МОДИФИКАЦИЯ Ni-P ПОКРЫТИЙ МЕТАЛЛОПОЛИМЕРНЫМИ КОМПЛЕКСНЫМИ СОЕДИНЕНИЯМИ

Ю.М. Бережной, Г.А. Данюшина, Ф.П. Дерлугян

Для защиты и восстановления изношенных узлов трения, а также снижения материалоемко­сти в промышленности все чаще исследователи прибегают к выбору способа нанесения защит­ных композиционных покрытий. Из всего мно­гообразия видов покрытий особый интерес, на наш взгляд, представляют химические покрытия. Отличительной особенностью таких покрытий является их высокая равномерность по всей по­верхности изделий сложной конфигурации.

Преимуществом данного вида покрытий пе­ред другими является возможность управления составом и свойствами, а включение в покрытие атомов меди придает ему пластичность и повы­шение износостойкости.

Химически осаждённый никель обладает бо­лее высокими защитными свойствами из-за меньшей пористости, чем никель, осажденный электрохимическим методом.

Решение ряда технологических задач приве­ло к необходимости расширения диапазона ис­пользования Ni-P покрытий, что заставляет ис­кать пути структурной и химической модифика­ции уже известных составов для нанесения по­крытий.

Следует отметить, что использование моди­фицированных покрытий в машиностроении весьма перспективно. Это обусловлено целым рядом полезных на практике свойств, присущих данному покрытию: высокая износостойкость, низкая интенсивность изнашивания сопряжён­ной поверхности, низкий коэффициент трения, высокие удельные нагрузки и скорости скольже­ния. Кроме того, одним из путей улучшения фи­зико-химических свойств металлов и сплавов явля­ется формирование на их основе композитов с раз­личными твёрдыми частицами, в качестве кото­рых обычно выступают углеродные нанотрубки, ультрадисперсные алмазы, карбиды и т.д.

Эффективным способом повышения срока службы ответственных узлов машин и механиз­мов является модификация Ni-P покрытий металлополимерными материалами. Такие покры­тия отличаются механической прочностью и жесткостью, дополняются хорошими антикорро­зионными, антифрикционными, износостойки­ми, электроизоляционными и декоративными свойствами, присущими многим полимерам. Стоит отметить, что одним из способов рацио­нального использования материалов и полиме­ров является изготовление изделий с тонкослой­ными полимерными, наносимыми на поверх­ность металла, покрытиями с заданными свойст­вами.

Использование таких многокомпонентных покрытий, обладающих повышенной износо­стойкостью, коррозионной стойкостью, низким коэффициентом трения будет способствовать повышению надежности и долговечности машин и механизмов. Анализ работ показал, что наиболее эффек­тивно применение соединений меди в виде ком­плексов, образующихся при взаимодействии с водорастворимыми полимерами.

Введение таких соединений в качестве доба­вок в растворы химического никелирования представляет несомненный интерес. Основное внимание в данной статье уделено разработке Ni-P покрытий, модифицированных различными добавками. Модификацию разрабатываемых покрытий проводили путём введения в основной раствор медно-полимерных комплексов.

Предполагалось, что такие комплексы, входя в состав покрытия, будут способствовать реали­зации избирательного переноса и, как следствие, повышению износостойкости.

Для доказательства эффективности приме­нения предполагаемой гипотезы были выполне­ны следующие работы:

  • разработка составов растворов для хими­ческого никелирования с использованием медно­полимерных комплексов;
  • отработка режимов при формировании хи­мическим способом металлополимерных покрытий;
  • физико-механические испытания.

При выполнении данной работы была отра­ботана технология получения медно-полимерных комплексов на основе водорастворимых полиме­ров и комплексных солей меди. Синтезировали медно-полимерные комплексы на основе таких водорастворимых полимеров, как поливинило­вый спирт, поливинилпирролидон, полиакрил­амид, поливинилацетат.

Экспериментально было установлено, что наиболее эффективно для получения медно­полимерных комплексов использовать тетраам­миакат меди, получаемый растворением мелко­дисперсного медного порошка в 25 %-м растворе аммиака в присутствии кислорода воздуха как инициатора. С целью оптимизации состава рас­твора химического никелирования был исследо­ван ряд растворов, содержащих вышеуказанные добавки медно-полимерного комплекса. По ре­зультатам предварительных исследований по определению антифрикционных свойств, твердо­сти, износостойкости в табл. 1 приведены наиболее оптимальные составы разработанных растворов.

Покрытия из разработанных составов нано­сили на образцы из стали СТ30.

Оценку эффективности использования фор­мируемых покрытий определяли по коэффици­енту трения, линейному износу и структуре по­верхностного слоя.

Таблица 1

Компонент Содержание в образцах, г/л
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
 Никеля дихлорид 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10
 Янтарная кислота 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12
 Натрия фторид 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
 Натрия гидроксид 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4
 Медно-полимерный комплекс на    основе: поливинилпирролидона 2 4 6 8
 поливинилового спирта 2 4 6 8
полиакриламида 2 4 6 8
 Натрия гипофосфит 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20
 Вода дистиллированная Остальное
 Режим осаждения
 Температура. °С 70-75 70-75 70-80
 Время осаждения, мин 60 60 60
 Режим термообработки. °С 370-380

Составы растворов для химического никелирования

Зависимость коэффициента трения покрытия от концентрации вводимых добавок определяли на торцевой машине трения при скорости 0,075 м/с, нагрузке 8 МПа. среда – масло МС-20. Полученные данные по изменению коэффициен­та трения от концентрации вводимых добавок представлены на рис. 1.

Рис. 1. Зависимость коэффициента трения покрытия от концентрации вводимых добавок медно-полимерного комплекса на основе: 1 – ПВП; 2 – ПВС; 3 – ПАА.

Как видно из представленных данных, наи­более эффективно оказалось введение в состав раствора медно-полимерного поликомлекса на основе ПВП, у таких покрытий коэффициент трения почти в 2 раза ниже, чем у ПВС и ПАА. Оптимальная концентрация медно-полимерных комплексов на основе водорастворимых полиме­ров, как показали исследования, составляет при­мерно 6 г/л, так как дальнейшее увеличение кон­центрации вводимых веществ способствует не только возрастанию коэффициента трения, но и снижению твердости, что связано с повышением пластичности покрытий из-за введения в его состав медного комплекса на основе водораство­римых полимеров.

Вторым оценочным критерием был весовой износ. Определение весового износа проводили после семичасовых испытаний при скорости 0,075 м/с и удельной нагрузке 5 МПа. Получен­ные данные представлены на рис. 2.

Рис. 2. Диаграмма весового износа: 1 – NiP покрытие; и покрытия, содержащие добавки комплексных соединений
меди на основе: 2 – ПВП; 3 – ВПС; 4 – ПАА.
 

Как видно из диаграммы весового износа, введение медно-полимерных комплексов способ­ствует снижению по сравнению с исходным рас­твором примерно в 1,5 – 2,0 раза. Наиболее эф­фективным в качестве добавки является медно­полимерный комплекс, полученный на основе ПВП. Наблюдается снижение весового износа почти в 2 раза. Это, вероятно, связано с тем, что вводимые медно-полимерные комплексы в про­цессе трения способствуют реализации эффекта избирательного переноса. После испытаний было обнаружено, что на контртеле образуется тонкая медная плёнка, которая и способствует повыше­нию срока службы изделий с покрытием из раз­рабатываемых растворов химического никелиро­вания.

При выполнении данных исследований было замечено, что при формировании покрытий из растворов, содержащих медно-полимерные ком­плексы, происходит цикличное осаждение меди и никеля. Для доказательства цикличного харак­тера осаждения никеля и меди были проведены исследования по изучению механизма осаждения покрытий для образцов № 3 и № 8 (табл. 2).

Таблица 2

Числовые значения функций диапазонных распределений 

Образец № 3

(табл.1)

Образец № 8

(табл.1)

Медь Номер диапазона
0 0 0 1
3 0 0 2
20 0 0 3
10 0 0 4
13 12 0 5
8 10 0 6
20 9 0 7
10 27 47 8
23 46 130 9
39 28 172 10
54 34 264 11
43 100 189 12

Количественную обработку участков раство­рения медных слоев проводили преобразованием хронопотенциограмм (рис. 3) в диапазонные распределения (рис. 4). Диапазон потенциалов 0.5 минус 1 В разделяли на 12 равных поддиапа­зонов и подсчитывали количество точек в интер­вале до 800 отн. ед. На полученных гистограм­мах диапазонных распределений был выделен диапазон максимумов и подсчитано количество значений в нем для каждого образца.

Рис. 3. Хронопотенциограммы меди, покрытий, никеля и железа

Рис. 4. Диапазонные распределения анодной частихронопотенциограмм покрытий

В соответствии с применяемым режимом каждому значению соответствует время 0,05 с. Толщину медного слоя покрытий рассчитывали по времени растворения в соответствии с зако­ном Фарадея:


где m – масса осаждённого на электроде вещест­ва,г;Q – полный электрический заряд, прошедший через вещество; F = 96485,3383(83) Кл·моль-1 – постоянная Фарадея; М – молярная масса вещества; δ — толщина слоя; ρ — плотность вещества; S – площадь.

Суммарная толщина медных слоев состави­ла: образец 3-1,63 мкм; образец 8 – 1,93 мкм.При осаждении покрытий на поверхность образцов происходит формирование пористой структуры покрытия. Введение в покрытие металлополимерных комплексных соединений по­зволяет уменьшить количество микропор, что приводит к образованию гладкой и однородной поверхности (рис. 5). Изучение поверхности по­крытий проводилось на оптическом микроскопе МИМ-8 при увеличении в 900 раз.

Рис. 5. Поверхность осаждаемых покрытий: 1 – NiP покрытие; и покрытия, содержащие добавки комплексных соединений меди на основе: 2 – ПВП; 3 – ВПС; 4 – ПАА.

Таким образом, по результатам выполненной работы можно сказать об эффективности исполь­зования медно-полимерных комплексов в каче­стве добавки для растворов химического никели­рования. Полученные покрытия отличаются не только высоким качеством поверхности, но и имеют высокие эксплуатационные характеристи­ки.

Литература:

  1. Вишенков С.А., Каспарова Е.В. Повышение надежности и долговечности деталей машин химическим никелированием. М.,1963.208с.
  2. Вансовская К.М. Металлические покрытия, нанесенные химическим способом. Л. 1985. 103с. (библиотечка гальваника.Вып.7).
  3. Аппен А.А. Температуроустойчивые неорганические покрытия Л.,1967.240с.
  4. Шалкаускас М.И., Вашкялис А.И. Химическая металлизация пластмасс: 3-е изд., перераб.1985.144с.
Leave A Comment