 и воду – остальное. Технический результат: повышение износостойкости покрытия, твердости, жаростойкости покрытий и снижение коэффициента трения
Изобретение может применяться в авиационной, космической или атомной промышленности. Способ получения композиционного материала на основе никеля и нитрида бора включает подготовительные операции (химическое обезжиривание с использованием современных растворов, промывка, электрохимическое активирование с одновременным нанесением тонкого слоя никеля для лучшего сцепления покрытия с основой) и основной процесс нанесения композиционного покрытия из электролита-суспензии, с наложением электрического тока.
Известен способ получения композиционного материала на основе никеля и гексагонального нитрида бора методом химического осаждения никеля, при котором перед началом проведения процесса осаждения порошок гексагонального нитрида бора смачивают в растворе этилового спирта, а затем осуществляют химическое никелирование в растворе, содержащем любую растворимую соль никеля и восстановитель гипофосфит натрия [Патент на изобретение Украины UA 7788 приоритет от 01.10.2012, МПК B21D 26/14, С23С 16/00, С23С 30/00, опубл. 25.02.2013 Бюл. №4].
Недостатками данного способа являются отсутствие сведений о гранулометрическом составе и насыпной плотности получаемого композиционного материала, которые определяются только после завершения процесса химического осаждения никеля, при этом, порошок, полученный данным способом, может содержать значительное количество зерен с мелкими фракциями (менее 20 мкм), которые в последствии уйдут в потери при подготовке полученного композиционного порошка к дальнейшему использованию, а именно к плазменному напылению, что снижает экономический эффект от применения данного материала, кроме того насыпная плотность может не соответствовать требованиям заказчика.
Способ относится к области гальванотехники и может быть использован в машиностроении при изготовлении деталей и инструментов с износостойкими покрытиями. Способ включает осаждение покрытия из раствора, содержащего, г/л: никель сернокислый 40-60, борную кислоту 20-30, гипофосфит натрия 10-30, ванадиевую кислоту 4-6, натрий нитрилотриуксуснокислый 20-40, кубический нитрид бора 10-50, при температуре 85-95 °С, катодной плотности тока 1 А/дм2 с использованием графитовых анодов. Недостатком данного способа является осаждение химическим способом, что требует отдельных затрат на нагрев, а также большее количество компонентов. [Пат. 2653379 Российская Федерация, МПК6 C23С28/04. Антифрикционные покрытия с улучшенными свойствами абразивного износа и истирания, и способы их получения / С. Раджагопалан, Т. Хак, М.Д. Эртас, А. Озекцин, Х. Джин, Б. Чжао; Патентообладатель: ЭкссонМобил Рисерч энд Энджиниринг Компани. - № 2015123296; заявл. 27.01.2017; опубл. 08.05.2018, Бюл. № 13].
Наиболее близким является способ получения композиционного материала на основе никеля и гексагонального нитрида бора. Изобретение относится к области порошковой металлургии, а именно к способам изготовления композиционного материала на основе гексагонального нитрида бора и никеля, и может найти применение в авиационной, космической или атомной промышленности, в качестве способа получения композиционного материала никелированного нитрида бора, который наносят на поверхности детали методом плазменного напыления. Однако покрытие на основе плазменного напыления имеет высокий коэффициент трения и высокую стоимость нанесения покрытия [Пат. 2706999 Российская Федерация, МПК6 B22F1/02, C04B35/5835. Способ получения композиционного материала на основе никеля и гексагонального нитрида бора / М.А. Вертен, Е.В. Гаврилов; Патентообладатель: Общество с ограниченной ответственностью "Имхотеп". – №  2019113432; заявл. 29.04.2019; опубл. 21.11.2019, Бюл. № 33 заявл. 27.01.2017; опубл. 08.05.2018, Бюл. № 13] 
Технической задачей изобретения является снижение коэффициента трения и повышение износостойкости покрытия, полученного на основе электролита-суспензии.
Поставленная задача решается введением в электролит-суспензию, для получения покрытий никель-нитрид бора, включающую хлористый никель, борную кислоту, порошок гексагонального нитрида бора, поверхностно-активные вещества и воду, при соотношении компонентов в граммах на 1 литр раствора: сернокислый никель - 250; хлористый никель - 30; борная кислота - 30; порошок нитрида бора - 20-100; поверхностно-активные вещества -  0,6-3; вода -  остальное.
Электролит готовился на дистиллированной воде из реактивов марки «ХЧ». Растворение компонентов электролита с целью обеспечения его стабильности производилось в определенной последовательности. 
В емкости растворяли расчетное количество сернокислого никеля. Далее добавляли хлористый никель определенной концентрации. С целью быстрого растворения использовали нагревание до 60 °С и перемешивание. Все компоненты растворяли в дистиллированной воде отдельно (H3BO3 растворяли при 90 °С и перемешивании), затем сливали вместе и перемешивали. 
Затем раствор доводился до метки дистиллированной водой, тщательно перемешивался до полного растворения компонентов и охлаждался до комнатной температуры. 
После отстаивания и охлаждения готовый электролит фильтровали и измеряли его pH, который должен находиться в пределах 3,9…4,8. Необходимое значение рН электролита устанавливали и поддерживали 10% растворами едкого натрия или серной кислоты.
Для стабилизации сополимера в водной дисперсионной среде использовались поверхностно-активные вещества: катионный фторуглеродный ПАВ – четвертичное аммониевое соединение на основе производного триммера окиси гексафторпропилена (К-76) C16H20F17NO4Cl.
Оптимальную концентрацию ПАВ подбирают экспериментально в зависимости от количества введенного порошка нитрида бора.
В электролите-суспензии никель сернокислый является источником ионов никеля, борная кислота – это буферная добавка, стабилизирующая рН. Нитрид бора, внедряясь в покрытия, повышает их твердость и износостойкость. 

Пример 1 конкретного нанесения предлагаемого покрытия на образец из нержавеющей стали. Образец перед нанесением покрытия шлифовали, полировали, обезжиривали венской известью, промывали водопроводной и дистиллированной водой. В остальных примерах использовалась аналогичная подготовка поверхности образца перед нанесением покрытий. 
Для образцов из нержавеющей стали перед нанесением композиционного покрытия проводят электрохимическую обработку в растворе: хлористого никеля – 200 г/дм3 и соляной кислоты (плотность 
1,19 г/см3) – 80 г/дм3 при плотности тока 250 А/м2 в течении 5 минут.
Электролит-суспензию готовили, г/л: диспергируя предварительно приготовленный концентрат – смесь порошка нитрида бора и поверхностно-активных веществ 2 г/л в электролите, составленном на основе сернокислого никеля 250 г/л, хлористого никеля 30 г/л, борной кислоты 30 г/л, растворенных в дистиллированной воде.
Покрытия толщиной 20 мкм наносились из ванны стандартного типа на образцы из нержавеющей стали с поверхностью 0,2 дм2 при рН 4,5 и плотности тока 1,5 А/дм2. После нанесения покрытия образцы промывают и проводят термообработку при температуре 300 °С в течение 30 минут. 
Покрытие имело состав: никель 95,99%, нитрид бора 4,01%. 
 Определение коэффициента трения покрытий
Сравнительную оценку износостойкости пар трения осуществляли на «ЧМТ-1» при исследовании антифрикционных покрытий по методу тарированного датчика линейных перемещений при нагрузке равной 50 килограмм.
Весовой износ элементов пар трения определялся по разности весов до и после испытаний на аналитических весах с точностью до 0,1 мг. Коэффициент трения рассчитывался по формуле:
μ=M_тр/(Nd_ср )   
где dср –  средний радиус образца, см; Мср –  средний момент трения, кг·см; N –  номинальное усилие прижатия образцов, кг.
За результат испытания принималось среднее арифметическое значение из трех параллельных испытаний свежих пар трения.
Определение содержания частиц нитрида бора в покрытии
Содержание никеля и нитрида бора в композиционном покрытии определяли на основе гравиметрического и трилонометрического. 
Массу нитрида бора в покрытии определяли по следующей формуле:
MBN=mпокр-mNi,
где mBN - масса нитрида бора в покрытии, г;
mпокр - масса покрытия, г;
mNi - масса никеля в покрытии, г.
Аналогичным образом (примеры 2-3) готовили электролиты суспензии, проводили электроосаждение, определяли свойства покрытий.
По результатам проведенных исследований, покрытия, полученные из предлагаемого электролита-суспензии, имеют более высокую по сравнению с прототипом более низкий коэффициент трения: прототип – 0,4, полученное покрытие – 0,024.
Область применения: основным рынком разрабатываемого композиционного покрытия являются машиностроительные предприятия, предприятия автомобильной промышленности, авиадвигателестроения.
Ульяна
Турубанова
Эдуардовна
Руководитель
Отсутствует
Отсутствует
-
-
РОССИЯ
Ульяна
Турубанова
Эдуардовна
Исполнитель
РОССИЯ
61.31.59
Электрохимические производства. Электроосаждение. Химические источники тока
02.04.II
ENGINEERING, CHEMICAL
Ульяна Турубанова
Турубанова
Эдуардовна
Непосредственное участие во всех этапах работы и обсуждения результатов.
РОССИЯ
ФОНД СОДЕЙСТВИЯ ИННОВАЦИЯМ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ "ФОНД СОДЕЙСТВИЯ РАЗВИТИЮ МАЛЫХ ФОРМ ПРЕДПРИЯТИЙ В НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ СФЕРЕ"
1027739479734
Организация
Федеральное государственное бюджетное учреждение "Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере"
Федеральные государственные бюджетные учреждения
Ульяна
Турубанова
Эдуардовна
Физическое лицо
РОССИЯ