Применение дисульфида молибдена в композиционных электролитичских покрытиях на основе железа

ПРИМЕНЕНИЕ ДИСУЛЬФИДА МОЛИБДЕНА В КОМПОЗИЦИОННЫХ ЭЛЕКТРОЛИТИЧСКИХ ПОКРЫТИЯХ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА

Е.А. Афанасьев, В.И. Серебровский

Аннотация. Рассмотрена возможность применения дисульфида молибдена в композиционных электролитических покрытиях на основе железа. Представлены результаты исследований по определению износа КЭП железо-дисульфид молибдена.

Ключевые слова: композиционные электролитические покрытия, дисульфид молибдена, износ, коэффициент трения.

В настоящее время одной из основных задач при ремонте техники является повышение износостойкости восстановленных деталей. Данную проблему можно решать применением классических способов упрочнения, таких как: различные виды наплавок; газотермическое напыление; технологии лазерного упрочнения. Эти способы отличаются сложностью оборудования и обязательной последующей механической обработкой, что повышает стоимость восстановления деталей и усложняет процесс восстановления.

На основании данных ГОСНИТИ более 80% вышедших из строя деталей - это детали цилиндрической формы и значение геометрического износа составляет до 0,3 мм. По нашему мнению перспективным способом восстановления является нанесение электролитических покрытий на основе железа с применением переменного ассиметричного тока. Преимущество предлагаемого способа заключается в следующем: отсутствие коробления детали при процессе восстановления; имеются небольшие припуски на конечную механическую обработку (полировку); применение переменного асси-метричного тока позволяет избежать нагрева электролита до температуры 90 0С, что делает процесс электроосаждения более экологичным.

Существенным недостатком электролитического железнения и сплавов на основе железа является невысокая износостойкость, что ввиду технических условий эксплуатации восстановленных деталей не всегда позволяет применять данный способ на ремонтных предприятиях.

Эту проблему можно решить путем осаждения композиционных электролитических покрытий на основе железа. А именно веществом второй фазы использовать частицы твердой смазки.

На основании литературных источников, трудов ученых, мы выяснили, что наиболее распространенными твердыми смазками являются графит, фторированный графит, дисульфид молибдена, нитрид бора, карбид вольфрама [1]. Ввиду своих свойств дисульфид молибдена, является наиболее подходящим, для использования в композиционных покрытия для увеличения износостойкости. Уменьшение износа достигается снижением коэффициента трения, что связано со структурными особенностями Мо82.

Дисульфид молибдена имеет гексагональную слоистую решетку в форме призматического шестигранника. Атомы каждого слоя связаны между собой прочными химическими связями, отдельные слои связаны между собой слабыми молекулярными силами, что обеспечивает легкость скольжения по плоскости спайности. Высокая адгезия дисульфида молибдена к металлам обусловлена прочными молекулярными связями, образуемыми атомами серы с металлом; строение кристаллической решетки обеспечивает наличие важных для смазочных материалов высоких адгезионных свойств [3].

Для получения покрытия за основу был взят электролит для электролитического осаждения железа с 78

применением переменного ассиметричного тока. Технология получения покрытий была разработана в Курской ГСХА. Состав электролита: железо серно-кислое 350 г/л, соляная кислота 1г/л марок «ХЧ» и «ЧДА». Дисульфид молибдена добавляли в электролит в концентрациях 5-30 кг/м3. Режимы нанесения: катодная плотность тока 25 А/дм2,катодно-анодный показатель 8, температура электролита 20...40°С, кислотность рН 1. Проведя анализ работ, результатов практики осаждения композиционных покрытий для осаждения покрытий была выбрана ванна с вогнутым дном и перегородкой, отделяющей пропеллерную мешалку от зоны расположения электродов (рисунок 1). Данная конструкции ванны позволяет обеспечить скорость потока равную 0,15 м/с. Эта скорость обеспечивает постоянную и равномерную концентрацию дисперсных частиц в прика-тодном слое [2,4].

катод; 3-термометр; 4-мешалка; 5-расходомер Вентури; 6- контактный нагреватель

Исследования на износ проводили на машине трения СМЦ-2 в условиях трения без смазки. Полученные результаты свидетельствуют о том, что дисульфид молибдена способствует повышению износостойкости покрытия железо-дисульфид молибдена. Причем темп изнашивания осадков чистого железа оказался более высоким чем у покрытий с дисульфидом молибдена. Наиболее износостойким был осадок, полученный из электролита с концентрацией MoS2 - 20 кг/м3. Химический анализ показал, что при данной концентрации молибденита в электролите, в покрытии его - 4 %.

Весовой износ этого покрытия составил 2,7 10-6 кг (рисунок 2). В сравнении с чистым железным покрытием износ которого составляет 10-10-6 кг, видно, что покрытия с MoS2 обладают более высокой износостойкостью. Необходимо отметить, что наряду с уменьшением износа детали с покрытием, наблюдается и уменьшение износа сопряженной детали (в нашем случае колодки, изготовленной из серого чугуна). Сравнительные результаты представлены на рисунке 3.

По разработанной Р.С. Сайфуллиным [5,6] теории образования КЭП, объемное содержание ау частиц второй фазы в покрытии находится в прямой зависимости от концентрации частиц в суспензии и рассчитывается:

где а1Г- объемное содержание частиц в покрытии, %;

- концентрация веществ второй фазы в электролите-суспензии, г/см3;

рд - плотность веществ второй фазы, г/см3.

2

0 1 2 3 4 5 6

концентрация дисульфида молибдена в покрытии %

Рисунок 2 - Зависимость износа покрытия железо-фосфор-дисульфид молибдена от концентрации дисульфида молибдена в покрытии

Рисунок 3 - Сравнительная диаграмма износа электролитического железа и КЭП с дисульфидом молибдена

Нами, методом химического анализа, было определено объемное содержание дисульфида молибдена в покрытии, при различных концентрациях его в электролите-суспензии. Сравним полученные данные объемного содержания дисульфида молибдена в покрытии с расчетными по зависимости от концентрации MoS2 в электролите:

Таблица 1 - Объемное содержание дисульфида молибдена в покрытии, в зависимости от концентрации

Как видно, экспериментальные и расчетные данные близки, что подтверждает взаимосвязь между концентрацией дисперсной фазы в электролите и ее содержание в покрытии.

Наличие оптимума содержания дисульфида молибдена соответствует минимальному износу, связано, вероятно с тем, что при низком содержании дисульфида молибдена - смазка неэффективная, а при более высоком она уменьшает прочность и вязкость осадков.

Снижение износа КЭП, связано с тем, что частицы дисульфида молибдена, выходя в процессе износа покрытия на поверхность трения, размазываются по ролику и колодке и образуют граничные пленки, предотвращающие металлический контакт и разрушение микроучастков поверхности. Места вкрапления частиц служат дополнительными резервуарами смазки, благодаря которым поддерживается режим граничного трения.

Повышение износа покрытия при увеличении содержания в них дисульфида молибдена свыше опти-

мального (более 4%), связано с тем, что частицы, включаясь в межкристаллические области, ухудшают сцепление отдельных зерен осадка между собой и приводят к увеличивающемуся их отрыву при приложении тангенциальных усилий [4-7].

Все вышеописанное ведет к снижению коэффициента трения, который в своих исследованиях мы определяли также как и износ с использованием машины трения СМЦ-2. Было определено, что наименьшим коэффициентом трения обладает покрытие с оптимальным содержением дисульфида молибдена в покрытии -4%, и равен 0,2. Для сравнения коэффициент трения чистого электролитического железа 0,4.

Очевидно, что применение композиционного покрытия Fe-MoS2, позволяет значительно повысить износостойкость восстановленных деталей, в сравнении с чистым электролитическим железом.

Выводы:

1. Разработана технология получения КЭП железо-фосфор-дисульфид молибдена.

2. Проведены исследования на износ покрытий, полученных при различных концентрациях дисульфида молибдена в электролите. Выявлено, что оптимальное количество молибденита в электролите составляет 20 кг/м3, что соответствует 4% MoS2 в покрытии. Износ при этом составляет 2,7 -10-6 кг.

3. Проведен анализ экспериментальных данных объемного содержания дисульфида молибдена в покрытии с расчетными. Полученные результаты соответствует теории образования КЭП.

4. Коэффициент трения железо-дисульфид молибденового покрытия равен 0,2, что на 50% ниже чем коэффициент трения чистого электролитического железа.

Список использованных источников

1 Смирнов Н.А. Повышение работоспособности подвижных соединений за счет модификации поверхностных слоев методами комбинированных технологий: дисс. докт. техн. наук. - Красноярск, 2006. - 478 с.

2 Кисель Ю.Е. Повышение износостойкости быстроизнашиваемых деталей сельскохозяйственной техники композиционными электрохимическими покрытиями на основе сплавов железа: дисс. канд. техн. наук. - М., 2001. - 187 с.

3 Пугина Л. И. Дисульфид молибдена, его свойства и применение. - Киев : Наук. думка, 1968. - 50 с.

4 Гурьянов Г.В. Электроосаждение износостойких композиций. - Кишинев: Штиинца, 1985. - 240 с.

5 Сайфуллин P. С. Комбинированные электрохимические покрытия и материалы. - М.: Химия, 1972.-168 с.

6 Сайфуллин Р.С. Композиционные покрытия и материалы. - М.: Химия, 1977. - 272 с.

7 Бородин И.Н. Упрочнение деталей композиционными покрытиями. - М.: Машиностроение, 1982.

Информация об авторах

Афанасьев Евгений Андреевич, заместитель директора МЦИТО ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА»

Серебровский Владимир Исаевич, доктор технических наук, профессор, проректор по учебной работе ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА».

в электролите

Концентрация в электролите Сф, кг/см3 av экспериментальная, % av расчетная, %

5 1 0,98

10 2 1,97

20 4 3,95

30 6 5,92