Scientific journal
Modern high technologies
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,021

THE COPPER CONTAINING COATINGS FROM SULFATE ELECTROLYTE-COLLOID WITH ANTI-FRICTION PROPERTIES

Tamazova N.A. 1 Ivanov V.V. 1, 2
1 Platov South-Russian state polytechnic university (NPI)
2 J-SC SDTU «ORION»
Обсуждаются возможный механизм электродного процесса в низкоконцентрированном сульфатном электролите-коллоиде блестящего меднения и фрикционные свойства медьсодержащих покрытий. Установлено, что замедленной стадией электродного процесса является диффузия разряжающихся ионов. Подтверждено участие в катодном процессе коллоидных частиц. Присутствие в электролите тиомочевины и ОС-20 обеспечивает образование в покрытиях неметаллических включений на основе гидроксидо-оксидов и сульфидов меди. Эти включения оказывают влияние на триботехнические характеристики покрытий, снижая коэффициент трения скольжения до 0,15, что связано с попаданием в зону трения ионов меди, а также лигандов, способствующих улучшению избирательного переноса.
The possible mechanism of the electrode process in low concentration sulfate electrolyte-colloid of shining coppering and the friction properties of the copper containing coatings were discussed. It’s established that the diffusion of the discharging ions is the reduced stage of the electrode process. The participation of the colloid particles into cathode process was confirmed. The both TM and OC-20 presence into electrolyte are provided the nonmetal inclusions formation based on copper hydroxide-oxides and sulfides. These inclusions are influence on to tribologic properties of coatings and reduced the coefficient of the sliding friction to 0,15. It’s limited by presence into friction zone the copper ions and ligandes which improve the electoral transfer.
copper containing coatings
sulfate electrolyte-colloid
the coefficient of the sliding friction
the electoral transfer

Применение гальванических покрытий на основе меди, осаждённых из электролита-коллоида – наиболее перспективное направление в создании новых антифрикционных износостойких материалов, т.к. при электроосаждении металлов из электролитов-коллоидов возможно включение дисперсной фазы в композиционное электролитическое покрытие. Наличие включений может существенно изменить триботехнические характеристики покрытий [1]. Композиционные электролитические покрытия, полученные на основе меди, относятся к самосмазывающимся покрытиям с антифрикционными свойствами [3].

В [1–4] предложен способ интенсификации электроосаждения металла за счет применения электролитов-коллоидов, в которых наряду с ионами растворимых соединений до металла восстанавливаются коллоидные частицы малорастворимых соединений, исследованы кинетика и механизм электрохимических реакций, происходящих в электролите-коллоиде. Актуальным представляется изучение механизма электродного процесса в сульфатном низкоконцентрированном электролите-коллоиде меднения (CuSO4*5H2O – 60–70 г/л; H2SO4 15–20 г/л). Для повышения катодной поляризации, блеска гальванических покрытий и улучшения рассеивающей способности в электролит вводили поверхностно-активные вещества. Для достижения термодинамической устойчивости в электролите в качестве эффективных стабилизаторов коллоидов и блескообразующих добавок использовали тиомочевину и ОС-20. Концентрация тиомочевины и ОС–20 была выбрана, исходя из предельно допустимой плотности тока. Покрытия получены блестящие при плотности тока 0,5–2 А/дм2, температуре 18–25 °С, выход по току составлял 100 %.

Исследование медьсодержащего покрытия из сульфатного электролита-коллоида

Для выяснения механизма электродного процесса исследован электролит с добавкой индифферентного компонента – 0,5 моль/л Na2SO4. Установлено, что при введении этого компонента предельный ток снижается в связи с возможным исключением миграции и электрофореза коллоидных электроактивных частиц. Для выявления природы процессов, обуславливающих увеличение предельного тока в отсутствие индифферентного компонента, использовали метод нанесения на поверхность исследуемого электрода агар-агарового геля [5]. Агар-агаровый гель является фильтром для коллоидных частиц и тем самым предотвращает их участие в катодном процессе. На поляризационных кривых отсутствует последний участок, связанный с восстановлением коллоидных частиц. Установлено, что замедления диффузии ионов меди в пленке агар-агарового геля не происходит.

На хронопотенциограммах, полученных при различных плотностях тока, обнаружены две задержки потенциала, соответствующие переходным временам t1, t2. Величина каждого определена графически [6]. Для первого процесса произведение jt11/2 не зависит от j, что указывает на замедленную стадию диффузии разряжающихся ионов меди. Переходное время t1 обусловлено разрядом ионов меди. Величина t2 не зависит от плотности тока. Независимость t2 от j указывает на то, что массоперенос обусловлен миграцией ионов меди и электрофорезом коллоидных частиц. Полученная величина коэффициента диффузии ионов меди равна 0,55×10-7 дм2/с, что хорошо согласуется со справочными данными (для предельно разбавленных растворов – 0,72×10-7 дм2/с) [7].

Фазово-разупорядоченное состояние поверхности многофазных антифрикционных покрытий описывается как совокупность фазовой и структурно-фазовой разупорядоченностей, а также структурной разупорядоченности в отдельных кристаллических фазах [8–20]. Состояние фазовой разупорядоченности сопровождается 2D распределением каждой из фаз от упорядоченного до полностью разупорядоченного, а также квазинепрерывным или дискретным распределением микрочастиц фаз по размерам [10, 16–20]. Системы квазиупорядоченных замкнутых фрактальных кривых могут быть аппроксимантами для 2D сетки межфазных границ [10, 19–22].

С целью проверки предположения об антифрикционных свойствах поверхности полученных медьсодержащих покрытий было исследовано влияние органических добавок и величины удельного давления на коэффициент трения скольжения (рисунок). Электролиты состава, моль/л: CuSO4 – 0,25; H2SO4 – 0,4; NaCl – 0,03×10-3 , концентрация тиомочевины – 0,4×10-4; ПЭИ – 1,5 мл/л; ОС-20 – 2,0 г/л.

Установлено, что присутствие всех исследуемых добавок в электролитах приводит к снижению коэффициента трения, но в наибольшей степени этот эффект выражен для сочетания тиомочевина – ОС-20 в количествах, соответствующих наибольшему содержанию гидроксидных и сульфидных включений. Механизм триботехнического действия как гидроксидных, так и сульфидных включений, можно связать с лёгким переходом их в состояние поверхностной сильно дефектной плёнки при трении (фазово-разупорядоченное состояние), что создаёт благоприятные условия для избирательного переноса медьсодержащих частиц [20, 22–28].

Выводы

Установлено, что замедленной стадией электродного процесса является диффузия разряжающихся ионов, а также подтверждено участие в катодном процессе коллоидных частиц. Присутствие в электролите тиомочевины и ОС-20 обеспечивает образование в покрытиях неметаллических включений на основе гидроксидо-оксидов и сульфидов меди. Эти включения оказывают существенное влияние на триботехнические характеристики покрытий, снижая коэффициент трения скольжения до 0,15, что можно связать с попаданием в зону трения ионов меди, а также лигандов, способствующих интенсификации избирательного переноса.

tam1.wmf

Зависимость коэффициента трения медьсодержащих покрытий от поверхностно-активных веществ. Обозначения: кружки – тиомочевина, ОС-20, ромбики – тиомочевина, ПЭИ, треугольники – не содержит органической добавки