Введение
Проблема создания материалов, обладающих высокой износостойкостью и низким коэффициентом трения, не теряет своей актуальности, поэтому, самосмазываемые и износостойкие композиционные покрытия все больше привлекают к себе внимание исследователей [1, 2].
Никель широко используется для электроосаждения защитных и защитно-декоративных покрытий. Однако, представляет практический интерес создание на его основе износостойких и самосмазывающихся композиционных покрытий [3-7]. В [8] рассмотрены вопросы формирования композиционных антифрикционных никелевых и никель-кобальтовых покрытий с частицами коллоидного графита. Показано, что износостойкость покрытий никель-графит, никель-кобальт-графит в 3 – 4 раза выше износостойкости покрытий без графита, а коэффициент трения в 1,5 раза ниже коэффициента трения обычных покрытий. Снижение износа обнаружено и при введении в никелевое покрытие частиц фторида кальция, а также при получении самосмазываемых и износостойких покрытий никель-графит, никель-графит-карбид кремния.
Включение в покрытия тугоплавких частиц карбидов, боридов, оксидов и других частиц приводит к увеличению их твердости и износостойкости. Так, например, износ покрытий никель-карбид вольфрама в 1,5 – 2 раза меньше износа покрытий никель-карбид хрома и никель-карбид титана, а коэффициент трения находится в пределах 0,12 – 0,17. Показано, что износ покрытий никель-карбид титана и никель-карбид кремния меньше износа никеля в 3 – 4,5 и 1,8 – 2,5 раза соответственно. При граничном трении со смазкой АМГ-10 и нагрузке 2 МПа износ покрытий никель-карбид титана уменьшается в 8 раз по сравнению с износом хрома. Коэффициент трения никель-карбид титана составляет 0,2 при сухом трении и 0,18 при смазке. В условиях граничного трения износостойкость никелевых покрытий, содержащих частицы карбида хрома, вольфрама, увеличивается в 4 – 7 раз [2].
Модифицирование покрытия никель-бор карбидом вольфрама или фтористым кальцием повышает антифрикционные свойства сплава [9]. Например, износостойкость покрытий никель-бор-карбид вольфрама в 1,7 – 2 раза выше износостойкости никеля, а с введением фторида кальция снижается коэффициент трения в 1,8 – 2 раза при сохранении высокой износостойкости. Значительное уменьшение износа покрытий достигнуто в результате термообработки покрытий никель-фосфор-карбид кремния [1]. После термообработки их при температуре 370оС в течение 1 ч износ уменьшится на порядок по сравнению с износом исходных покрытий, а твердость при этом увеличивается в 2,5 раза.
Наиболее перспективными для упрочнения узлов сухого трения при больших скоростях скольжения и нагрузках являются покрытия типа металл – тугоплавкие частицы – самосмазывающиеся частицы [8]. Проанализируем возможность получения и свойства эффективных композиционных покрытий на основе никеля.
Результаты исследования и их обсуждение
Никель является хорошим конструкционным материалом, и поэтому на его основе износостойкие и самосмазывающие покрытия представляют определенный практический интерес. С никелем легко соосаждаются дисперсные частицы различной природы. Возможность их использования для получения КЭП определяется их физико-химическими свойствами. В первую очередь, это размер, форма и способность приобретать положительный заряд [8, 9]. Чем меньше размер и чем больше искажена кристаллическая решетка частиц, тем легче они захватываются неровностями поверхности металла. Приобретая положительный заряд, дисперсные частицы быстрее продвигаются к катоду и легче встраиваются в покрытие. Введение их в электролит существенно влияет на кинетику осаждения металла. Считается [10], что перенос частиц дисперсной фазы к катоду может осуществляться благодаря адсорбции на их поверхности катионов осаждаемого металла. Достигнув катода, дисперсные частицы заращиваются разряжающимся металлом, вместе с адсорбированными катионами [8]. Фторопласт, будучи акцептором электронов, в растворе электролита склонен к приобретению отрицательного заряда. Это, в свою очередь, должно способствовать адсорбции на нем катионов никеля, так что в конечном итоге укрупненные дисперсные частицы, двигаясь к катоду, встраиваются в кристаллическую решетку осадка.
Для улучшения износостойкости никелевых покрытий было предложено в состав композиционного материала на основе никеля вводить фторопласт. Количество фторопласта в осадке зависит от вводимой в электролит концентрации фторопластовой эмульсии Ф-4Д-Э (ТУ6-05-041-508-79) (ФЭ), интенсивности перемешивания, состава, температуры и рН электролита, катодной плотности тока и т.д. Состав и свойства ФЭ приведены в работе [11].
При разработке электролита для нанесения композиционного покрытия никель-фторопласт за основу взяли хлоридный электролит никелирования [11], в который дополнительно вводили ФЭ. Разработанный электролит имеет следующий состав, г/л: хлорид никеля шестиводный 200 – 300; борная кислота 30 – 40; сахарин 1 – 2; 1,4-бутиндиол 0,5 – 0,8; ФЭ 0,1 – 0,8 мл/л. Режимы электролиза: рН 1,0 – 5,0; температура 20 – 60 оС; катодная плотность тока 0,5 – 9 А/дм2; перемешивание механической мешалкой со скоростью 80 – 120 об/мин [11]. Значения физико-механических свойств композиционного покрытия никель-фторопласт, осажденных из разработанного электролита, приведены в таблице.
В отличие от никеля КЭП имеет шероховатую поверхность, микровыступы которой очевидно образуются при заращивании дисперсных частиц. Шероховатость растет с увеличение концентрации ФЭ в электролите.
Исследование морфологии покрытий никель-фторопласт в зависимости от содержания фторопласта в покрытии (0,08 и 0,5 мас. % соответственно) показали, что при переходе от никеля к композиционному покрытию никель-фторопласт микротопография поверхности осадков меняется.
В отличие от никеля, композиционное покрытие имеет шероховатую поверхность, микровыступы которой очевидно образуются при заращивании частиц дисперсной фазы. Анализ состава композиционного покрытия показал наличие в осадках фтора.
Свойства композиционного покрытия никель-фторопласт
|
Наименование параметров |
Значения параметров |
|
Износостойкость в условиях граничного трения со сталью Ст 45 при нагрузке 2 МПа, мкм/ч |
0,52 – 0,84 |
|
Коэффициент сухого трения со сталью Ст 45 |
0,13 – 0,14 |
|
Коэффициент трения со смазкой СОЖ РВ-2 (3%) |
0,11 – 0,12 |
|
Микротвердость, ГПа |
5,6 – 6,3 |
|
Внутренние напряжения, МПа |
280 – 345 |
|
Пористость при толщине 6 мкм, пор/см2 |
1 – 4 |
|
Сцепление с основой из стали, меди и ее сплавов |
Удовлетворяет ГОСТ 9.302-88 |
|
Содержание фторопласта, мас. % |
0,9 – 3,1 |
|
Выход по току, % |
97 – 99 |
|
Рассеивающая способность электролита (по Херрингу и Блюму), % |
12 – 18 |
|
Стабильность электролита, % |
100 |
Включение дисперсных частиц в покрытия приводит к структурным изменениям металлической матрицы, что сказывается на свойствах осадков. Увеличение износостойкости вероятно связано с тем, что фторопласт, который при электроосаждении включается в осадок, выполняет функции сухой смазки, размазываясь при трении по поверхности изделий. Т.е. на металлической поверхности формируется пластичный слой (трибополимерная пленка) с низким коэффициентом трения и низким сопротивлением сдвигу. Наличие фторопласта непосредственно в гальваническом покрытии и на его поверхности облегчит процесс образования трибополимерной пленки при добавлении смазки и еще более снизит коэффициент трения.
Износостойкость композиционного покрытия никель-фторопласт в 3 – 4 раза превышает износостойкость чистого никеля (1,8 – 2,4 мкм/ч), осажденного из хлоридного электролита [12], и в 1,5 – 2 раза хрома (1,1 – 1,3 мкм/ч), осажденного из электролита состава, г/л: хромовый ангидрид 250, серная кислота 2,3 при температуре 60 °С, катодной плотности тока 60 А/дм2 [13]. Коэффициент сухого трения для композиционного покрытия со сталью Ст 45 в 1,5 – 1,6 раза ниже, чем у никеля (0,21 – 0,22) и в 1,2 – 1,3 раза, чем у хрома (0,16 – 0,18). Это позволяет использовать композиционное покрытие никель-фторопласт в качестве износостойкого покрытия в машиностроении при небольших нагрузках. Указанное покрытие может эксплуатироваться при нагрузке до 2,5 МПа и скорости скольжения до 3 м/с. При увеличении нагрузки при трении на поверхности покрытия образуются “задиры”.
Коррозионная стойкость металла является важным показателем для покрытий. Наиболее правильное представление о коррозионной стойкости изделий может быть получено при испытаниях в естественных условиях эксплуатации (полевые и натурные испытания), но они являются продолжительными. Для определения коррозионной стойкости изделий обычно ограничиваются ускоренными коррозионными испытаниями [14]. Испытания коррозионной стойкости покрытий никель-фторопласт, осажденных из электролитов приведенных выше, и покрытия никель из хлоридного электролита [13] проводили с помощью метода «Corrodcote». Площадь прокородировавших участков относили к единице поверхности образца. Результаты коррозионных испытаний показали, что композиционные покрытия никель-фторопласт по коррозионной стойкости в 5 – 7 раз превосходят коррозионную стойкость чисто никелевые покрытия.
Выводы
1. Разработан хлоридный электролит для нанесения износостойкого композиционного покрытия никель- фторопласт состава, г/л: хлорид никеля шестиводный 200 – 300; борная кислота 30 – 40; сахарин 1,0 – 2,0; 1,4-бутиндиол 0,5 – 0,8; ФЭ 0,1 – 0,6. Режимы электролиза: рН 1,0 – 5,0; температура 20 – 60 оС; плотность тока 0,5 – 9 А/дм2; перемешивание со скоростью 80 – 120 об/мин.
2. Износостойкость композиционного покрытия никель-фторопласт превышает в 3 – 4 раза износостойкость чистого никеля и в 1,5 – 2 раза – хрома. Коэффициент сухого трения у КЭП ниже в 1,5 – 1,6 раза, чем у никеля и в 1,2 – 1,3 раза, чем у хрома. Это позволяет использовать композиционное покрытие никель-фторопласт в качестве износостойкого покрытия взамен хрома при небольших нагрузках (до 2,5 МПа) и скоростях скольжения (до 3 м/с).
3. Коррозионная стойкость композиционного покрытия никель-фторопласт примерно в 5 – 7 раз превышает, коррозионную стойкость чистого никеля.