Влияние фторированных поверхностно активных веществ на физико-механические свойства никель фосфорных покрытий

Влияние фторированных поверхностно активных веществ на физико-механические свойства никель фосфорных покрытий В.Т.Логинов, П.Д. Дерлугян, Г.А. Данюшина, В.Г. Шишка, И.В. Иванова, Ю.М. Бережной, И.А. Торопков

Нанесение композиционных покрытий, в частности никель-фосфорных, на детали машин и механизмов, методом химического осаждения, является одним из эффективных способов повышения их триботехнических характеристик, защитных свойств и износостойкости.

Все большее значение приобретает применение металлов в сочетании с полимерами. При этом во многих случаях удается наилучшим образом решать многие проблемы, поставленные перед современным материаловедением. Одним из способов рационального использования свойств материалов и полимеров является изготовление изделий с тонкослойными металлополимерными покрытиями, наносимыми на поверхность металлов. Такие изделия отличаются механической прочностью и жесткостью, характерные для металлов, дополняются хорошими антикоррозионными, антиадгезионными, антифрикционными, износостойкими, электроизоляционными и декоративными свойствами, присущими многим полимерам[1].

Эффективным способом повышения срока службы ответственных узлов и механизмов является нанесение металлополимерных покрытий методом химического восстановления. Химическое осаждение металлов позволяет получать равномерные покрытия на поверхности сложной конфигурации и поэтому в некоторых случаях может быть более удобным, чем гальванический метод при нанесении покрытий на металлы.

Применение тонкослойных покрытий дает возможность при малых затратах и сравнительно простой технологии реставрировать изношенные детали, используемые в узлах трения.

В основе метода лежит реакция взаимодействия ионов металла с растворенным восстановителем на поверхности металла. Окисление восстановителя и восстановление ионов металла протекают с заметной скоростью только на металлах, проявляющие авто-каталитические свойства это означает, что металл, образовавшийся в результате химического восстановления из раствора, катализирует в дальнейшем реакцию окисления восстановителя. Таким свойством обладают никель, кобальт, железо, медь, золото, палладий, родий, рутений, олово, свинец, индий. Если осаждаемый металл не проявляет автокатали-тические свойства, то реакция восстановления ионов металла протекает во всём объёме раствора приводит к образованию металлического порошка. Вот почему не любой метал можно получить в виде покрытия химическим восстановлением.

Перед нанесением химического покрытия поверхность образца должна быть подготовлена соответствующим образом. Характер предварительной обработки поверхности зависит от природы материала, на который осаждается покрытие[2].

Целью данной работы является исследование влияния фторсодержащих поверхностно-активных веществ (ФПАВ), вводимых в состав растворов химического никелирования, на триботехнические защитные и адгезионные свойства формируемых из разработанных растворов никель-фосфорных покрытий.

В качестве ФПАВ были использованы неанионные поверхностно активные веще-ства(ПАВ) производства фирмы Бирои:

ФПАВ №1 Я1 Б2СН2 СН2 0(СН2 СН)2 Н;

ФПАВ №2 Я2 Б2СН2 СН2 0(сН2 СНЪ Н;

ФПАВ №3 Я1 Б2СН2 СН2 0(СН2 СН)Н.

Для сравнения использовали моющее средство «Прогресс». В ходе выполнения работы был разработан ряд растворов для химического никелирования, содержащих исследуемые добавки[3].

. За основу был взят стандартный раствор химического никелирования, состава, г/л: никель двухлористый - 4-6; янтарная кислота - 10-12; натрий фтористый - 1-2; натрия гидроокись - 4; натрия гипофосфит - 15-20. Добавки вводили в количестве 4 г/л.

Внешний вид - бледно-желтая вязкая жидкость, имеющая своеобразный запах.

Свойства ФПАВ по многим параметрам существенно отличаются от свойств не-фторированных ПАВ, что обусловлено особенностями природы фторуглеродного радикала. Атомы Б образуют вокруг углеродной цепи более плотную и одновременно более объемную оболочку, чем атомы Н. Высокая энергия связи С — Б, а также защитный "экран" из атомов Б, "изолирующий" углеродную цепь от внешних химических воздействий, определяют высокую термическую и химическую стойкость и чрезвычайно низкую когезию ФПАВ. Последнее обусловлено слабым межмолекулярным взаимодействием, проявляющимся, например, в низком поверхностном натяжении (а) растворов ФПАВ и низким поверхностным натяжением смачивания (ас) твердых поверхностей, покрытых адсорбционным слоем ФПАВ. Наиболее активные ФПАВ (производные перфтороктановой кислоты и перфгоролигоэфиркарбоксилат аммония) снижают поверхностное натяжение воды с 72,7 до 12-15 мН/м при концентрации порядка 10"3 моль/л, тогда как углеводородные ПАВ - лишь до 25-28 мН/м.

В промышленности ФПАВ используют в технологических процессах и в составе ряда материалов и продуктов главным образом технологического назначения, где нефто-рированные ПАВ не эффективны или не выдерживают действия высоких температур или агрессивной среды. Аммониевые соли перфторнонановой и перфторполиэфиркарбоновых кислот - эмульгаторы при получении политетрафторэтилена и поливинилиденфторида;

Для повышения качества гальванические покрытия и сокращения потерь раствора электролита. Препараты "Хромин" (таблетированная смесь перфторэтилцик-логексансульфоната) и "Хромоксан"(основа-перфторолигоэфирсульфонат) применяют при электролитическом хромировании металлов [4].

Однако, несмотря на имеющиеся литературные данные о составных способах нанесения композиционных покрытий, отработанной технологии нанесения композиционных металлополимерных покрытий с применением ФПАВ, с высокой износостойкостью и адгезией к металлу практически нет.

В связи с этим поиск новых путей и способов формирования покрытий на металле является актуальным и имеет научный и практический интерес. Химически осаждаемые никель - фосфорные покрытия широко применяются для улучшения функциональных свойств деталей из конструкционных сталей, таких как коррозионная стойкость, твердость, износостойкость.

При выполнении данной работы была поставлена задача разработки покрытия обладающего олеофобностью и гидрофобностью.

Данная работа посвящена изучению влияния фторированных ПАВ на свойства получаемых покрытий.

В ходе выполнения работы был разработан и исследован ряд растворов содержащих эти добавки. Нанесение покрытий на образцы производилось в течение 60 минут при температуре 70-80°С . Составы разработанных растворов для химического осаждения покрытий приведены в таблице 1.

Таблица№ 1.

Соста вы разработанных и исследованных растворов для химического никелирования

№ п/п Наименование компонентов Содержание, г/л

1 2 3 4 5 6 7 8

1 Никель двухлорист 9 9 9 9 9 9 9 9

2 Янтарная кислота 12 12 12 12 12 12 12 12

3 Натрий фтористый 2 2 2 2 2 2 2 2

4 Натрий гидроокись 4 4 4 4 4 4 4 4

5 ФПАВ № 1 - 4 - - - - - -

6 ФПАВ №2 - - 4 - - - -

7 ФПАВ №3 - - - 4 - 4 - -

8 «Прогресс» - - - - 4 - 4 -

9 ОП-10 - - - - - - - 4

10 ПВП - - - - - 2 2 2

11 Гипофосфит натрия 20 20 20 20 20 20 20 20

Эффективность применения исследуемых веществ в качестве добавок оценивали по скорости осаждения покрытия, микротвердости и структуре поверхностного слоя покрытий.

Основным преимуществом никелевых покрытий, нанесенных химическим путем, является однородность по толщине независимо от формы изделия. На толщину полученных покрытий значительное влияние оказывает температура и время осаждения, тип и количество вводимых добавок. Поскольку для обеспечения коррозионной защиты металла толщина покрытий должна быть не ниже 8 мкм, в работе немалое значение было уделено изучению влияния добавок и их количество на толщину полученных покрытий.

Из разработанных составов на предварительно подготовленные образцы из стали 45 были нанесены покрытия из разработанных составов. Для определения скорости осаждения образцы обезжиривались, промывались дистиллированной водой и взвешивались на аналитических весах с точностью до 0,0001г. Затем на образцы наносили покрытие промывали сначала проточной водой, затем дистиллированной высушивались и взвешивались. Данные эксперимента представлены на рис. 1.

я 4500

С

* 4000

х

3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0

0 1 2 3 4 5 6 7

С, г/л

Рис. 1. Зависимость микротвердости от концентрации ПАВ О -

раствор 1,

1 - раствор 6, 2 - раствор 3, 3 - раствор 2, 4 - раствор 9, 5 — раствор 8.

Толщину покрытия определяли при помощи микрометра после нахождения разницы до и после нанесения покрытия. Результаты измерений представлены на рис. 2.

С, г/л

Рис. 2. Зависимость толщины покрытий от концентрации ПАВ О - раствор 1, 1 - раствор 3, 2 - раствор 2, 3 - раствор 7, 4 - раствор 4, 5 - раствор 5.

С помощью металлографического микроскопа ЕР^ИАКТ была исследована структура поверхностного слоя исследуемых покрытий. Рис 3.

Рис. 3. - Структура поверхности никелевых покрытий 1 - раствор 7 ; 2 -раствор 8; 3 - раствор 9 ; 4 - раствор 1;

Как видно из представленных данных введение ФПАВ №3 и №2 способствует образованию покрытия с более однородной и плотной структурой по сравнению даже с чистым никелем. Введение ФПАВ №1, «Прогресса» и ОП-10 делает структуру более рыхлой и неоднородной, осаждение покрытия идет в виде отдельных конгломератов.

Полученные данные по скорости осаждения и толщина покрытий исследуемых образцов, показали эффективность использования в качестве добавок как ФПАВ, так и моющего средства «Прогресс».

Таким образом, полученные результаты показали эффективность введения ФПАВ в состав растворов химического никелирования.

Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение № 14. U01.21.1078.

Литература

1. Хаитов Р.М. Химическое никелирование: вчера и сегодня // Наука в России№4 , 2004.

2. Получение композиционных покрытий методом химического осаждения. Л.: Наука 1979 - 53с.

3. Сайфулин Р.С.. Композиционные покрытия и материалы. М., Химия, 1977,- 303с.

4. Игнатенко Н.Л., Дерлугян И.Д., Данюшина Г.А., Отыч Н.А., Логинов В.Т.,

Левинцев В.А. Повышение износостойкости никель-фосфорных покрытий./ Проблемы синергетики в трибологии, трибоэлектрохимии, материаловедении и мехатронике: Материалы 11-й Международн.науч.-техн. конф.-Юж.Рос.техн.ун-т (НИИ)- Новочеркасск: ЮРГТУ, 2003-4.1.-62с.