Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,736

ПОЛУЧЕНИЕ И СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИОННОГО ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ

Иванов В.В. 1 Балакай В.И. 1 Щербаков И.Н. 1 Арзуманова А.В. 1 Старунов А.В. 1 Мурзенко К.В. 1
1 ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) им. М.И. Платова»
Обсуждаются способ получения и свойства износостойкого антифрикционного композиционного покрытия на основе никеля. Предложены состав электролита и режим электролиза для получения гальванических покрытий системы никель – фторопласт. Исследована морфология покрытий никель-фторопласт в зависимости от содержания фторопласта. Изучены физико-химические свойства композиционных покрытий, в частности, износостойкость, микротвердость, пористость, коррозионная стойкость, коэффициенты трения (со смазкой и без смазки). Установлено, что по сравнению с чистым никелем износостойкость исследованных композиционных покрытий никель – фторопласт выше в 3 – 4 раза, коррозионная стойкость – выше в 5 – 7 раз, а коэффициент сухого трения для пары трения покрытие/сталь марки Ст45 снижается в 1,5 – 1,6 раза.
композиционное покрытие
антифрикционные свойства
износостойкость
коррозионная стойкость
никель.
1. Иванов В.В., Щербаков И.Н. Моделирование композиционных никель-фосфорных покрытий с антифрикционными свойствами. – Ростов н/Д: Изд-во журн. «Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион», 2008. – 112 с.
2. Иванов В.В., Щербаков И.Н., Логинов В.Т., и др. Химическое наноконструирование композиционных материалов и покрытий с антифрикционными свойствами. – Ростов н/Д: Изд-во журн. «Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки», 2011. – 132 с.
3. Иванов В.В., Щербаков И.Н. О структурообразовании химически осажденного никель-фосфорного покрытия, модифицированного политетрафторэтиленом // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. Науки. – 2006. – Прил. № 2. – С. 117-119.
4. Иванов В.В., Кукоз Ф.И., Балакай В.И., и др. Анализ синергетического эффекта в электролитических покрытиях на основе никеля. // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. – 2007. – № 5. – С. 56-58.
5. Ivanov V.V., Balakai V.I., Ivanov A.V., Arzumanova A.V. Synergism in composite electrolytic nickel-boron-fluoroplastic coatings // Rus. J. Appl. Chem. – 2006. – Т. 79. – № 4. – С. 610-613.
6. Ivanov V.V., Balakai V.I., Kurnakova N.Yu. et al. Synergetic effect in nickel-teflon composite electrolytic coatings // Rus. J. Appl. Chem. – 2008. – Т. 81. – № 12. – С. 2169-2171.
7. Balakai V.I., Ivanov V.V., Balakai I.V., Arzumanova A.V. Analysis of the phase disorder in electroplated nickel-boron coatings // Rus. J. Appl. Chem. – 2009. – Т. 82. – № 5. – С. 851-856.
8. Сайфуллин Р.С. Неорганические композиционные материалы. – М.: Химия, 1983. – 303 с.
9. Сайфуллин Р.С., Абдуллин И.А. // Российский химический журнал. – 1999. – Т. 63. – № 3. – С. 63-65.
10. Чегодаев Д.Д., Наумова З.К., Дунаевская Ц.С. Фторопласты. – Л.: ГНТИХЛ, 1960. – 192 с.
11. Балакай В.И. Закономерности электроосаждения никеля, серебра и сплавов на их основе: технологические, ресурсосберегающие и экологические решения: дис. … д-ра техн. наук. – Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2004. – 342 с.
12. Патент 2297476 РФ, МПК 7С 25D 15/00. Электролит для осаждения композиционного покрытия никель-фторопласт / В.И. Балакай, И.В. Балакай, Ю.Я. Герасименко. № 2005130886/02(034622); Заявл. 05.10.2005; Опубл. 20.04. 2007; Бюл. № 11.
13. Балакай В.И., Арзуманова А.В., Балакай К.В. // Журнал прикладной химии. – 2009. – Т. 82. – Вып. 12. – С. 1372-1378.
14. Розенфельд И.Л., Жигалова К.А. Ускоренные методы коррозионных испытаний материалов (теория и практика). – М.: Металлургия, 1970. – 353 с.

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.


Библиографическая ссылка

Иванов В.В., Балакай В.И., Щербаков И.Н., Арзуманова А.В., Старунов А.В., Мурзенко К.В. ПОЛУЧЕНИЕ И СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИОННОГО ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ // Успехи современного естествознания. – 2015. – № 1-8. – С. 1335-1338;
URL: http://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=35395 (дата обращения: 14.10.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074