Scientific journal
Modern high technologies
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,899

COMPOSITE NICKEL-PHOSPHORUS COVERAGE, MODIFIED POTASSIUM POLYTITANATE

Scherbakov I.N. 1 Ivanov V.V. 1, 2 Derlugian P.D. 2 Balakaiy V.I. 1
1 Platov South-Russian state polytechnic university (NPI)
2 J-SC SDTU «ORION»
1421 KB
The receiving possibility of the compositional Ni-P coating modified by potassium polytitanate was considered. The solution for chemical receiving of the compositional Ni-P coating modified by potassium polytitanate onto steel details of the friction knots was elaborated. The receiving velocity of the compositional Ni-P coating was investigated, and the optimal quantity of the introduced potassium polytitanate (8 g/l) as a modified compound into solution for receiving was determined, too. The dependence of the tribologic characteristics and micro-hardness of the compositional Ni-P coatings from both solution composition and counter-body surface were investigated.
compositional Ni-P coating
modified coating surface
tribologic characteristics
micro-hardness

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.