Композиционно-кластерные гальванические покрытия на основе «Трёхвалентного» хрома и сплавов никеля

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 621. 357. 7
КОМПОЗИЦИОННО-КЛАСТЕРНЫЕ ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ «ТРЁХВАЛЕНТНОГО» ХРОМА И СПЛАВОВ НИКЕЛЯ
© 2012 Р.К. Салахова1, В.В. Семенычев1, А.Б. Тихообразов1, И.В. Исходжанова2
'-Ульяновский научно-технологический центр Всероссийского института авиационных материалов 2 Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский институт авиационных материалов», г. Москва
Поступила в редакцию 10. 10. 2012
Исследованы триботехнические характеристики антифрикционных, износостойких кластерных никелевых и хромовых композиционных покрытий, модифицированных микрочастицами оксидов металлов. Выбраны способы введения частиц в электролиты и доставки их к покрываемой поверхности, проведена оценка распределения микрочастиц в матрице покрытия. Методом математического планирования экспериментов оптимизированы режимы осаждения композиционных покрытий и рассчитаны уравнения регрессии, позволяющие получать покрытия с заданными свойствами. Ключевые слова: композиционные никелевые и хромовые покрытия, наноразмерные частицы оксидов металлов, микрочастицы А1203+ Мо82, трение-износ
Создание композиционных электрохимических покрытий (КЭП) является одним из наиболее важных направлений современной гальваники и диктуется потребностью машиностроительной отрасли в увеличении ресурса деталей пар трения-скольжения. Перспективность технологических процессов упрочнения изделий композиционными покрытиями обусловлена уникальными свойствами формируемых осадков, сочетающих в себе характеристики матрицы и вводимого наполнителя, а также более низкой себестоимостью КЭП по сравнению с осаждением многокомпонентных сплавов [1].
Многочисленные публикации отечественных и зарубежных авторов в основном посвящены композиционным покрытиям на основе никеля [2, 3], а статей и патентов касающихся КЭП на основе хрома значительно меньше, причем большая часть из них относится к покрытиям с «шестивалентной» матрицей. Создание композиционных покрытий на основе трёхвалентного хрома является наиболее перспективным направлением в этой области, обеспечивающим не только получение заданного уровня свойств, но и снижение класса экологической опасности процесса хромирования с 1-го на 2-ой. Разрабатываемые нами так называемые композиционно-кластерные гальванические покры-Салахова Розалия Кабировна, кандидат технических наук, начальник сектора. E-mail: untcviam@viam. ru Семенычев Валентин Владимирович, кандидат технических наук, начальник лаборатории. E-mail: untcviam@viam. ru
Тихообразов Андрей Борисович, ведущий инженер-технолог. E-mail: untcviam@viam. ru
Исходжанова Ирина Васильевна, научный сотрудник. E-mail: irna. iskh@gmail. com
тия (ККГП), т. е. покрытия, полученные в электролитах в присутствии как наноразмерных, так и микрочастиц различной природы — это новый класс антифрикционных износостойких покрытий, который непременно должен занять свою нишу в многочисленной классификации метал-ломатричных композиционных покрытий.
Для осаждения композиционных покрытий на основе никель-кобальтового сплава в качестве базового состава использовали сульфаминово-кислый электролит, а для получения композиционных покрытий на основе хрома (III) — оксалат-но-сульфатный электролит. В данные электролиты были введены суспензии наноразмерных частиц оксидов металлов (Al2O3, ZrO2) и микрочастиц оксида алюминия а, у фазы, а также дисульфида молибдена, приготовленные диспергированием в ультразвуковой установке. Дисперсность наночастиц составила ~ 40 нм, микрочастиц до 10 мкм. Характеристики нанопорошков Al2O3 и ZrO2 представлены в табл. 1.
На рис. 1 приведены фотографии микрочастиц оксида алюминия (б-фаза Al2O3, оплавленные), полученные с помощью оптического микроскопа фирмы «Leica» и цифровой камеры VEC-335. Микроскопическими исследованиями определена дисперсность и форма вводимых в электролит микрочастиц Al2O3. Установлено, что дисперсная фаза состоит из частиц двух типов: основная часть — круглые сфероидальные микрочастицы диаметром 3−10 мкм, единичные частицы — осколочного типа дисперсностью до 10 мкм.
Покрытия осаждали на образцы из стали 30ХГСА. Никелирование проводили с использованием нестационарных (импульсных) режимов осаждения, оптимизация которых по скважнос-
Механика и машиностроение
Таблица 1. Характеристики наночастиц оксидов металлов
Хар актеристики наноразмерных частиц AW3 (а-фаза, корунд)
Форма частиц сферическая сферическая
Размер частиц, нм 5−100 5 — 100
Среднее значение дисперсности, нм 40 35
2 Удельная площадь поверхности, м /г 32 37
а)
Рис. 1. Изображения частиц порошка Л1203, полученные на оптическом микроскопе в светлом (а) и тёмном (б) поле, х500
ти тока и частоте импульсов обеспечила осаждение никель-кобальтовых сплавов с содержанием кобальта до 20% и величиной микротвёрдости до 6300 МПа. Состав никель-кобальтового сплава определяли методом спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой на приборе ICAP 6500.
С помощью двухфакторной модели математического планирования эксперимента рассчитаны уравнения регрессии осаждения антифрикционных износостойких ККГП на основе хрома (III) и никеля, описывающие зависимость микротвёрдости и скорости осаждения композиционных покрытий от токовых и температурных режимов.
Факторами оптимизации режимов осаждения композиционных покрытий (Х^ Х2) выбраны: для ККГП на основе хрома (III) — плотность тока и температура электролита, для никелевых ККГП — скважность тока и частота импульсов соответственно. Параметрами оптимизации выбраны микротвёрдость покрытий У1 (МПа) и скорость осаждения У2 (мкм/мин). На основании экспериментов, проведённых в соответствии с выбранной матрицей, получены следующие уравнения регрессионной зависимости: Для осаждения ККГП на основе хрома (III): У =10 600 + 280Х — 1170 Х +
1(Cr) 1 2
+ 350 ХлХп — 150 Х2 — 600 Х22 (1)
12
У2 (Сг) = 0,73 + 0,2Х1 — 0,1Х2 Для осаждения ККГП на основе никеля
0,2Х12
У1 = 5700 + 333,3 Х1 — 433,3 Х2 + + 100 Х1Х2 — 100Х22 У2 (Nl) = 0,79 + 0,22 Х1 — 0,12Х2 -- 0,02X1X2 +0,02X12+0,02X22
(2)
(3)
(4)
Отклонение расчётных значений функций отклика от экспериментальных данных для процессов осаждения никелевых и хромовых ККГП
не превышает 10%, что свидетельствует об адекватности полученных математических моделей и возможности их использования для получения покрытий с заранее заданными свойствами.
Как известно, необходимыми условиями включения частиц второй фазы в матрицу покрытия являются их седиментационная устойчивость в электролите, доставка к покрываемой поверхности и заращивание основным металлом. В результате проведённых экспериментов выбран способ доставки микрочастиц к катоду: принудительная подача электролита в прикатодное пространство (циркуляция) — для электролита хромирования- перемешивание электролита воздухом (барботаж) — для электролита никелирования. При этом скорость подачи электролита-суспензии в прикатод-ное пространство, обеспечивающая внедрение микрочастиц в хромовую матрицу, должна составлять порядка 25−30 л/ч-дм2.
Объёмное содержание микрочастиц и характер их распределения в матрице покрытий оценивали металлографическим методом, для чего эмпирическим путём была выведена формула расчёта количества микрочастиц (оплавленных, сфероидальных) в покрытии.
0,525па2
К=--х 100%,
V
где п — количество микрочастиц в плоскости поперечного микрошлифа на поверхности квадрата стороной, равной толщине покрытия, шт- д — толщина покрытия, мкм- d — диаметр микрочастиц, мкм. Таким образом, количество микрочастиц композиции Л120з+Мо82 составило в ККГП на основе никеля — 11,5 об. %, в ККГП на основе
жш
Л, т «•••/. <-
• -г • •: *..
Г-Л'-. -
— Yr& gt-V-: «& lt- • • v • ¦ v
Л: — X, Г:
• • •& quot- '- -«С-. -
. '- -'-л
Чч '-. о--. •
а) б)
Рис. 2. Изображения планарного шлифа ККГП, х200: а — на основе Cr (III) — б — на основе никеля
хрома (III) — 5,8 об. %.
Для оценки морфологии никелевых и хромовых ККГП проведена планарная съемка покрытий методом послойного сложения изображений, снятых с разным фокусом в светлом и темном поле, а также исследованы шлифы по поверхности покрытий (планарные шлифы), фотографии которых представлены на рис. 2.
Из иллюстраций видно, что на поверхности хромовых и никелевых покрытий микрочастицы распределены равномерно. Для оценки толщины покрытий и характера распределения микрочастиц в хромовой и никелевой матрице исследованы поперечные микрошлифы (рис. 3). Установлено, что микрочастицы дисперсностью 5−10 мкм равномерно заращиваются по всей глубине покрытия.
Испытаниями на трение-износ определены триботехнические характеристики разработанных композиционных покрытий и их стандартных аналогов, результаты представлены в табл. 2. Условия проведения испытаний: машина трения И-47- сухое торцовое трение при площади контакта — 2,5 см2- невращающийся образец — исследуемое покрытие, вращающийся образец — - сталь 30ХГСА-
среда — воздух, скорость скольжения 250 об/мин- Рос= 10 кгс, время — 60 мин.
Анализ полученных результатов испытаний на трение-износ позволяет сделать вывод о том, что значения износа стандартного хромового и композиционного никелевого покрытий не отличаются, при этом коэффициент трения сопряжённой пары «ККГП на основе никеля — сталь 30ХГСА» в 1,6 раза ниже, чем пары трения «стандартный хром — сталь 30ХГСА». На основании полученных триботехнических характеристик можно также утверждать о преимуществе разработанных покрытий по сравнению с их аналогами.
На фотографиях рис. 4,5 представлен внешний вид поверхности образцов с хромовыми и никелевыми покрытиями после испытаний на трение-износ. Из иллюстраций видно, что композиционные хромовые и никелевые покрытия, модифицированные сверхтвердыми частицами корунда с добавками антифрикционного наполнителя, обладают бьльшим сопротивлением износу, т. е. износостойкость ККГП на основе хрома и никеля находится в зависимости от микротвёрдости покрытий (микротвёрдость стандартного хромового покрытия — 8500 МПа, композиционного хромо-
а) б)
Рис. 3. Фотографии поперечных микрошлифов ККГП толщиной 25−30 мкм, х500: а — на основе Cr (III) — б — на основе Ni
Табл. 2. Триботехнические характеристики покрытий
Вид покрытия Износ покрытия, мкм Коэффициент трения
Хромовое стандартное 7 0,62
ККГП 4,4 0,5
Никелевое стандартное 11,2 0,52
ККГП 7 0,37
Механика и машиностроение
а) б)
Рис. 4. Внешний вид образцов с хромовыми покрытиями после испытаний на трение-износ, х32: а — стандартное хромовое покрытие- б — ККГП на основе хрома (III)
а) б)
Рис. 5. Внешний вид образцов с никелевыми покрытиями после испытаний на трение-износ, х32: а — стандартное никелевое покрытие- б — ККГП на основе никеля
вого покрытия — 11 500 МПа- микротвёрдость стандартного никелевого покрытия — 3500 МПа, композиционного никелевого покрытия — 6300 МПа).
В результате проведённых исследований разработаны антифрикционные износостойкие композиционно-кластерные гальванические покрытия на основе никеля и «трёхвалентного» хрома, превосходящие по триботехническим свойствам традиционные аналоги. Показано, что созданные композиционные никель-кобальтовые покрытия могут быть использованы в качестве износостойкого покрытия взамен стандартного хромового покрытия.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бородин И. Н. Упрочнение деталей композиционными покрытиями //Машиностроение, Москва, 1982, С. 5.
2. Клеменкова В. С. Соболева Е.С., Кошель С. Г., Доброхотов В. Б. Исследование коррозионного поведения композиционных никель-фторопластовых // Сборник тезисов докладов, 7-ая Международная конференция «Покрытия и обработка поверхности», 2010, С. 42.
3. Целуйкин В. Н., Василенко Е. А., Неверная О. Г., Целуй-кина Г. В. Композиционные покрытия на основе никеля: получение и трибологические свойства // Сборник тезисов докладов, 8-ая Международная конференция «Покрытия и обработка поверхности», 2011, С. 84.
СOMPOSITE-CLUSTER GALVANIC COATINGS BASED ON & quot-TRIVALENT"- CHROMIUM AND ALLOYS OF NICKEL
© 2012 R.K. Salakhova1, V.V. Semionychev1, A.B. Tihoobrazov1, I.V. Iskhodzhanova2
Ulyanovsk Science and Technology Center of the All-Russia Institute of Aviation Materials 2Federal State Unitary Enterprise & quot-All-Russia Institute of Aviation Materials& quot-, Moscow
Tribological characteristics of anti-friction, wear-resistant cluster nickel and chromium composite coatings, modified by microparticles of metal oxide, were researched. Methods of introduction particles in electrolytes & amp- methods of particles delivery to coated surface were chosen. By method of mathematical planning of experiments were optimized deposition conditions of composite coatings & amp- calculated regression equations, which allow obtaining coatings with desired properties.
Keywords: composite nickel and chromium coatings, nanoparticles of metal oxides, microparticles of Al2O3+ MoS2, friction-wear.
Rozalia Salakhova, Candidate of Technical Science, Chief of Sector. E-mail: untcviam@viam. ru
Valentin Semyonychev, Candidate of Technical Science, Chief of Laboratory. E-mail: untcviam@viam. ru Andrey Tihoobrazov, Leading Engineer. E-mail: untcviam@viam. ru
Irina Iskhodzhanova, Fellow. E-mail: irina. iskh @ gmail. com

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой