Технология композиционных электролитических покрытий никель-кобальт-оксид алюминия и никель-кобальт-алмаз

Овчинникова Ксения Владимировна
Бесплатно
В избранное
Работа доступна по лицензии Creative Commons:«Attribution» 4.0

ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………………………………………………………………5
1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ………………………………………………………………………………………12
1.1 Назначение электрохимических композиционных покрытий и области их
применения……………………………………………………………………………………………………………….12
1.1.1 Назначение и свойства компонентов в композиционных электрохимических
покрытиях …………………………………………………………………………………………………………………13
1.2 Особенности, преимущества и недостатки метода электрохимического получения
композиционных покрытий ……………………………………………………………………………………….15
1.2.1 Механизм электрохимического соосаждения композиционных покрытий ………….16
1.3 Формирование свойств композиционных электрохимических покрытий ………………17
1.3.1 Дисперсное упрочнение металла КЭП ……………………………………………………………….17
1.3.2 Твердость КЭП …………………………………………………………………………………………………19
1.3.3 Коэффициент трения и износостойкость КЭП ……………………………………………………20
1.3.4 Коррозионная стойкость КЭП ……………………………………………………………………………22
1.3.5 Наводороживание КЭП ……………………………………………………………………………………..23
1.4 Факторы, влияющие на процесс получения композиционных электрохимических
покрытий ………………………………………………………………………………………………………………….24
1.4.1 Условия соосаждения диспергированных частиц с металлами ……………………………25
1.4.2 Природа дисперсных частиц, их размер и концентрация в электролите ……………..26
1.4.3 Плотность тока и время электролиза ………………………………………………………………….27
1.5 Композиционные электрохимические покрытия на основе никеля и его сплавов …..28
1.6 Электролиты никелирования………………………………………………………………………………..38
1.6.1 Электролиты для электроосаждения сплавов и КЭП на основе никеля ……………….41
1.6.2 Электроосаждение сплава никель – кобальт и КЭП на его основе ………………………43
1.7 Выводы и обоснование выбора объектов исследований ………………………………………..46
2 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА ………………………………………………………………………………..48
2.1 Приготовление растворов электролитов и электроосаждение покрытий ………………..48
2.2 Электрохимические измерения …………………………………………………………………………….49
2.2.1 Потенциодинамические исследования ……………………………………………………………….49
2.2.2 Хронопотенциометрические измерения …………………………………………………………….50
2.2.3 Хроновольтамперометрические измерения ………………………………………………………..51
2.3 Определение характеристик электролита ……………………………………………………………..51
2.3.1 Определение рН прикатодного слоя …………………………………………………………………..51
2.3.2 Рассеивающая способность электролита ……………………………………………………………51
2.3.3 Выход по току …………………………………………………………………………………………………..52
2.4 Фотоколориметрические измерения ……………………………………………………………………..52
2.5 Анализ состава электролита и покрытия ………………………………………………………………53
2.5.1 Методики анализа электролитов ………………………………………………………………………..53
2.5.2 Методика исследования структуры поверхности покрытия ………………………………..53
2.5.3 Определение содержания дисперсной фазы в покрытии …………………………………….53
2.6 Физико-механические свойства покрытий ……………………………………………………………54
2.7 Коррозионные испытания покрытий …………………………………………………………………….56
3 ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРООСАЖДЕНИЯ КЭП НИКЕЛЬ-КОБАЛЬТ-ОКСИД
АЛЮМИНИЯ И ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ………………………………………57
3.1 Разработка электролита для осаждения КЭП никель-кобальт-оксид алюминия ……..57
3.2 Свойства и эксплуатационные характеристики хлоридного электролита для
нанесения КЭП никель-кобальт-оксид алюминия ………………………………………………………61
3.3 Особенности электроосаждения КЭП никель-кобальт-оксид алюминия из
хлоридного электролита ……………………………………………………………………………………………74
3.4 Кинетические закономерности электроосаждения КЭП никель-кобальт-оксид
алюминия………………………………………………………………………………………………………………….80
3.5 Физико-механические свойства КЭП никель-кобальт- оксид алюминия………………..96
3.6 Технологические рекомендации для электроосаждения
КЭП никель-кобальт-оксид алюминия ……………………………………………………………………..113
Основные выводы к главе 3 ……………………………………………………………………………………..113
4 ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРООСАЖДЕНИЯ КЭП НИКЕЛЬ-КОБАЛЬТ-АЛМАЗ И ЕГО
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ………………………………………………………………………117
4.1 Разработка электролита для осаждения КЭП никель-кобальт-алмаз …………………….117
4.2 Свойства и эксплуатационные характеристики хлоридного электролита для
нанесения КЭП никель-кобальт-алмаз ……………………………………………………………………..120
4.3 Закономерности электроосаждения КЭП никель-кобальт-алмаз в хлоридном
электролите …………………………………………………………………………………………………………….123
4.4 Физико-механические свойства КЭП никель-кобальт-алмаз ……………………………….128
4.5 Технологические рекомендации для электроосаждения
КЭП никель-кобальт-алмаз………………………………………………………………………………………135
Основные выводы к главе 4 ……………………………………………………………………………………..135
5 ИССЛЕДОВАНИЯ МИКРОПРОФИЛЯ ПОВЕРХНОСТНОЙ СТРУКТУРЫ КЭП ……..139
Основные выводы к разделу 5………………………………………………………………………………….151
ОСНОВНЫЕ ЗАКЛЮЧЕНИЯ И ВЫВОДЫ …………………………………………………………………153
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ……………………………………………………………………………………………156
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 ……………………………………………………………………………………………………….176
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 ……………………………………………………………………………………………………….178
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 ……………………………………………………………………………………………………….180
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 ……………………………………………………………………………………………………….182
ПРИЛОЖЕНИЕ 5 ……………………………………………………………………………………………………….184
ПРИЛОЖЕНИЕ 6 ……………………………………………………………………………………………………….204

Во введении дано обоснование актуальности темы диссертации, сформулиро-
ваны цель и задачи исследования, показаны научная новизна и практическая значи-
мость работы, методология и методы диссертационного исследования, оценены сте-
пень разработанности проблемы и ее достоверности, приведены сведения об апроба-
ции результатов работы.
В первой главе представлен анализ литературных сведений о перспективности
научно-технического развития современных гальванических процессов, связанных с
заменой индивидуальных металлических покрытий многокомпонентными сплавами,
включающими несколько металлических и/или неметаллических компонентов. В
сравнении с чистыми металлами рассмотрены сплавы на основе никеля, обладающие
более широким спектром физико-механических свойств, для придания которых пред-
лагается вводить в электролиты никелирования различные дисперсные добавки.
Проанализировав литературные данные и учитывая перспективность сплава ни-
кель–кобальт в качестве металла матрицы и свойств дисперсных фаз оксида алюминия
и алмаза для обеспечения покрытию износо- и коррозионной стойкости, в качестве
объекта исследования выбрали КЭП Ni-Co-Al2O3 и Ni-Co-УДА. Другим объектом
нашего исследования явился хлоридный электролит никелирования, в состав которого
предложено вводить соль кобальта и дисперсную фазу в виде оксида алюминия или
ультрадисперсного алмаза с целью получения экологически безопасных КЭП взамен
покрытий хромом и отказа от использования токсичных электролитов хромирования.
Во второй главе описаны методики подготовки электродов, приготовления
электролитов и электроосаждения покрытий. Приведены основные методы исследо-
ваний, применяемые приборы и оборудование. Для определения характеристик элек-
тролитов, изучения закономерностей электроосаждения КЭП использовали физико-
химические методы исследования (вольтамперометрия; хронопотенциометрия; хро-
новольтамперометрия; кулонометрия; потенциометрическое титрование; рН-метрия;
методы Херринга и Блюма, Хулла; фотоэлектроколориметрия). Электрохимические
исследования производили в ячейке ЯСЭ-2 при температурах 20, 40 и 60 оС с откло-
нением от этих величин ± 0,5 оС в потенциостатическом и потенциодинамическом ре-
жимах при разных скоростях изменения потенциала (1-80 мВ/с) с помощью потен-
циостата IPC-Pro.3A. Катодом служили плоские образцы из стали (марка Ст3) и меди
(марка М1). В качестве анодов использовали пластины из электролитического никеля
(марка НПА1). Все измерения проводили параллельно не менее трех раз, во всех ре-
зультатах измерений погрешность эксперимента не превышала 2–4 % с доверительной
вероятностью 0,95. Структуру поверхности покрытий исследовали с помощью рент-
геновского порошкового дифрактометра ARL X’tra. Морфологию покрытий изучали
с помощью туннельного атомно-силового микроскопа PHYWE; данные анализиро-
вали, применяя программу GWYDDION. Содержание дисперсной фазы в покрытии
определяли гравиметрическим методом. Также приведены методы исследования фи-
зико-механических свойств (микротвердость, износостойкость, пористость, внутрен-
ние напряжения, прочность сцепления покрытий с основой) и коррозионной стойко-
сти КЭП.
Третья глава посвящена разработке хлоридного электролита для нанесения
КЭП Ni-Co-Al2O3, исследованию свойств разработанного электролита и закономерно-
стей электроосаждения КЭП, а также изучению физико-механических и коррозион-
ных свойств КЭП Ni-Co-Al2O3. Для нанесения КЭП за основу взяли хлоридный элек-
тролит никелирования, в который дополнительно вводили хлорид кобальта, а в каче-
стве дисперсной добавки – Al2O3. В результате для получения КЭП Ni-Co-Al2O3 был
разработан хлоридный электролит состава, г/л: хлорид никеля шестиводный 200–350;
хлорид кобальта семиводный 10–20; борная кислота 30–40; сахарин 0,5–2; оксид алю-
миния 10–40. Режимы электролиза: катодная плотность тока 0,5–41 А/дм2; темпера-
тура 20–60 оС; рН 1,5–5,0; скорость перемешивания 70–120 об/мин. По данным хими-
ческого анализа покрытие Ni-Co-Al2O3 содержит, мас. %: кобальт 1,8-6,7; оксид алю-
миния 1,2-3,8; никель – остальное.
Для исследований эксплуатационных характеристик электролита, закономерно-
стей электроосаждения и формирования КЭП Ni-Co-Al2O3 использовали раствор со-
става, г/л: хлорид никеля шестиводный 250; хлорид кобальта семиводный 10; борная
кислота 35; сахарин 1,5; оксид алюминия 20. Режимы электролиза: рН 1-5; темпера-
тура 20-60 оС; катодная плотность тока 2-6 А/дм2; скорость перемешивания 70-
120 об/мин, кроме специально оговоренных случаев.
Исследования стабильности электролита-суспензии показали, что для хлорид-
ного электролита с дисперсной фазой в виде Al2O3 оптимальными являются следую-
щие условия: размер частиц дисперсной добавки не более 5 мкм, концентрация оксида
алюминия в электролите не выше 30 г/л; рН электролита – 3; температура – 20-40 0С.
Для получения качественных КЭП из разработанного электролита необходима
стабилизация частиц второй фазы в электролите и создание условий для их равномер-
ного распределения в осадке, в связи с этим необходимо перемешивание электролита.
Оптимальный диапазон скоростей перемешивания электролита составляет 70–120
об/мин. В этом диапазоне наблюдается увеличение содержания легирующей добавки
— Al2O3 в покрытии (рисунок 1). Для дальнейших исследований выбрали скорость
перемешивания – 80 об/мин. С увеличением плотности тока до 15 А/дм2, как видно из
рисунка 1, содержание Al2O3 в осадке также возрастает.
C,
мас.
13%Рисунок 1 – Зависимость содержания Al2O3 в
покрытии от скорости перемешивания элек-
тролита при плотности тока, А/дм2:
71 – 5, 2 – 10, 3 – 15. Температура электролита
– 20 оС; рН 3; размер частиц Al2O3 – 5 мкм.
11
60110V,
об/мин
При исследовании влияния срока хранения электролита на качество покрытий и
предельную рабочую плотность тока (jпр.) установлено, что при хранении электролита
до 14 сут. качество покрытий не изменяется, а jпр. снижается незначительно от 17 до
16,3 А/дм2. Продолжительность проработки влияет на рН электролита (рисунок 2), и,
следовательно, на качество КЭП Ni-Co-Al2O3. При пропускании через хлоридный
электролит до 200 А∙ч/л для нанесения КЭП рН электролита повышается до 5, что, как
оказалось, ведет к снижению катодной плотности тока от 17 до 12 А/дм2.
рН
Рисунок 2 – Зависимость рН электролита от
4продолжительности проработки хлоридного
электролита. Скорость перемешивания элек-
3тролита – 80 об/мин; температура, оС:
1 – 20; 2 – 60. Размер частиц оксида алюми-
ния – 5 мкм
050100150 Q, Ач/л
При электроосаждении КЭП концентрация дисперсной фазы Al2O3 в электро-
лите не должна снизиться до 10 г/л, т.к. это приведет к изменению свойств осадка. В
связи с этим было определено максимальное время работы электролита в рабочем диа-
пазоне концентраций Al2O3. При увеличении продолжительности проработки электро-
лита до 150 ч при плотности тока 6 А/дм2 и дисперсности Al2O3 – 0,5 мкм концентра-
ция Al2O3 снижается от 40 до 20 г/л. Следовательно, максимальное время работы элек-
тролита без корректировки по Al2O3 составляет не менее 6-7 суток.
РС электролита для нанесения КЭП в рабочих диапазонах рН, температур и ка-
тодных плотностей тока находится в пределах 14–32 %, что в 3-4 раза превышает РС
стандартного электролита хромирования, а, следовательно, разработанный электролит
может позволить покрывать детали достаточно сложной конфигурации без вспомога-
тельных анодов. Снижению РС электролита на 2-10 % способствует увеличение кон-
центрации Al2O3 от 10 до 40 г/л и размера частиц Al2O3 от 5 мкм до 50 мкм; катодной
плотности тока от 2 до 10 А/дм2; рН от 1 до 5; уменьшение температуры от 60 до 20 оС.
ВТ КЭП Ni-Co-Al2O3 находится в пределах 99-107 %, тогда как в стандартных
электролитах хромирования ВТ не более 40 %. ВТ снижается на 8-10 % при увеличе-
нии размера частиц Al2O3 от 5 до 50 мкм; повышении температуры электролита от 20
до 60 оС. Превышение значений ВТ 100 % является отличительной особенностью элек-
тролитов, содержащих дисперсные и тонкодисперсные частицы, что объясняется
включением в катодный осадок дисперсных частиц Al2O3, а также неразрядившиеся
коллоидных и микрогетерогенных гидрооксидных соединений никеля, образующихся
при подщелачивании прикатодного слоя. Исследование КЭП под микроскопом под-
твердило это.
Возможность образования коллоидных соединений гидроксидов и основных со-
лей никеля в прикатодном слое в процессе электроосаждения КЭП Ni-Co-Al2O3 под-
твердили, измерив рН прикатодного слоя (рНS). Из зависимостей рНS от катодной
плотности тока при рН 3 в объеме электролита и температуре 20 оС и 60 оС (рисунок 3)
видно, что величина рНS растет и стремится к некоторому предельному значению: при
20 оС – к значению 5,8, а при 60 оС – к 5,5.
6,5
pHs
1Рисунок 3 – Зависимость рНS от катодной
5,52плотности тока при нанесении КЭП Ni-Co-
Al2O3 при температуре, оС: 1 – 20; 2 – 60;
4,5рН 3.

3,5
0102030j, А/дм
40 2
В исследуемом хлоридном электролите значения рН начала гидратообразования
(рНГ), полученные потенциометрическими измерениями при температурах 20 оС и
60 оС, составляют 2,7 и 2,8 соответственно (рисунок 4), откуда следует, что в рабочем
диапазоне температур и катодных плотностей тока рНS достигает и превышает рНГ.
Таким образом, в исследуемом электролите имеются все условия для образования в
прикатодном слое кинетически устойчивых систем коллоидных и тонкодисперсных
соединений основных солей никеля, которые могут оказывать влияние как на свойства
электроосаждаемых покрытий, так и на механизм электроосаждения КЭП.
рН2
1Рисунок 4 – Зависимость рН электролита от
5количества вводимого КОН (2,5 М) в хлорид-
4ный электролит для нанесении КЭП Ni-Co-
2,8
2,7Al2O3 при температуре: 1 – 20 оС; 2 – 60 оС.
2
0123V, мл
Участие коллоидных соединений основных солей никеля в процессе электро-
осаждения КЭП Ni-Co-Al2O3 способствует расширению диапазона плотностей тока
получения качественных осадков при температуре 20 оС до 10 А/дм2, а при темпера-
туре 60 оС до 41 А/дм2.
Изучение кинетических закономерностей электроосаждения КЭП Ni-Co-Al2O3
из хлоридного электролита проводили потенциодинамическим методом в сравнении с
контрольным покрытием сплавом Ni-Co. Рассматривали влияние условий электролиза
– скорости перемешивания, температуры, рН и добавки дисперсной фазы (рисунки 5–
8). Зависимости плотности тока от потенциала катода показывают, что перемешива-
ние (скорость – 80 об/мин), наличие в электролите Al2O3 (20 г/л), повышение темпера-
туры (от 20 до 60 оС), снижение рН электролита (от 5 до 1), повышение концентрации
Al2O3 (от 10 до 40 г/л) ведет к росту предельной плотности тока и способствует сме-
щению потенциала в положительную область (от минус 0,75 В до минус 0,5 В). В про-
цессе формирования КЭП на катоде снижается поляризация электрода, происходит
увеличение значения предельной плотности тока более чем в 2 раза, а, следовательно,
растет скорость процесса электроосаждения КЭП и расширяется диапазон рабочих
плотностей тока в сравнении с контрольным покрытием сплавом Ni-Co.
При формировании КЭП механизм электроосаждения осложняется участием в
процессе частиц дисперсной фазы, которые, так же, как и другие участники реакции,
должны быть подведены к поверхности катода, задержаться на ней путем адгезии,
налипания или адсорбции и зарасти электроосаждаемым металлом.
j,1j,5
15 2
А/дм2А/дм2
430
202
00
0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 -1,50 Е, В0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 – 1,5Е, В
Рисунок 5 – Потенциодинамические зависимо-Рисунок 6 – Потенциодинамические
сти выделения сплава Ni-Co и КЭП Ni-Co-Al2O3зависимости выделения КЭП Ni-Co-Al2O3 в
вхлоридномэлектролите.Условияхлоридномэлектролите.Условия
электроосаждения: рН 3; температура электро-электроосаждения:рН3; скорость
лита 20 оС; концентрация оксида алюминия, г/л:перемешивания электролита – 80 об/мин;
1 и 2 – 20; 3 и 4 – 0; скорость перемешиваниятемпература электролита, оС: 1 – 20, 2 – 30,
электролита, об/мин: 1, 3 – 80; 2, 4 – 0.3 – 40, 4 – 50, 5 – 60.
j,
50j,
1’4′
А/дм²2А/дм²3′
403’402′
41′
5′
3030

201204
32
104101
0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 -E, B0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 -E,1,5B
Рисунок7–ПотенциодинамическиеРисунок 8 – Потенциодинамические
зависимости выделения КЭП Ni-Co-Al2O3 взависимости выделения сплава Ni-Co и КЭП
хлоридномэлектролите;УсловияNi-Co-Al2O3 в хлоридном электролите.
электроосаждения: скорость перемешивания –Условия электроосаждения: рН 3; скорость
80 об/мин. рН: 1 – 1,0; 2 – 2,0; 3 – 3,0; 4 – 4,0;перемешивания 80 об/мин. Добавка Al2O3,
5 – 5,0; температура электролита 20 оС. рН: 1’ –г/л: 1 – 0; 2 – 10; 3 – 20; 4 – 40; температура
1,0; 2’ – 2,0; 3’ – 3,0; 4’ – 4,0; 5’ – 5,0;электролита – 20 оС. Добавка Al2O3, г/л: 1’ –
температура электролита 60 оС.0; 2’ – 10; 3’ – 20; 4’ – 40; температура
электролита – 60 оС.
Взвешенные частицы дисперсной фазы с помощью перемешивания, а также сил
молекулярно-кинетического происхождения переносятся в приэлектродную область и
удерживаются у поверхности катода, обрастая электроосажденным металлом. В этот
период возрастают как силы адгезии, так и силы расклинивающего давления жидкост-
ной прослойки электролита между частицей и катодом и система приходит в равно-
весное состояние. Затем происходит выдавливание прослойки электролита между ча-
стицами и поверхностью катода. «Прорыв» расклинивающих прослоек, разрушение
адсорбционных слоев и непосредственный контакт твердых фаз путем молекулярного
или химического взаимодействия в ряде случаев приводит к тому, что в итоге дисперс-
ные частицы, встраиваясь в кристаллическую решетку электролитического осадка,
способствуют образованию более качественного покрытия.
При исследовании кинетических закономерностей электроосаждения КЭП
определяли природу лимитирующей стадии процесса. Для объективности результатов
использовали несколько методов. Согласно температурно-кинетическому методу на
основании потенциодинамических кривых выделения КЭП Ni-Co-Al2O3 из хлорид-
ного электролита при постоянном значении потенциала и различных температурах
были построены зависимости lgj–1/Т (рисунок 9 а) и энергии активации от перенапря-
жения (рисунок 9 б).
1,6lg, jU,
кДж/моль
1,21
0,8320

0,419
2,933,13,23,4 3, 3,5
3,3 1/T101/K0,40,60,81, B
1,2
а)б)
Рисунок 9 – Зависимости lgj от 1/Т (а) при перенапряжениях, В: 1 – 1,25; 2 – 1,0; 3 – 0,75;
4 – 0,55; и энергии активации от перенапряжения (б) для осаждения КЭП Ni-Co-Al2O3 в хлорид-
ном электролите. рН 3.
Значение эффективной энергии активации (рисунок 9 б) катодных процессов в
рассматриваемой области перенапряжений (0,55 –1,2 В) не превышает 20 кДж/моль,
следовательно, наблюдается концентрационное перенапряжение. Но температурно-
кинетический метод определения лимитирующей стадии процесса электроосаждения
металла по величине его энергии активации является качественным методом и может
быть использован только совместно с другими методами. Поэтому для определения
лимитирующей стадии процесса электроосаждения использовали температурный ко-
эффициент (Кт) скорости реакции. Расчет величины Кт скорости процесса осаждения
КЭП показал, что в интервале температур 20–40 °С Кт составляет 2,14 %, а для интер-
вала температур 40–60 оС – 3,96 %. Для стадии доставки электроактивных частиц к
поверхности катода Кт соответствует значениям 0,7–3 %. Следовательно, в электро-
лите для электроосаждения КЭП Ni-Co-Al2O3 природа лимитирующей стадии при по-
вышении температуры, вероятно, обусловлена не только доставкой участников реак-
ции к катоду.
С целью дальнейшего изучения кинетики процесса выделения на катоде КЭП на
основе полученных хронопотенциограмм были построены зависимости величины
произведения j·τ1/2 от плотности тока j при разных значениях температуры электро-
лита (рисунке 10). Для исключения влияния естественной конвекции были выбраны
значения j, когда переходное время составляло не более 40–60 с.
jτ1/2,
(Ас1/2)5
46Рисунок 10 – Зависимость величины произ-
ведения j·τ1/2 от плотности тока в хлоридном
электролите для осаждения КЭП Ni-Co-
36Al2O3. Условия электроосаждения: скорость
4перемешивания 80 об/мин; рН 3; темпера-
26тура, оС: 1 – 20; 2 – 30; 3 – 40; 4 – 50; 5 – 60.
161
2030405060 2
j, А/дм
Как видно из рисунка 10, кривые j·τ1/2 – j практически не зависят от плотности
тока при разных значениях температур (20–60 оС), что подтверждает высказанное ра-
нее предположение о замедленной стадии массопереноса. Зависимость произведения
j·τ1/2 от температуры электролита показывает, что в температурном интервале 20–50оС
скорость массопереноса увеличивается в 3,2 раза, а в интервале 50–60 оС – в 2,9 раз.
Подогрев электролита от 20 до 60 оС ведет к суммарному росту скорости массопере-
носа более чем в 9,3 раза. Таким образом, методом хронопотенциометрии установ-
лено, что скорость процесса электроосаждения КЭП в интервале температур от 20 до
60 оС лимитируется стадией массопереноса из объема электролита к поверхности ка-
тода. Для уточнения механизма электроосаждения КЭП в исследуемых условиях были
рассчитаны коэффициенты диффузии ионов никеля при температурах 25 и 60 оС. Рас-
четный коэффициент диффузии ионов никеля при температуре 25 оС хорошо согласу-
ется со справочными данными, однако при температуре 60 оС наблюдаются противо-
речия расчетных (361.10-8 м2/с) и справочных данных (11,73.10-8 м2/с).
Резкое возрастание скорости массопереноса при повышенных температурах
(выше 40 оС) говорит о возможности особого механизма доставки ионов в присутствии
коллоидных соединений. Вероятно, за счет гидролиза, усиливающегося при темпера-
туре, и в процессе подщелачивания прикатодного слоя образуется высокодисперсная
фаза, состоящая из гидроксидов, основных соединений никеля и коллоидных соеди-
нений на их основе, которые доставляются электрофорезом. В процессе электрооса-
ждения участвует и мелкодисперсная фаза Al2O3, введенная в электролит извне, ад-
сорбирующая на своей поверхности ионы электроосаждаемых металлов и доставляе-
мая к катоду электрофоретически. Таким образом, можно утверждать, что с повыше-
нием температуры перенос электроактивных участников реакции осуществляется не
только диффузией, но и электрофорезом.
Поляризационные кривые, полученные методом хроновольтамперометрии при
различных скоростях изменения потенциала ( = 1, 20, 40 и 80 мВ/с), и построенные
на их основе зависимости предельных плотностей тока jпр от скорости изменения по-
тенциала  в степени ½ (рисунок 11) свидетельствуют о смешанной кинетике. Это
подтверждают представленные на рисунке 11 зависимости jпр – 1/2 , которые не про-
ходят через начало координат и значения jпр практически не зависят от 1/2
jПР,2
А/дм2
Рисунок 11 – Зависимость предельной плот-
40ности тока от скорости изменения потенци-
1ала в степени ½ в хлоридном электролите для
20осаждения КЭП Ni-Co-Al2O3. Условия
электроосаждения: скорость перемешивания
80 об/мин; рН 3; температура, оС: 1 – 20; 2 –
060.
1/2,
0246810
(мВ/c)1/2
Таким образом, анализируя данные исследований кинетических закономерно-
стей электроосаждения КЭП можно предположить, что природа замедленной стадии
изучаемого процесса обусловлена электрофоретическим переносом электроактивных
частиц к катоду и стадией заращивания адсорбированных на катодной поверхности
дисперсных частиц электроосаждаемыми металлами, протекающих с соизмеримыми
скоростями.
КЭП Ni-Co-Al2O3 разрабатывалось в качестве износо- и коррозионностойкого
покрытия. В связи с этим изучили зависимость износостойкости КЭП от содержания
Al2O3 в электролите, температуры, катодной плотности тока, рН электролита и
нагрузки на трущиеся контакты. Результаты испытаний покрытия на износ в зависи-
мости от концентрации Al2O3 в электролите и нагрузки на трущиеся контакты приве-
дены на рисунке 12.
а)б)
Износ,
0,280,36
Износ,
мкм/чмкм/ч
0,32
0,26
0,28

0,240,24
10203040 СAl2O
503,0510152025Р,
г/лМПа

Рисунок 12 – Зависимость износа КЭП Ni-Co-Al2O3 от содержания Al2O3 в электролите
при нагрузке 5 МПа (а) и от нагрузки на трущиеся контакты (б).

С повышением концентрации Al2O3 в электролите от 10 до 20 г/л износ КЭП
уменьшается от 0,27 до 0,25 мкм/ч (рисунок 12 а) и далее практически не изменяется
в пределах концентрации 20–30 г/л, но дальнейший рост концентрации Al2O3 ведет к
повышению износа. Увеличение нагрузки в пределах 1–20 МПа практически не ска-
зывается на величине износа, однако дальнейшее повышение нагрузки до 30 МПа
резко повышает износ покрытия от 0,25 до 0,32 мкм/ч. (рисунок 12 б). Таким образом,
оптимальная концентрация дисперсной фазы Al2O3, обеспечивающая наименьший из-
нос КЭП 20–30 г/л, а нагрузка – не более 20 МПа. Испытания образцов на износ в
режиме сухого трения при нагрузке 5 МПа на трущиеся контакты показали, что изно-
состойкость КЭП в 3 раза превышает износостойкость хрома (1,1-1,2 мкм/ч). К умень-
шению износа от 0,25 до 0,23 мкм/ч при прочих равных условиях приводит увеличение
температуры от 20 до 60 оС. Изменение рН электролита от 1 до 4 практически не вли-
яет на износ покрытия и находится в пределах примерно 0,24–0,25 мкм/ч, однако, при
дальнейшем подщелачивании электролита до рН 5 износ возрастает до 0,28 мкм/ч.
Увеличение катодной плотности тока от 2 до 10 А/дм2 повышает износ от 0,23 до
0,28 мкм/ч. Также в работе в зависимости от условий электролиза (температура, рН,
катодная плотность тока), концентрации и дисперсности Al2O3 были исследованы по-
ристость, внутренние напряжения (ВН) и микротвердость КЭП.
Коррозионные испытания КЭП Ni-Co-Al2O3 проводили в сравнении со сплавом
Ni-Co на образцах из стали при толщине покрытия 30 мкм. Покрытия для испытаний
осаждали из электролитов для нанесения КЭП и сплава. В таблице 1 представлены
сравнительные данные коррозионной стойкости покрытий.
Ускоренные коррозионные испытания на основе визуальных наблюдений пока-
зали более высокую защитную способность КЭП Ni-Co-Al2O3 по сравнению с покры-
тиями хромом и/или сплавом Ni-Co.
Таблица 1 – Результаты сравнительных коррозионных испытаний
Дисперс-Площадь коррозионных
ность Al2O3 вИзменения внешнего вида покрытияпоражений (%), при вре-
Покрытиехлоридномпри времени испытаний, чмени испытаний, ч
электролите,
мкм163264163264
Хром-Очаги кор-––10––
розии
Никель-кобальт-Очаги кор-Очаги кор-152130
розиирозии
0,5ИзмененийИзмененийОчаги кор-––3
Никель-ко-нетнетрозии
бальт-оксид25ИзмененийОчаги кор-–15
алюминиянетрозии
50Очаги кор-Очаги кор-137
розиирозии

Четвертая глава посвящена разработке хлоридного электролита для нанесения
КЭП Ni-Co-УДА, исследованию свойств разработанного электролита и закономерно-
стей электроосаждения КЭП, а также изучению физико-механических и коррозион-
ных свойств КЭП Ni-Co-УДА. Различные модификации углерода, в частности алмаза,
считаются одной из наиболее успешно используемых композиционных добавок. По-
этому в качестве композиционной добавки, позволяющей улучшить физико-механи-
ческие характеристики покрытия Ni-Co, выбрали ультрадисперсную алмазную (УДА)
суспензию (ТУ 84.1124-87). Состав разработанного электролита для нанесения КЭП
Ni-Co-УДА, г/л: хлорид никеля шестиводный 200–350; хлорид кобальта семиводный
8–15; борная кислота 25–40; сахарин 0,5–2,0; УДА 0,5–2,5. Режимы электролиза: рН
1,5–5,0; температура 20–60 оС; катодная плотность тока 0,5–43 А/дм2; перемешивание
механической мешалкой со скоростью 80–120 об/мин. Согласно данным химического
анализа покрытие Ni-Co-УДА содержит, мас. %: кобальт 2,1-7,3; алмаз 0,4-3,2; никель
– остальное.
Для исследований эксплуатационных характеристик электролита, закономерно-
стей электроосаждения и формирования КЭП Ni-Co-УДА использовали раствор со-
става, г/л: хлорид никеля шестиводный 250; хлорид кобальта семиводный 10; борная
кислота 30; сахарин 1,5; УДА 1,5. Режимы электролиза: рН 1-5, температура 20-60 оС,
катодная плотность тока 2-6 А/дм2, скорость перемешивания 80-120 об/мин, кроме
специально оговоренных случаев.
Максимальный ВТ КЭП Ni-Co-УДА составляет 109 % при 20 0С и 116 % при
60 0С в интервале потенциалов от минус 0,6 В до минус 0,8 В. Превышение значения
ВТ величины 100 % связано с включением в покрытие дисперсных частиц, введенных
в электролит в виде УДА, и микрогетерогенных соединений никеля, образующихся
при приготовлении электролита или при подщелачивании прикатодного слоя в про-
цессе электролиза. РС электролита для нанесения КЭП находится в пределах 21–35 %.
Установлено, что в рабочем диапазоне температур 20–60 оС при повышении концен-
трации УДА до 2,5 г/л, рН до 5, катодной плотности тока до 9 А/дм2 РС электролита
уменьшается на 10-14 %.
Проводили проработку хлоридного электролита при объемной плотности тока
2 А·ч/л для определения количества электричества, после прохождения которого
необходима корректировка разработанного электролита для получения КЭП требуе-
мого качества с повышенной микротвердостью и износостойкостью. После каждых
10 А·ч/л, контролировали рН электролита, измеряли микротвердость КЭП, проверяли
качество сцепления согласно ГОСТ 9.302-88. Электроосаждение КЭП из хлоридного
электролита производили при температуре 20 оС, рН 3 и катодной плотности тока 3
А/дм2; концентрация УДА в электролите 1,5 г/л. Проведенные исследования показали,
что корректировку рН электролита необходимо осуществлять через каждые 20 А·ч/л,
корректировку по УДА – через 120 А·ч/л, остальных компонентов – согласно химиче-
скому анализу электролита.
Изучение кинетических закономерностей электроосаждения КЭП Ni-Co-УДА
из хлоридного электролита проводили потенциодинамическим методом. Рассматри-
вали влияние условий электролиза – температуры, величины рН, скорости перемеши-
вания электролита и концентрации УДА в электролите.
Повышение температуры электролита от 20 до 60 оС для нанесения КЭП в усло-
виях перемешивания способствует смещению значения потенциала в положительную
область (на 0,25 В) и росту значения предельной плотности тока в 2,5–3 раза (рисунок
13). Добавка УДА к разработанному хлоридному электролиту, а также увеличение её
концентрации ведет к небольшому росту значения предельной плотности тока в срав-
нении с покрытием сплавом Ni-Co (рисунок 14).
j,51
40 2j,
А/дм40 2
А/дм2
3030
20220
1010
00,25 0,5 0,751 1,25 – Е,
1,5В00,25 0,5 0,75 11,25 – Е,1,5
В
Рисунок 13 – Потенциодинамические зависи-Рисунок 14 – Потенциодинамические зависи-
мости выделения КЭП Ni-Co-УДА в хлорид-мости выделения сплава Ni-Co и КЭП Ni-Co-
ном электролите при температуре, оС: 1 – 20,УДА в хлоридном электролите в зависимости
2 –30, 3 – 40, 4 – 50, 5 – 60.от концентрации УДА в электролите, г/л: 1 –
2,5; 2 – 1,0; 3 – 0.
Рост величины токов при электроосаждении КЭП в сравнении с контрольным
покрытием сплавом Ni-Co указывает на возрастание скорости процесса электрооса-
ждения. Расширению диапазона плотностей тока и получению качественных осадков
способствуют тонкодисперсные соединения основных солей никеля, участвующие в
процессе электроосаждения КЭП Ni-Co-УДА.
При электроосаждении любого по составу КЭП механизм образования осадка
осложняется участием в процессе частиц дисперсной фазы. По-видимому, при возрас-
тании температуры электролита до 60 оС разряжающиеся ионы никеля доставляются
к поверхности катода не за счет диффузии. Вероятно, рост температуры усиливает
гидролиз, ведущий к образованию коллоидных соединений никеля различной при-
роды, которые могут быть доставлены к поверхности катода электрофоретически.
Присутствующая в электролите дисперсная фаза УДА может адсорбировать на себе
катионы никеля, благодаря которым она также электрофоретически доставляется к по-
верхности электрода и далее зарастает электроосаждаемым металлом. Таким образом,
можно предположить, что электроактивные участники реакции доставляются к по-
верхности катода в основном электрофоретически, а кинетика электроосаждения КЭП
Ni-Co-УДА аналогична механизму электроосаждения КЭП Ni-Co-Al2O3.
Катодные поляризационные зависимости, полученные в электролите для нане-
сения КЭП Ni-Co-УДА, аналогичны зависимостям, полученным в электролите для
нанесения КЭП Ni-Co-Al2O3. Увеличение концентрации УДА в электролите от 1,0 до
2,5 г/л, рН от 1 до 5 в рабочем диапазоне температур способствует повышению скоро-
сти процесса электроосаждения КЭП (растет предельная плотность тока) и снижению
катодной поляризации. Повышение температуры, концентрации УДА, рН и скорости
перемешивания электролита ведет к ускорению процесса электроосаждения КЭП, но
к снижению качества КЭП (согласно данным последующих исследований структуры
и функциональных свойств КЭП). Таким образом, для получения качественных КЭП
с заданными свойствами, оптимальными условиями электролиза являются скорость
перемешивания электролита – 80 об/мин, температура – 20 0С, рН 3, концентрация
УДА – 1,5 г/л.
Так как покрытие Ni-Co-УДА разрабатывалось для замены износостойких хро-
мовых покрытий, изучили зависимость износостойкости КЭП от нагрузок на трущи-
еся контакты. Результаты сравнительных испытаний износостойкости КЭП и покры-
тия износостойким хромом приведены в таблице 2.
Таблица 2 – Сравнительная оценка износостойкости гальванических осадков
№Нагрузка на точечныйДиаметр пятна износа покрытия, мм
Смазка
оп.контакт, кгникель-кобальт-алмазхром
1~13СОЖ РВ0,67 ± 0,05–
220СОЖ РВ0,73 ± 0,200,68 ± 0,03
3~27СОЖ РВ0,82 ± 0,160,77 ± 0,29
4~33СОЖ РВ1,01 ± 0,040,98 ± 0,13
540СОЖ РВ1,16 ± 0,081,15 ± 0,07
6~53СОЖ РВ1,29 ± 0,201,38 ± 0,01
760СОЖ РВ1,32 ± 0,051,49 ± 0,15
8~71СОЖ РВЗадирЗадир
9~78СОЖ РВЗадирЗадир
1085СОЖ РВЗадирЗадир
11~95СОЖ РВЗадирЗадир
12~13Сухое трение1,4 ± 0,031,72 ± 0,90
1320Сухое трение1,45 ± 0,171,95 ± 0,45
14~27Сухое трение1,51 ± 0,372,01 ± 0,61
15~33Сухое трение2,05 ± 02,71 ± 0,43
16~47Сухое трение2,58 ± 0,203,50 ± 0,90
Результаты сравнительных исследований показали (таблица 2), что в режиме су-
хого трения износостойкость КЭП Ni-Co-УДА почти в 1,1-1,5 раза превосходит изно-
состойкость хромовых покрытий. Однако со смазкой СОЖ РВ износостойкость обоих
покрытий имеет практически близкие значения (№ оп. 1-4). Это объясняется, по-ви-
димому, следующим: во-первых, благодаря более высокой пористости хромовых по-
крытий, СОЖ РВ, попадая в поры покрытия, дольше сохраняется в узлах трения и
способствует лучшей прирабатываемости в отличие от практически беспористого по-
крытия Ni-Co-УДА толщиной до 20 мкм. Во-вторых, за счет высокой твердости по-
крытие Ni-Co-УДА превосходит износостойкий хром при высоких нагрузках в режиме
трения со смазкой (№ оп. 5-7). Исследования микротвердости КЭП Ni-Co-УДА при
температуре 20 оС показали, что с увеличением концентрации УДА от 0,25 до 2,5 г/л
микротвердость повышается от 16 до 23,5 ГПа. Аналогичные зависимости наблюда-
ются при температурах 40 и 60 оС. С увеличением температуры электролита от 20 до
60 оС микротвердость снижается. Микротвердость КЭП возрастает (до 25 ГПа) при
повышении катодной плотности тока от 0,5 до 5 А/дм2. Объяснение этих данных сле-
дует в первую очередь связывать с включением в катодный осадок дисперсных частиц,
введенных в электролит в виде УДА и неразрядившихся коллоидных и микрогетеро-
генных соединений никеля. Содержание алмаза в покрытии, полученном из хлорид-
ного электролита при катодной плотности тока 5 А/дм2, при увеличении концентрации
УДА в электролите от 0,5 до 2,0 г/л повышается от 0,04 до 1,12 %, а при повышении
катодной плотности от 1 до 5 А/дм2 – от 0,21 до 0,59 % (доверительная вероятность
0,95). Исследования КЭП Ni-Co-УДА методом гибкого катода показали, что в покры-
тии появляются напряжения сжатия, которые зависят от доли включения дисперсной
фазы в покрытие. Причем зависимости ВН от концентрации УДА при различных тем-
пературах и катодных плотностях тока аналогичны. С повышением концентрации
УДА в электролите от 0,25 до 2,5 г/л как при температурах от 20 до 60 оС, так и при
катодных плотностях тока от 0,5 до 5,0 А/дм2, ВН вначале снижаются, а затем незна-
чительно увеличиваются. Величина рН электролита практически не влияет на ВН КЭП
Ni-Co-УДА.
Ускоренные коррозионные испытания КЭП Ni-Co-УДА (толщина покрытия 30
мкм на образцах из стали) проводили в сравнении с покрытием износостойким хро-
мом. Испытания на основе визуальных наблюдений показали более высокую защит-
ную способность КЭП по сравнению с покрытиями хромом, что, вероятно, связано с
микропластическими деформациями никелевой матрицы вокруг дисперсных частиц
алмаза, присутствующих в гальваническом осадке, и способствующих однородности
структуры, а значит минимальной пористости и увеличению сопротивления коррозии.
В пятой главе рассматриваются данные исследований микропрофиля поверх-
ностной структуры КЭП. В соответствии с результатами атомно-силовой микроско-
пии 2D и 3D визуализации были проанализированы параметры шероховатости полу-
ченных покрытий. Показано, что никелевое покрытие имеет на порядок более высокие
значения среднеквадратичной Sq (178,433) и средней Sa шероховатости (145,270), а ми-
нимальные параметры шероховатости имеет покрытие Ni-Co-Al2O3 (Sq=6,10087 и
Sa=4,78719). Данные морфологических исследований покрытий представлены на ри-
сунке 15.

а)б)в)
Рисунок 15 – Результаты морфологического анализа покрытий Ni-Co (а), Ni-Co-Al2O3 (б)
и Ni-Co-УДА (в), полученных из электролитов-коллоидов оптимального состава
Использование фрактального подхода в этих исследованиях позволило количе-
ственно описать изменения рельефа поверхности материала одновременно на разных
масштабных уровнях. Разброс значений фрактальной размерности поверхности иссле-
дуемых покрытий находится в диапазоне 2,124-2,261. Исследуемые поверхности
близки к двумерным (Df=2), но обладают и некоторыми свойствами трехмерности.
При максимальных значениях шероховатости никелевого покрытия наблюдается ми-
нимальная фрактальная размерность и, наоборот, при минимальных значениях шеро-
ховатости у покрытия Ni-Co-Al2O3 – фрактальная размерность самая высокая. Присут-
ствие на поверхности электролитического осадка структур различной размерности ха-
рактеризует покрытие как мелкокристаллическое, с наличием различных фаз, что под-
тверждается также рентгеноструктурным анализом. Анализ зерен покрытия показал,
что процесс их формирования имеет одинаковый характер. В начальной фазе форми-
рования осадка наблюдается рост числа зерен, затем по мере увеличения толщины по-
крытия, этот процесс постепенно идет на убыль (рисунок 16). Наибольшее количество
зерен (86) наблюдается у покрытия Ni-Co-УДА, при этом значения радиусов эквива-
лентного диска зерна оказались минимальными (42 нм); данный факт указывает на
самую мелкокристаллическую структуру осадка.
а)б)

Рисунок 16 – Зависимость числа зерен от радиуса эквивалентного диска зерна для покры-
тий Ni-Co-Al2O3 (а) и Ni-Co-УДА (б)

Благодаря морфологическим исследованиям было определено выравнивающее
влияние на структуру гальванических осадков дисперсных добавок, а также трудно-
растворимых соединений никеля и кобальта. У исследованных КЭП установлен куби-
ческий тип решетки, это же подтверждают аналитические данные рентгеноструктур-
ных исследований.
Результаты рентгеноструктурных исследований показали, что в состав покры-
тия входят такие фазы, как никель с гранецентрированной кубической кристалличе-
ской (ГЦК) решеткой, а также аморфный никель. Дифрактограммы всех исследован-
ных покрытий содержат пики (рефлексы), соответствующие плоскостям отражений Ni
(111), (200), (220). Существование аморфной фазы определено в разных рефлексах ис-
следуемых образцов. Для никелевого покрытия аморфная фаза определяется пиком
(220), для покрытий Ni-Co и Ni-Co-Al2O3 – пиком (111), а для покрытия Ni-Co-УДА –
пиком (200).
Известно, что интенсивность рефлексов зависит от эффектов текстуры покры-
тия. Для образцов покрытий никелем, а также для покрытий сплавом никель-кобальт
и исследованных КЭП наиболее интенсивным является плоскость отражения (111).
Причем величина интенсивности уменьшается в покрытии сплавом Ni-Co и является
минимальной для КЭП Ni-Co-Al2O3 и Ni-Co-УДА.
Постоянная кристаллической решетки для изученных образцов находится в пре-
делах 3,506-3,525 Å, т.е. имеются кристаллографически ориентированные искажения
(текстуры), наличие которых приводит к уменьшению интенсивности пиков на ди-
фрактограммах. Полученные данные можно объяснить включением кобальта, оксида
алюминия или ультрадисперсного алмаза в соответствующие твердые растворы на ос-
нове никеля.
Заключение и выводы
Представлен новый фактический материал по разработке энерго- и ресурсосбе-
регающей технологии электроосаждения коррозионно- и износостойких композици-
онных электролитических покрытий (КЭП) никель-кобальт-оксид алюминия и ни-
кель-кобальт-алмаз из низкоконцентрированных нетоксичных хлоридных электроли-
тов с целью возможной замены электролитов хромирования и покрытий хромом. По
результатам проведенных исследований сделаны выводы, имеющие теоретическое и
прикладное значение:
1. Разработаны хлоридные электролиты для нанесения коррозионно- и износо-
стойких КЭП:
– никель-кобальт-оксид алюминия состава, г/л: хлорид никеля шестиводный
200–350, хлорид кобальта семиводный 10–20; борная кислота 30–40; сахарин 0,5–2;
оксид алюминия 10–40. Режимы электролиза: катодная плотность тока 0,5–41 А/дм2;
температура 20–60 оС; рН 1,5–5,0; перемешивание механической мешалкой со скоро-
стью 80–120 об/мин.
– никель-кобальт-алмаз(УДА) состава, г/л: хлорид никеля шестиводный
200–350; хлорид кобальта семиводный 8–15; борная кислота 25–40; сахарин 0,5–2,0;
УДА 0,5–2,5. Режимы электролиза: рН 1,5–5,0; температура 20–60 оС; катодная плот-
ность тока 0,5–43 А/дм2; перемешивание механической мешалкой со скоростью 80–
120 об/мин. Разработанные нетоксичные хлоридные электролиты и технологический
процесс нанесения КЭП никель-кобальт-оксид алюминия и никель-кобальт-алмаз ре-
комендованы производству.
2. Определены эксплуатационные характеристики разработанных хлоридных
электролитов. Установлено, что электролиты устойчивы, как при хранении, так и в
процессе электролиза при пропускании до 200 А∙ч/л. РС электролитов в 3–4 раза пре-
вышает РС стандартных электролитов хромирования и находится в пределах 14-35 %,
что позволяет покрывать детали достаточно сложной конфигурации. Величина выхода
по току КЭП достигает 100 % и более, тогда как в стандартных электролитах хромиро-
вания ВТ не превышает 15–30 %. Превышение значения ВТ величины 100 % объясня-
ется включением в катодный осадок дисперсных частиц оксида алюминия или УДА,
а также неразрядившихся коллоидных соединений никеля, образующиеся в прикатод-
ном слое электролита в процессе электролиза.
3. Доказано, что в разработанных электролитах в диапазоне рабочих катодных
плотностей тока и температур pH прикатодного слоя (рНS) составляет 3,5–5,6, что
больше значения pH гидратообразования (рНГ) никеля в прикатодном слое (рНГ
2,7–2,8). Это условие делает возможным образование в прикатодном слое коллоидных
соединений гидроксидов и основных солей никеля и их участие в процессе формиро-
вания качественных КЭП.
4. Исследованы кинетические закономерности электроосаждения КЭП и пока-
зано, что снижению катодной поляризации (на 0,2-0,25 В) и расширению диапазона
рабочих плотностей тока практически в 2 раза (до 50 А/дм2) способствует введение в
хлоридный электролит дисперсной добавки и уменьшение размера частиц дисперсной
добавки (до 0,5 мкм), повышение температуры электролита до 60 оС, перемешивание
(80 об/мин) и снижение рН до 1.
5. Установлено, что природа замедленной стадии процесса электроосаждения
КЭП характеризуется смешанной кинетикой. Она обусловлена электрофоретическим
переносом электроактивных частиц к катоду и стадией заращивания адсорбированных
на катодной поверхности дисперсных частиц электроосаждаемыми металлами, проте-
кающих с соизмеримыми скоростями.
6.Определены параметры шероховатости полученных КЭП, фрактальная
размерность поверхности покрытий, тип решетки, выравнивающее влияние на струк-
туру гальванических осадков дисперсных добавок, а также текстура роста покрытий.
7. Изучены физико-механические свойства КЭП и показано, что износостой-
кость КЭП никель-кобальт-оксид алюминия превышает износостойкость хрома в 2–
2,5 раза, а износостойкость КЭП никель-кобальт-алмаз — в 1,5 раза. Ускоренные кор-
розионные испытания КЭП в зависимости от продолжительности, концентрации и
дисперсности добавки в электролите показали, что коррозионная стойкость получен-
ных КЭП в 2–3 раза выше коррозионной стойкости хромовых покрытий. Это позво-
ляет рекомендовать разработанные КЭП взамен хромовых покрытий в качестве кор-
розионно- и износостойких.
8. Хлоридные электролиты для нанесения КЭП апробированы на предприя-
тиях ООО ПК «Новочеркасский электровозостроительный завод» и ПАО «Роствер-
тол» (г. Ростов-на-Дону). Результаты испытаний показали, что предлагаемые вместо
электролитов хромирования низкоконцентрированные хлоридные электролиты позво-
лят получить КЭП с улучшенными физико-механическими свойствами и значитель-
ный экономический эффект за счет снижения затрат на электроэнергию, реактивы,
нейтрализацию сточных вод. Рекомендуемые производству КЭП по своим эксплуата-
ционным свойствам могут быть использованы вместо хромовых покрытий. Резуль-
таты проведенных исследований внедрены в ЮРГПУ (НПИ) в учебный процесс под-
готовки бакалавров по направлению 18.03.01 «Химическая технология» и использу-
ются в лабораторном практикуме по дисциплине «Основы электрохимических техно-
логий».

Актуальность темы. Разработка энерго- и ресурсосберегающих,
экологически приемлемых и высокопроизводительных технологий является
основной задачей современного гальванического производства. Важное
значение имеет разработка новых видов покрытий, обладающих повышенной
твердостью, износостойкостью, коррозионной устойчивостью, паяемостью,
улучшенными электрическими и другими эксплуатационными свойствами.
В гальваническом производстве широко применяется
электрохимическое хромирование, что связано с ценными свойствами
хромовых покрытий, но электролиты хромирования имеют ряд значимых
недостатков, особенно с точки зрения экологии, что ведет к сокращению их
использования и стимулирует разработку процессов получения экологически
безопасных защитных гальванических покрытий.
Наиболее используемым в промышленности функциональным
покрытием является никель. Эксплуатационные свойства никелевых
покрытий можно значительно улучшить, применяя легирующие добавки,
такие как бор, фосфор, карбид кремния и др. Легирование металлами и/или
неметаллическими элементами ведет к получению новых сплавов и/или
композиционных электрохимических покрытий (КЭП) с особыми
эксплуатационными свойствами и различного функционального назначения,
что одновременно способствует решению вопросов экологии, экономичности
и технологичности процессов их получения.
Перспективными являются КЭП на основе сплавов никеля, в частности,
сплава никель-кобальт, который по коррозионной стойкости сравним с
хромом. КЭП, способные заменить хромовые покрытия, в различных
условиях эксплуатации должны иметь высокую износостойкость,
микротвердость, коррозионную стойкость и низкий коэффициент трения. В
связи с этим в основу диссертации положены разработки, направленные на
поиск и развитие технологий получения КЭП на основе сплава никель-
кобальт за счет совместного осаждения со сплавом дисперсных частиц
легирующих добавок (оксид алюминия и ультрадисперсный алмаз (УДА)) с
целью осаждения КЭП с требуемыми физико-механическими свойствами.
КЭП на основе никеля можно получать из электролитов разного состава, но
хлоридные электролиты имеют ряд преимуществ, которые позволяют
увеличить скорость нанесения покрытия на порядок и более, а также снизить
концентрации основных компонентов электролита.
Все это указывает на актуальность данного направления исследований,
так как с одной стороны необходимо накопление нового фактического
материала по применению хлоридных электролитов с целью осаждения КЭП,
а с другой – особые и/или улучшенные эксплуатационные свойства КЭП
связаны с внесением легирующих добавок, которые изменяют механизм
электроосаждения КЭП, отличающийся большой сложностью и влиянием на
него ряда теоретически трудно учитываемых факторов. Выше изложенное и
определило цель и задачи настоящего диссертационного исследования.
Степень разработанности темы исследований. Основы современных
представлений об электроосаждении защитных покрытий с определенными
функциональными свойствами в виде сплавов и композитов заложены
Гурьяновым Г.В., Целуйкиным В.Н., Рогожиным В.В., Балакаем В.И.,
Звягинцевой А.В., Мамаевым В.И.и др. Под руководством Кудрявцевой И.Д.,
Селиванова В.Н. разработаны научные основы технологии нанесения
защитных гальванических покрытий из низкоконцентрированных
электролитов, содержащих коллоидные соединения электроосаждаемых
металлов. Предложенная технология позволила повысить скорость нанесения
покрытия по сравнению с простыми и комплексными электролитами, а также
проводить электроосаждение при низких концентрациях основных
компонентов в электролите и без подогрева. Исследования указанных
авторов также дают обширные сведения о корреляции между
эксплуатационными свойствами покрытий и условиями их нанесения, что
было учтено и использовано в данной диссертационной работе.
Цель работы: разработка технологии электроосаждения износо- и
коррозионностойких композиционных электролитических покрытий никель-
кобальт-оксид алюминия, никель-кобальт-алмаз и хлоридных электролитов
для их получения.
Задачи исследования:
– разработать хлоридные электролиты, определив оптимальный состав,
рабочие диапазоны концентраций компонентов, а также оптимальные условия и
режимы электролиза для нанесения КЭП никель-кобальт-оксид алюминия (Ni-
Co-Al2O3) и никель-кобальт-алмаз (Ni-Co-УДА) с целью получения износо- и
коррозионностойких покрытий;
– исследовать свойства и эксплуатационные характеристики
(стабильность, рассеивающую способность (РС), выход по току (ВТ))
разработанных электролитов;
– исследовать кинетические закономерности электроосаждения КЭП Ni-
Co-Al2O3 и Ni-Co-УДА;
– исследовать влияние технологических параметров на структуру,
физико-механические свойства и коррозионную стойкость покрытий Ni-Co-

Заказать новую

Лучшие эксперты сервиса ждут твоего задания

от 5 000 ₽

Не подошла эта работа?
Закажи новую работу, сделанную по твоим требованиям

    Нажимая на кнопку, я соглашаюсь на обработку персональных данных и с правилами пользования Платформой

    Читать

    Последние выполненные заказы

    Хочешь уникальную работу?

    Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!

    Родион М. БГУ, выпускник
    4.6 (71 отзыв)
    Высшее экономическое образование. Мои клиенты успешно защищают дипломы и диссертации в МГУ, ВШЭ, РАНХиГС, а также других топовых университетах России.
    Высшее экономическое образование. Мои клиенты успешно защищают дипломы и диссертации в МГУ, ВШЭ, РАНХиГС, а также других топовых университетах России.
    #Кандидатские #Магистерские
    108 Выполненных работ
    Катерина М. кандидат наук, доцент
    4.9 (522 отзыва)
    Кандидат технических наук. Специализируюсь на выполнении работ по метрологии и стандартизации
    Кандидат технических наук. Специализируюсь на выполнении работ по метрологии и стандартизации
    #Кандидатские #Магистерские
    836 Выполненных работ
    Кирилл Ч. ИНЖЭКОН 2010, экономика и управление на предприятии транс...
    4.9 (343 отзыва)
    Работы пишу, начиная с 2000 года. Огромный опыт и знания в области экономики. Закончил школу с золотой медалью. Два высших образования (техническое и экономическое). С... Читать все
    Работы пишу, начиная с 2000 года. Огромный опыт и знания в области экономики. Закончил школу с золотой медалью. Два высших образования (техническое и экономическое). Сейчас пишу диссертацию на соискание степени кандидата экономических наук.
    #Кандидатские #Магистерские
    692 Выполненных работы
    Андрей С. Тверской государственный университет 2011, математический...
    4.7 (82 отзыва)
    Учился на мат.факе ТвГУ. Любовь к математике там привили на столько, что я, похоже, никогда не перестану этим заниматься! Сейчас работаю в IT и пытаюсь найти время на... Читать все
    Учился на мат.факе ТвГУ. Любовь к математике там привили на столько, что я, похоже, никогда не перестану этим заниматься! Сейчас работаю в IT и пытаюсь найти время на продолжение диссертационной работы... Всегда готов помочь! ;)
    #Кандидатские #Магистерские
    164 Выполненных работы
    Дмитрий К. преподаватель, кандидат наук
    5 (1241 отзыв)
    Окончил КазГУ с красным дипломом в 1985 г., после окончания работал в Институте Ядерной Физики, защитил кандидатскую диссертацию в 1991 г. Работы для студентов выполня... Читать все
    Окончил КазГУ с красным дипломом в 1985 г., после окончания работал в Институте Ядерной Физики, защитил кандидатскую диссертацию в 1991 г. Работы для студентов выполняю уже 30 лет.
    #Кандидатские #Магистерские
    2271 Выполненная работа
    Анастасия Л. аспирант
    5 (8 отзывов)
    Работаю в сфере метрологического обеспечения. Защищаю кандидатскую диссертацию. Основной профиль: Метрология, стандартизация и сертификация. Оптико-электронное прибост... Читать все
    Работаю в сфере метрологического обеспечения. Защищаю кандидатскую диссертацию. Основной профиль: Метрология, стандартизация и сертификация. Оптико-электронное прибостроение, управление качеством
    #Кандидатские #Магистерские
    10 Выполненных работ
    Мария М. УГНТУ 2017, ТФ, преподаватель
    5 (14 отзывов)
    Имею 3 высших образования в сфере Экологии и техносферной безопасности (бакалавриат, магистратура, аспирантура), работаю на кафедре экологии одного из опорных ВУЗов РФ... Читать все
    Имею 3 высших образования в сфере Экологии и техносферной безопасности (бакалавриат, магистратура, аспирантура), работаю на кафедре экологии одного из опорных ВУЗов РФ. Большой опыт в написании курсовых, дипломов, диссертаций.
    #Кандидатские #Магистерские
    27 Выполненных работ
    Екатерина П. студент
    5 (18 отзывов)
    Работы пишу исключительно сама на основании действующих нормативных правовых актов, монографий, канд. и докт. диссертаций, авторефератов, научных статей. Дополнительно... Читать все
    Работы пишу исключительно сама на основании действующих нормативных правовых актов, монографий, канд. и докт. диссертаций, авторефератов, научных статей. Дополнительно занимаюсь английским языком, уровень владения - Upper-Intermediate.
    #Кандидатские #Магистерские
    39 Выполненных работ
    Александра С.
    5 (91 отзыв)
    Красный диплом референта-аналитика информационных ресурсов, 8 лет преподавания. Опыт написания работ вплоть до докторских диссертаций. Отдельно специализируюсь на повы... Читать все
    Красный диплом референта-аналитика информационных ресурсов, 8 лет преподавания. Опыт написания работ вплоть до докторских диссертаций. Отдельно специализируюсь на повышении уникальности текста и оформлении библиографических ссылок по ГОСТу.
    #Кандидатские #Магистерские
    132 Выполненных работы

    Другие учебные работы по предмету

    Разработка металлогидридных электродов на основе сплавов алюминий – редкоземельный элемент методом катодного внедрения
    📅 2022 год
    🏢 ФГБОУ ВО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»
    Анодные процессы в расплавах LiCl-KCl-Li2O
    📅 2022 год
    🏢 ФГБУН Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук
    Защита конструкционных сталей от коррозии с применением меламина в качестве ингибитора
    📅 2021 год
    🏢 ФГБОУ ВО «Ивановский государственный химико-технологический университет»
    Получение лигатур алюминий-скандий в расплавах KF-NaF-AlF3-Sc2O3
    📅 2021 год
    🏢 ФГБУН Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук