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

Салахова Розалия Кабировна; Семенычев Валентин Владимирович; Тихообразов Андрей Борисович; Исходжанова Ирина Васильевна

УДК 621.357.7

КОМПОЗИЦИОННО-КЛАСТЕРНЫЕ ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ «ТРЁХВАЛЕНТНОГО» ХРОМА И СПЛАВОВ НИКЕЛЯ

'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: [email protected] Семенычев Валентин Владимирович, кандидат технических наук, начальник лаборатории. E-mail: [email protected]

Тихообразов Андрей Борисович, ведущий инженер-технолог. E-mail: [email protected]

Исходжанова Ирина Васильевна, научный сотрудник. E-mail: [email protected]

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 =10600 + 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>V;: «< • • v • ■ v

Л:; X,Г :

• • •" ' -»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 - 11500 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 "TRIVALENT" CHROMIUM AND ALLOYS OF NICKEL

Ulyanovsk Science and Technology Center of the All-Russia Institute of Aviation Materials 2Federal State Unitary Enterprise "All-Russia Institute of Aviation Materials", 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 & methods of particles delivery to coated surface were chosen. By method of mathematical planning of experiments were optimized deposition conditions of composite coatings & 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: [email protected]

Valentin Semyonychev, Candidate of Technical Science, Chief of Laboratory. E-mail: [email protected] Andrey Tihoobrazov, Leading Engineer. E-mail: [email protected]

Irina Iskhodzhanova, Fellow. E-mail: irina.iskh @ gmail.com

Текст научной работы на тему «Композиционно-кластерные гальванические покрытия на основе «Трёхвалентного» хрома и сплавов никеля»