На сегодняшний момент разработано достаточно много композиционных Ni-P покрытий с различными характеристиками и для разных условий применения [6, 7, 30–33]. Перспективным для повышения физико-механических свойств композиционных покрытий является их модифицирование высокодисперсными материалами, в том числе и наноразмерными [6]. Известны композиционные Ni-P покрытия с различными модификаторами, повышающими износостойкость и снижающими величину коэффициента трения [6, 30–33]. Одним из таких перспективных модификаторов является полититанат калия, представляющий собой слоистые нанокристаллы чешуйчатой формы, имеющие толщину 20–80 нм и «диаметр» 280 нм. Введение полититаната калия способствует повышению микротвердости, снижению коэффициента трения и увеличению скорости нанесения покрытия.
Технология нанесения композиционного Ni-P покрытия, модифицированного полититанатом калия
В раствор для химического нанесения, содержащий хлорид никеля шестиводный, натрий уксуснокислый, гипофосфит натрия, вводим наночастицы полититаната калия и нитрата серебра. Состав раствора для нанесения композиционного Ni-P покрытия модифицированного полититанатом калия, г/л: никель хлористый шестиводный – 20–25; гипофосфит натрия – 8–20; натрий уксуснокислый – 8–15; порошок полититаната калия – 1,5–15; нитрат серебра – 0,5; дистиллированная вода – 1 л.
Дополнительное введение нитрита серебра способствует улучшению трибологических свойств, что подтверждено результатами исследований. Подбор компонентов, входящих в раствор для химического нанесения композиционного Ni-P покрытия, модифицированного полититанатом калия, осуществлялся экспериментальным путем и с учетом фазово-разупорядоченного состояния поверхности композиционного покрытия и поверхности контртела [6, 33].
Раствор для химического нанесения КНФП, модифицированного полититанатом калия готовится следующим образом: один литр дистиллированной воды и нагревается до 55–60 °С, делее при тщательном перемешивании (до полного растворения компонента) вводим соль никеля, уксуснокислого натрия, порошок полититаната калия и нитрид серебра. Для равномерности распределения полититаната калия впокрытий раствор для нанесения перемешивался при помощи магнитной мешалки при 10–40 об/мин. Расчетное количество гипофосфита натрия добавляют при температуре раствора 80–85 °С. Далее загружают стальные детали, доводят температуру раствора до 90–92 °С и поддерживают её в течение всего процесса нанесения покрытия при помощи лабораторного автотрансформатора, а также поддерживая требуемую кислотность раствора на уровне pH – 4,8–5 при помощи 10 % раствора гидроксида натрия. С целью определения введения оптимального количества полититаната калия в раствор для химического нанесения были подготовлены 4 раствора (табл. 1). Перед нанесением покрытия стальные образцы проходили операцию обезжиривания венской известью, травления в растворе соляной кислоты в соотношении 100–200 г/л при температуре 25–30 °С в течение 30–60 секунд и далее промывку водой. После нанесения покрытия, детали подвергали термической обработке в муфельной печи ПМ-1500 при температуре 360 °С в течение одного часа.
Измерения скорости нанесения покрытия для 4 растворов при прочих равных условиях (табл. 2) проводили с использованием толщиномера Константа-К6. Очевидно, что на скорость нанесения влияет количество введённого порошка полититаната калия. Для третьего раствора скорость нанесения покрытия наибольшая и составляет 28 мкм/ч. Можно предположить, что введение порошка полититаната калия в количестве 8 г/л является наиболее оптимальным.
Исследования коэффициента трения и скорости изнашивания полученного покрытия производились на возвратно-поступательной машине трения, скорость перемещения V = 0,04 м/с, давление Р = 1 МПа, температура Т = +(23 ± 2) °С на воздухе. В табл. 2 представлены результаты трибологических исследований после 10 минут испытаний. В качестве контртела использовались образцы из стали 40Х и образцы с нанесенным на сталь 40Х твердым смазочным покрытием, разработанным в особом конструкторско-технологическом бюро «ОРИОН» (г. Новочеркасск) [31]. Испытания проводились без введения дополнительно смазочного материала. Измерения микротвердости проводили на митротвердомере ПМТ-3 при нагрузке на алмазную пирамидку 0,5 Н (табл. 2).
Композиционное Ni-P покрытие, модифицированное полититанатом калия, предлагается наносить на поверхности стальных деталей узлов трения для улучшения её физико-механических свойств.
Можно предположить, что на поверхности композиционного покрытия в процессе трения реализуется комплексное структурное состояние, которое включает в себя, кроме очевидной кристаллической r компоненты также наноразмерную n и фрактальную f. Возможные пространственные компоненты структурных состояний на поверхности и в объеме композиционных материалов и покрытий проанализированы в работах [1, 2, 7–15]. Сформулированы принципы формирования возможных структурных состояний из фрактальных [16] и из наноразмерных компонент [17]. Проанализированы размерные характеристики возможных состояний многокомпонентных структур, включающих фрактальную и наноразмерную компоненты, и их влияние на свойства системы [18, 19].
Ранее были проанализированы характеристики вероятных детерминистических гибридных фрактальных структур с двумя и более точечными или линейными генераторами [3, 4, 20–25]. Значения размерностей каждой фрактальной структуры могут быть использованы при идентификации сайт-распределений определенных фаз по поверхности композиционных покрытий, сайз-распределений поверхностных фаз и конфигурационных характеристик межфазных границ [5, 26–29, 34]. На основе этого можно оценить поверхностную долю твердого смазочного компонента и рассчитать трибологические свойства покрытия в соответствии с синергической моделью «концентрационной волны» [6, 33, 35–38].
Таблица 1
Содержание компонентов в растворах, г/л
|
Компоненты |
Раствор 1 |
Раствор 2 |
Раствор 3 |
Раствор 4 |
|
никель хлористый шестиводный |
20 |
20 |
20 |
25 |
|
гипофосфит натрия |
8 |
8 |
10 |
20 |
|
натрий уксуснокислый |
8 |
8 |
10 |
15 |
|
порошок полититаната калия |
1,5 |
5 |
8 |
15 |
|
нитрат серебра |
0,5 |
– |
0,5 |
0,5 |
Таблица 2
Зависимость свойств композиционного покрытия от состава растворов
|
№ раствора |
Скорость нанесения, мкм/ч |
Коэффициент трения композиционного покрытия |
Микротвердость, ГПа |
|
|
Контртело – сталь 40Х |
Контртело – сталь 40Х с нанесенным твердым смазочным покрытием на поверхность трения |
|||
|
1 |
18 |
0,20 |
0,10 |
0,90 |
|
2 |
22 |
0,22 |
0,12 |
0,85 |
|
3 |
28 |
0,18 |
0,08 |
1,10 |
|
4 |
26 |
0,18 |
0,08 |
1,10 |
Представленная выше технология позволяет наносить равномерные покрытия даже на детали со сложным профилем поверхности [6, 33]. Разработанное покрытие для химического нанесения на стальные изделия испытано на опытном производстве ОКТБ «ОРИОН» (г. Новочеркасск). Детали работали на трение с применением смазочных материалов и без них, при достаточно высоких и низких температурах.
Выводы
Разработан раствор для химического нанесения композиционного Ni-P покрытия, модифицированного полититанатом калия, на стальные детали узлов трения. Исследована скорость нанесения композиционного покрытия, определено оптимальное количество введения модификатора – полититаната калия в раствор – 8 г/л. Исследованы трибологические характеристики и микротвердость композиционного покрытия, модифицированного полититанатом калия, в зависимости от состава раствора для нанесения покрытия и поверхности контртела.