Склад для одержання зносостійких композиційних електролітичних покриттів на основі нікелю для роботи при підвищених температурах

Склад для одержання зносостійких композиційних електролітичних покриттів на основі нікелю для роботи при підвищених температурах, що містить хлорид нікелю, борну кислоту, гранули евтектичного жаростійкого сплаву, який відрізняється тим, що з метою дисперсного зміцнювання матриці покриття без проведення термічної обробки при підвищених температурах він додатково містить наночастинки карбіду кремнію, в кількості 10-30г/л. (19) (21) u201105006 (22) 20.04.2011 (24) 25.11.2011 (46) 25.11.2011, Бюл.№ 22, 2011 р. (72) КІНДРАЧУК МИРОСЛАВ ВАСИЛЬОВИЧ, КОРНІЄНКО АНАТОЛІЙ ОЛЕКСАНДРОВИЧ, ФЕДОРЧУК СВІТЛАНА ВОЛОДИМИРІВНА, ЛУЧКА МИРОН ВАСИЛЬОВИЧ, ПЕРРО ДАРИНА МИКОЛАЇВНА, ПОДЛЄСНИЙ ВАЛИМ ВІТАЛІЙОВИЧ 3 покриття, зміцнюють матрицю і без термічної обробки у разі використання покриттів у вихідному стані за рахунок ефекту дисперсного зміцнення матриці. Але склад покриття розробляється для роботи при підвищених температурах, і у разі використання частинок бору для дисперсного зміцнення матриці можлива неконтрольована взаємодія бору з нікелевою матрицею з утворенням боридів нікелю вже починаючи від 200 °С, що може негативно вплинути на стан поверхні тертя та зносостійкість покриття в цілому. В основу корисної моделі поставлено задачу дисперсного зміцнювання матриці покриття без проведення термічної обробки. Поставлена задача вирішується тим, що в склад електроліту для одержання композиційних електролітичних покриттів додаються наночастинки карбіду кремнію замість частинок бору при наступному співвідношенні ком3 понентів електроліту, кг/м : Хлорид нікелю 300 Борна кислота 40 Евтектичний сплав (порошок) 10-35 Карбід кремнію 10-30. Включення евтектичного сплаву сферичної форми діаметром 20-100 мкм, в склад якого входять в мас. %. Бор 7-7,2 Хром 21,5-25,4 Нікель 17,9-9,2 Титан 15,0-6,1 Залізо решта. Введення в металеву матрицю КЕП одночасно частинок карбіду кремнію нанорозміру та евтектичного сплаву вигідно відрізняє склад для одержання КЕП від прототипу, так як наявність в його складі включень евтектичного сплаву забезпечує підвищення зносостійкості покриття при одночасному зниженні коефіцієнта тертя за рахунок ефекту твердого мастила як в умовах граничного мащення, так і при терті без мащення, а частинки карбіду кремнію нанорозміру ефективно зміцнюють матрицю не взаємодіючі з нею в широкому інтервалі температур за рахунок ефекту дисперсного зміцнення. При цьому ефект від зміцнення матриці більш дрібними наночастинками карбіду кремнію значно більший, ніж при використанні частинок аморфного бору. Так, мікротвердість матриці покриття з наночастинками при цьому підвищується до Н=4,2-5,0 ГПа, що в два рази перевищує мікротвердість чисто нікелевих покриттів (Н=1,72,1 ГПа), та в 1,4 рази перевищує мікротвердість нікелевих покриттів з включеннями аморфного (Н=3,0-3,6 ГПа). Збільшення мікротвердості можна пояснити підвищенням дефектності матриці, тобто збільшенням викривлень кристалічної ґратки та щільності дислокацій, разом з тим такі частинки сприяють дисперсному зміцненню і протидії пластичними деформаціям шляхом обмеження руху дислокацій в покритті. Окрім того, при додаванні наночастинок у покриття модуль пружності матри5 5 ці збільшується з 1,86·10 МПа до 2,07·10 МПа. Для одержання КЕП і електроліту даного складу процес електрохімічного осадження гальванічного металу та порошків наповнювача, що знаходяться в електроліті, здійснювали на попе 65018 4 редньо знежирених та протравлених сталевих зразках зі стандартного хлористого електроліту 3 нікелювання, що містить: 300 кг/м хлористого ні3 3 келю, 40 кг/м борної кислоти (100 кг/м хлористого водню). Процес проводили за температур від 40 до 60 °С, рН від 3÷4 (або рН 0,8÷1,2), катодної густим 2 струму від 2 до 20 А/дм при постійному перемішуванні електроліту стисненим повітрям. Вміст в електроліті наночастинок карбіду кремнію задава3 ли в межах від 10 до 30 кг/м , а евтектичного спла3 ву від 10 до 35 кг/м . Отримані покриття за даними хімічного аналізу містять від 2,9 до 4,2 мас. % карбіду кремнію та від 12,9 до 23,2 мас. % евтектичного сплаву. У разі відхилення від оптимальних параметрів ведення процесу електролізу, складу електроліту в інтервалі концентрацій, що рекомендуються, густини струму та часу витримки в бік зменшення або збільшення, одержання композиційних покриттів заданого складу, структури й властивостей не забезпечується. З введення наночастинок карбіду кремнію мас місце дисперсне зміцнення матеріалу матриці, обмеження її пластичної течії, підвищення мікротвердості та міцності композиту. Було нанесено сім композиційних покриттів на основі нікелю з різною кількістю наночастинок карбіду кремнію та евтектичного сплаву (табл. 1). Високотемпературне окислювання покриттів досліджувалося на термомасометричній установці ТМ-50 у повітряному середовищі зa температури 400 °С з витримкою зразків протягом 6 год. З даних таблиці 1 видно, що максимальну жаростійкість мають покриття, в яких вміст наночастинок карбіду кремнію та евтектичною наповнювача становить 24-26 мас. % (покриття 4-5). Покриття такого складу отримуються, коли вміст евтектичного сплаву та наночастинок карбіду кремнію в електроліті такий як у патентованій області (10-35 г/л). Високотемпературне окислення на повітрі КЕП, в основному, визначається жаростійкістю нікелевої матриці. Включення жаростійкого наповнювача підвищує жаростійкість покриття в цілому. У порівнянні з бором частинки карбіду кремнію мають значно вищу жаростійкість. Як наслідок в покриттях зменшується швидкість окислювання та утворюються оптимальні окисні плівки. Зменшення вмісту наночастинок карбіду кремнію та евтектичного порошку призводить до зниження жаростійкості покриття за рахунок утворення пористих оксидних плівок, які утворює нікелева основа та включення евтектичного порошку. Їх перевищення також зменшує жаростійкість, але вже внаслідок утворення більш пористого покриття, що інтенсифікує процеси окислення. Випробування на тертя та знос за схемою сухого односпрямованого тертя ковзання проводилося на установці М-22М в наступних умовах: температура – 400 °С, навантаження 0,6 МПа, швидкість ковзання - 0,1 м/с, контртіло азотована сталь 38ХМЮА. Аналізуючи результати вивчення зносостійкості композиційного покриття, отриманого за заявленим складом при різних режимах і умовах нане 5 65018 сення (відповідають параметрам, що характеризують склад як у заявленому інтервалі значень, так і за його межами), (див. таблицю 2), слід зазначити, що зносостійкість при підвищених температурах КЕП зміцнених додатково наночастинками підвищується в 3,8-7 разів, навантаження схоплювання в 2,3-3 рази, покриття працездатне як із традиційними зміцненими, наприклад азотуванням, сталями, так і з керамікою. Очевидні переваги складу в порівнянні з відомими (прототип) полягає в можливості використання покриття в вихідному стані (без термообробки), при цьому, за рахунок включення наночастинок відбувається дисперсне зміцнення матриці, що ефективно підвищує зносостійкість покриття в цілому. За підвищеної температури (400 °С) знос сплавів на повітрі відбувається переважно за рахунок видалення виникаючих окисних плівок. Окисна плівка, що утворюється, повинна бути оптимальної товщини, складу, щільності, адгезії. Утворення оптимальних оксидних плівок забезпечується за рахунок включень евтектичного порошку, зміцнення матриці відбувається за рахунок включень наночастинок карбіду кремнію. З таблиці 2 видно, що, високотемпературний знос патентованих сплавів на повітрі (сплави 4-5) суттєво нижче, ніж у прототипі. При зменшенні концентрацій компонентів сплаву нижче зазначених в формулі корисної моделі та наведених в таблиці 2 (сплав № 1) їх висо 6 котемпературна зносостійкість зменшується, через те, що при недостатній кількості наночастинок ефект дисперсного зміцнення зменшується, а у разі низького вмісту частинок евтектичного сплаву наночастинки не можуть ефективно сприймати навантаження при терті і зносостійкість знижується. Перевищення вмісту наночастинок в електроліті над патентованою кількістю (сплав № 6) не дає суттєвого збільшення вмісту їх у покритті, а навпаки має негативний вплив на включення частинок евтектичного сплаву, що знижує зносостійкість. Збільшення вмісту частинок евтектичного сплаву в електроліті над патентованою кількістю (сплав № 6) також не є доцільним, оскільки заважає включенню наночастинок карбіду кремнію у покриття. Зменшення кількості включень, ніж у патентованих сплавах, зазначених у таблицях 1, 2 (прототип) знижує високотемпературну зносостійкість, а перевищення також знижує її, внаслідок, ймовірно, утворення інтерметалідних фаз, що характеризуються низькою жаростійкістю та високою крихкістю. В процесі тертя вони викришуються і залишають зазор між зразком та контртілом. Висока зносостійкість при підвищених температурах на повітрі патентованого сплаву, дозволяє подовжити термін служби деталей, виготовлених з нього, які в процесі роботи одночасно піддаються зносу і впливу високих температур на повітрі. Таблиця 1 Окислення покриттів № Основа Прототип 1 2 3 4 5 6 7 Ni Ni Ni Ni Ni Ni Ni Ni Включення наночасВключення евтектичтинок карбід кремнію, ного сплаву, мас. % мас. % 25,2-29 2,9 15,0 4,0 14,2 4,2 12,9 2,6 23,2 3,8 22,0 3,9 20,1 3,7 20,2 Зміна ваги, m/s; 2 мг/см 0,6-0,7 1,1 0,9 1,0 0,5 0,5 0,6 0,6 7 65018 8 Таблиця 2 Склад електроліту, режими електролізу, мікроструктура та властивості КЕП Найменування параметра Од. вим. Прототип №1 №2 №3 №4 №5 №6 №7 Склад електроліту: 300 300 300 300 300 300 300 300 30 30 30 30 30 30 30 30 30 10 30 50 10 30 50 50 25 10 10 10 25 25 25 35 Режим електролізу: 3 Катодна густина струму кА/м 20 2 5 5 10 15 20 20 Час осадження год. 3 3 3 3 3 3 3 3 Масова частка компонентів в покритті Бор аморфний % мас. 0,5-5 Карбід кремнію % мас. 2,9 4,0 4,2 2,6 3,8 3,9 3,8 Наповнювач % мас. 29,0 15,0 14,2 12,9 23,2 22,0 20,1 20,2 Нікель решта механічна суміш нікель Характеристика мікроструктумеханічна суміш нікель - нанопорошок бор аморфний - евтектичри основи SiC - евтектичний порошок ний порошок Властивості: лінійний знос (Р=0,6 МПа, мкм/км 27 34 38 44 25 17 21 22 t=400 °С) Навантаження схоплення в парі з азотованою сталлю кг 70 60 65 70 80 85 80 80 38ХМЮА Нікель хлористий Кислота борна Бор аморфний Карбід кремнію Евтектичний сплав 3 кг/м 3 кг/м 3 кг/м 3 кг/м 3 кг/м Джерела інформації: 1. Пат. 12832 Україна, МКІ, C25D15/00. Спосіб для отримання композиційних електролітичних покриттів на основі металів групи заліза // Ю.О. Гуслієнко, М.В. Лучка, Г.В. Саввакін, М.Й. Бурда. - Опубл. 28.02.97. Бюл. № 1. 2. Пат. 6672 Україна, МКІ, C25D15/00. Спосіб для одержання композиційних покриттів на основі Комп’ютерна верстка В. Мацело нікелю // В.М. Нагірний, Є.В. Ісаєнков, Л.О. Приходько. - Опубл. 29.12.94. Бюл. № 8-1. 3. Пат. 49210 Україна, МПК, C25D15/00. Склад для одержання зносостійких композиційних електролітичних покриттів на основі нікелю // М.В. Кіндрачук, М.В. Лучка, А.О. Корнієнко, С.В. Федорчук, Ю.М. Білик. - Опубл. 26.04.10. Бюл. № 8. Підписне Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601