Свойства электролитического композиционного покрытия на основе сплава никель-бор, осажденного из хлоридного электролита

ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

УДК 621.357.7

СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОГО КОМПОЗИЦИОННОГО ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ СПЛАВА НИКЕЛЬ-БОР, ОСАЖДЕННОГО ИЗ ХЛОРИДНОГО ЭЛЕКТРОЛИТА

© 2012 г. И.Ф. Бырылов, А.В. Арзуманова, В.И. Балакай

Южно-Российский государственный South-Russian State

технический университет Technical University

Разработан хлоридный электролит для нанесения композиционного электролитического покрытия никель-бор-фторопласт. Исследовано влияние режимов электролиза и состава электролита на физико-механические свойства композиционного электролитического покрытия никель-бор-фторопласт, осажденного из хлоридного электролита, и показана возможность замены ими износостойкого хромового покрытия.

Ключевые слова: осаждение; композиционное покрытие; никель-бор-фторопласт; хлоридный электролит; свойства покрытий.

The chloride electrolyte for composite electrolytic nickel-boron-fluoroplastic coating has been developed. Dependence of wear-resistance characteristics and rust resistance of electrolyte composite coating of nickel-boron-fluoroplastic, deposited from chloride electrolyte on electrolyte composition, conditions and modes of electrolysis has been studied.

Keywords: deposition; composite coating; nickel-boron-fluoroplastic; chloride electrolyte; properties coating.

Введение

Износ конструкционных сплавов является главным фактором снижения надежности и срока службы деталей. Интенсивный износ деталей машин при трении приводит к большим затратам на ремонт, изготовление запасных частей, простою оборудования во время ремонта и др. В связи с этим созданию материалов электрохимическими методами, обладающих высокой износо- и коррозионной стойкостью и низким коэффициентом трения, уделяется большое внимание. Наибольшее распространение среди композиционных электролитических покрытий (КЭП) получили покрытия с никелевой матрицей [1]. КЭП на основе никеля характеризуются высокой твердостью и износостойкостью, устойчивостью в коррозионных средах и хорошим внешним видом. С никелем легко соосаж-даются дисперсные частицы различной природы.

Методика эксперимента

Износостойкость покрытий определяли на машине трения, разработанной в ФГУП ОКТБ «Орион» (г. Новочеркасск). Испытания образцов проводили в режимах как сухого трения, так и с применением 3 %-й смазки СОЖ РВ по специальной методике [2]. В качестве образцов использовали шарики из стали ШХ 15, площадью 0,05 дм2, на которые наносили покрытия толщиной 30 мкм. Контртелом служили шайбы из стали марки Ст 45. Значения диаметра пятна износа определяли при помощи микроскопа МИР.

Коррозионную стойкость никелевых покрытий проверяли с использованием пасты «Corrodcote» следующего состава: нитрат меди 0,0355 г, хлорид железа (III) 0,165 г, хлорид аммония 1,0 г, каолин 30 г, вода дистиллированная 50 мл [3]. Испытания осуществляли на образцах площадью 0,08 дм2. Пасту наносили на поверхность образца и выдерживали во влажной атмосфере (92 - 95 %) при 25 оС в течение 20 ч. О повреждении покрытий, доходящем до основного металла, судили по местному выступлению продуктов коррозии основы.

Методика определения содержания бора изложена в работе [4].

Экспериментальная часть

Известен электролитический сплав никель-бор, который предлагается использовать в машиностроении для увеличения срока службы и восстановления деталей машин и механизмов, который обладает высокой износостойкостью [5]. Он отличается повышенной твердостью, коррозионной стойкостью и износостойкостью, что позволяет использовать их для упрочнения поверхности деталей. Для увеличения износостойкости таких покрытий было предложено в состав сплава вводить фторопластовую эмульсию Ф-4Д-Э (ТУ 6-05-041-508-79) (ФЭ).

На основании электролита для нанесения сплава никель-бор разработан электролит для нанесения электролитического композиционного покрытия ни-

кель-бор-фторопласт состава, г/л: хлорид никеля шестиводный 200 - 250, сульфат никеля семиводный 2,5 - 5,0, борная кислота 30 - 40, хлорамин Б 0,5 - 1,5, 1,4-бутиндиол 0,2 - 0,8 мл/л, дикарбоундекарборат калия 1,5 - 4,0, ФЭ 0,1 - 0,8. Режимы электролиза: рН 1,0 - 5,5, температура 18 - 40 оС, катодная плотность тока 0,5 - 12 А/дм2 при перемешивании механической мешалкой с частотой вращения 80 - 120 об/мин.

В табл. 1 приведены составы электролитов для электроосаждения композиционного покрытия никель-бор-фторопласт и сплава никель-бор [6], а значения физико-механических свойств покрытий, осажденных из данных электролитов, представлены в табл. 2. Наличие ФЭ в электролите позволяет электроосаж-дать композиционное покрытие с более высокой износостойкостью. Как видно из таблицы, износостойкость композиционного покрытия никель-бор-фторопласт превышает износостойкость сплава никель-бор в 1,6 - 2,2 раза при сохранении остальных физико-механических свойств покрытий. Это позволяет расширить область применения композиционного покрытия никель-бор-фторопласт в качестве износостойкого покрытия в тех или иных производствах.

На рис. 1 показаны результаты испытаний коррозионной стойкости покрытий никель-бор-фторопласт, никель-бор, осажденных из электролитов, приведен-

Таблица 1

Составы электролитов и режимы электролиза

Состав электролитов и режимы электролиза Концентрация (г/л) компонентов в электролитах для нанесения

композиционного покрытия никель-бор-фторопласт сплава никель-бор

Хлорид никеля шестиводный 200 - 250 200 - 250

Сульфат никеля семиводный 2,5 - 5,0 2,5 - 5,0

Борная кислота 30 - 40 25 - 35

Хлорамин Б 0,5 - 1,5 0,5 - 1,5

1,4-бутиндиол, мл/л 0,2 - 0,8 0,2 - 0,8

Дикарбоундекарборат калия 1,5 - 4,0 1,5 - 4,0

ФЭ 0,1 - 0,8 -

рН электролита 1,0 - 5,0 1,0 - 5,5

Температура, оС 18 - 40 18 - 40

Катодная плотность тока, А/дм2 0,5 - 12 0,5 - 11

Перемешивание, об/мин 80 - 120 -

Таблица 2

Физико-механические свойства покрытий

Характеристики электролита и покрытий никель-бор и никель-бор-фторопласт Показатели электролитов и покрытий

никель-бор-фторопласт никель-бор

Износостойкость в условиях граничного трения со сталью Ст 45 при нагрузке (4 - 5>106 Н/м2, мкм/ч 0,52 - 0,84 1,18 - 1,31

Содержание бора, % по массе 0,7 - 2,5 1,0 - 2,8

Содержание фторопласта, % по массе 0,08 - 0,7 -

ных выше, и никель из хлоридного электролита [6]. Исследования проводились с помощью метода «Cor-rodcoteУ) параллельно на трех одинаковых образцах, покрытых при одинаковых условиях. Площадь про-корродировавших участков, визуально видимых на поверхности образцов, относили к единице поверхности образца.

Рис. 1. Результаты коррозионных испытаний по методу «Corrodcote» покрытий: 1 - никель-бор-фторопласт; 2 - никель-бор; 3 - никель

Очевидно, что композиционные покрытия никель-бор-фторопласт по коррозионной стойкости превосходят покрытия никель-бор и чисто никелевые покрытия. Морфология покрытий никель, никель-бор и никель-бор-фторопласт приведена на рис. 2.

в

Рис. 2. Морфология покрытий на основе никеля, осажденных из электролитов состава, г/л: а - хлорид никеля шести-водный 200, сульфат никеля семиводный 2,5, борная кислота 30, хлорамин Б 1,0, 1,4-бутиндиол 0,4 мл/л; б - а + ди-карбоундекарборат калия 3,0; в - а + дикарбоундекарборат калия 3,0, ФЭ 0,1. Режимы электролиза: рН 4,0, температура 30 оС, катодная плотность тока 3 А/дм при перемешивании механической мешалкой с частотой вращения 80 об/мин

При переходе от сплава никель-бор к композиционному покрытию никель-бор-фторопласт микротопография поверхности осадков меняется. В отличие от сплава, композиционное покрытие имеет шероховатую поверхность, микровыступы которой очевидно образуются при заращивании частиц дисперсной фазы.

Анализ состава композиционного покрытия показал наличие в осадках фтора. Включение дисперсных частиц в покрытия приводит к структурным измене-

Поступила в редакцию

ниям 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. То есть на металлической поверхности формируется пластичный слой (трибопо-лимерная пленка) с низким коэффициентом трения и низким сопротивлением сдвигу. Наличие фторопласта непосредственно в гальваническом покрытии и на ее поверхности облегчит процесс образования трибопо-лимерной пленки и при добавлении смазки и еще более снизит коэффициент трения.

Выводы

1. Износостойкость композиционного покрытия никель-бор-фторопласт превышает в 1,6 - 2,2 раза, в зависимости от условий электролиза, износостойкость сплава никель-бор.

2. Коррозионная стойкость композиционного покрытия никель-бор-фторопласт примерно в 2 - 3 раза выше, чем у сплава никель-бор и в 6 - 8 раз больше, чем у чистого никеля.

Литература

1. Гурьянов Г.В. Электроосаждение износостойких композиционных покрытий. Кишинев, 1985. 240 с.

2. Шульга Г.И. Методические указания по курсу «Технология машиностроения». Новочеркасск, 1989. 26 с.

3. Практикум по прикладной электрохимии / под ред. проф. Н.Т. Кудрявцева, проф. П.М. Вячеславова. Л., 1973. 264 с.

4. Богеншютц А.Ф., Георге У.Т. Электролитические покрытия сплавами (методы анализа). М., 1980. 188 с.

5. Балакай В.И., Балакай И.В. Износостойкость электролитического сплава никель-бор, осажденного из хлоридно-го электролита // Журн. прикладной химии. 2009. Т. 82, вып. 9. С. 1450 - 1452.

6. Исследование свойств никелевых покрытий, осажденных из хлоридного электролита / В.И. Балакай [и др.] // Гальванотехника и обработка поверхности. 2009. Т. 17, № 4. С. 32 - 38.

26 декабря 2011 г.

Бырылов Иван Фадиалович - аспирант, кафедра «Технология электрохимических производств, аналитическая химия, стандартизация и сертификация», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. 8-906-453-15-18. E-mail: balakaivi@rambler.ru Арзуманова Анна Валерьевна - аспирант, кафедра «Аналитическая химия, стандартизация и сертификация», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (86352) 2-55-3-48.

Балакай Владимир Ильич - д-р техн. наук, доцент, заведующий кафедрой «Аналитическая химия, стандартизация и сертификация», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (86352) 2-55-3-48, E-mail: balakai VI@ npi-tu.ru

Birilov Ivan Fadialovich - post-graduate student, department «Technology electrochemical production, analytic chemistry, standardization and certification», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8-906-453-15-18. E-mail: balakaivi@rambler.ru

Arzumanova Anna Valeryevna - post-graduate student, department «Technology electrochemical production, analytic chemistry, standardization and certification», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (86352) 2-55-3-48.

Balakai Vladimir Iljich - Doctor of Technical Sciences, head of department «Technology electrochemical production, analytic chemistry, standardization and certification», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (86352) 2-55-3-48, E-mail: balakai VI@ npi-tu.ru