Склад для одержання зносостійких композиційних електролітичних покриттів на основі нікелю

Склад електроліту для одержання зносостійких композиційних електролітичних покриттів на основі нікелю, що містить хлорид нікелю, борну кислоту і ультрадисперсні частинки, який відрізняється тим, що з підвищенням зносостійкості при підвищених температурах він додатково містить гранули евтектичного жаростійкого сплаву сферичної форми заданого розміру і кількості діаметром 20-100 мкм, в кількості 10-100 г/л. (19) (21) u200910246 (22) 09.10.2009 (24) 26.04.2010 (46) 26.04.2010, Бюл.№ 8, 2010 р. (72) КІНДРАЧУК МИРОСЛАВ ВАСИЛЬОВИЧ, ЛУЧКА МИРОН ВАСИЛЬОВИЧ, КОРНІЄНКО АНАТОЛІЙ ОЛЕКСАНДРОВИЧ, ФЕДОРЧУК СВІТЛАНА ВОЛОДИМИРІВНА, БІЛИК ЮРІЙ МИРОСЛАВОВИЧ (73) НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ 3 евтектичного сплаву сферичної форми діаметром 20-100 мкм, в склад якого входять в мас. %. Бор 6,1-8,2 Хром 20,4-27,1 Нікель 10,1-20,2 Титан 12,7-16,4 Залізо решта, при наступному співвідношенні компонентів електроліту, г/л: Хлорид нікелю (або заліза, або 400 кобальту) Борна кислота 40 Бор аморфний 10-40 Евтектичний сплав (порошок) 10-35 Введення в металеву матрицю КЕП одночасно аморфного бору і 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 металу як в умовах граничного мащення, так і при терті без мащення. Наявність аморфного бору дає можливість проводити, за аналогією з вуглецем в залізі, термообробку КЕП починаючі з 200 °С з утворенням в матриці КЕП дисперсних виділень боридів Ni3B, Fe2B, Со2В та ін. Склад евтектичного сплавунаповнювача обрано таким чином, що нікель і частково хром розчиняються в залізі в межах твердого розчину. При цьому утворюється твердий розчин на основі -Fe, легований хромом та нікелем у концентраціях, які надають йому максимальної жаростійкості при високотемпературному окисленні на повітрі. Крім того, титан та частка хрому утворюють бориди хрому та титану, що визначає високу зносостійкість сплаву при підвищених температурах на повітрі. Для одержання КЕП з електроліту даного складу процес електрохімічного осадження гальванічного металу та порошків наповнювача, що знаходяться в електроліті, здійснювали на попередньо знежирених та протравлених сталевих зразках зі стандартного хлористого електроліту нікелювання і (або залізнення, кобальтування), що містить: 300 кг/м3 хлористого нікелю (заліза, кобальту), 40 кг/м3 борної кислоти (100 кг/м3 хлористого водню). Процес проводили за температур від 40 до 60 °С, рН від 3 4 (або рН 0,8 1,2), катодної густим струму від 5 до 15 А/дм2 при постійному перемішуванні електроліту стисненим повітрям. Вміст в електроліті часток бору задавали в межах від 10 до 80 кг/м3, а евтектичного сплаву від 10 до 35 кг/м3. Отримані покриття за даними хіманалізу містять від 0,5 до 6 мас. % бору та від 10 до 44,2 мас. % евтектичного сплаву, а після відпалу у вакуумі в інтервалі температур від 200 до 1050 °С на протязі від 30 хв. до 6 год. мають структуру рівномірно розподілених у металевій матриці із твердого розчину бору включень відповідних боридів Ni3B, Fe2B, Co2B та включень евтектичного сплаву. У разі відхилення від оптимальних параметрів ведення процесу електролізу, складу електроліту та наступного їх відпалу в інтервалі концентрацій, що рекомендуються, густини струму та часу ви 49210 4 тримки вбік зменшення або збільшення, одержання композиційних покриттів заданого складу, структури й властивостей не забезпечується. Так, найбільш низька температура початку утворення боридів нікелю (Ni3В) зафіксована при 200 °С, а підвищення температури відпалу понад 1050 °С веде до евтектичного оплавлення покриття. Введення в електроліт менш 10 кг/м3 бору не забезпечує необхідної кількості включень у вихідній композиції (кількість бору в покритті менш 0,5 % не досить навіть для досягнення граничної концентрації бора у твердому розчині й зародження боридних фаз). Введення часток евтектичного сплаву в КЕП підвищує його жаростійкість на повітрі, особливо покриття на основі заліза. Було нанесено сім покриттів на основі нікелю і заліза з різною кількістю евтектичного наповнювача (табл. 1). Високотемпературне окислення на повітрі КЕП, в основному, визначається жаростійкістю нікелевої і залізної матриці. Збільшення в ній кількості жаростійкого наповнювача підвищує жаростійкість покриття в цілому. Як наслідок в покриттях зменшується швидкість окислювання у порівнянні з прототипом та утворюються оптимальні окисні плівки. Високотемпературне окислювання покриттів досліджувалося на термомасометричній установці ТМ-50 у повітряному середовищі за температури 600 °С з витримкою зразків протягом 6 год. З даних таблиці 1 видно, що максимальну жаростійкість мають покриття, в яких вміст евтектичного наповнювача становить 25-33 мас. % (покриття 3-5). Покриття такого складу отримаються коли вміст евтектичного сплаву в електроліті такий як у патентованій області (10-35 г/л). Зменшення вмісту наповнювача призводить до зниження жаростійкості покриття за рахунок утворення пористих оксидних плівок, які утворюють нікелева і залізна основа. Їх перевищення також зменшує жаростійкість, але вже в наслідок 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 – 600 °С, навантаження 3 МПа, швидкість ковзання - 0,1 м/с, контртіло загартована сталь 45 HRC 43...48. Аналізуючи результати вивчення зносостійкості композиційного покриття отриманого за заявленим складом при різних режимах і умовах нанесення (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 термооброблених за оптимальним режимом КЕП підвищується в 3,8-7 разів, навантаження схоплювання в 2,3-3 рази, покриття працездатне як із керамікою. Очевидні переваги складу в порівнянні з відомими (прототип) полягає з різкому зниженні температури термообробки, що дозволило так само в більш широких межах варіювати мікроструктуру КЕП, що прямо пов'язане з їх технічними властивостями, крім того собівар 5 49210 тість композиційних покриттів на основі металів групи заліза знижується більш ніж удвічі. За високої температури (600 °С) знос сплавів на повітрі відбувається переважно за рахунок видалення виникаючих окисних плівок. Окисна плівка, що утворюється, повинна бути оптимальної товщини, складу, щільності, адгезії. Склад сплаву, що патентується, має підвищену жаростійкість у порівнянні із прототипом, і, як наслідок, утворюються оптимальні оксидні плівки меншої товщини, що позитивно впливає на знос. З таблиці 2 видно, що високотемпературний знос патентованих сплавів на повітрі (сплави 3-5) суттєво нижче, ніж у прототипу. При зменшенні концентрацій компонентів сплаву нижче зазначених в формулі корисної моделі та наведених в таблиці 2 (сплав № 1) їх високотемпературна зносостійкість зменшується, у прототипі утворюються товсті, пухкі оксидні плівки, які інтенсивно видаляються із зазору при терті. 6 Перевищення вмісту компонентів над патентованою кількістю (сплав № 6), як вказувалося вище, призводить до зниження жаростійкості, що також збільшує кількість окисних плівок і призводить до зниження зносостійкості. 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 й високою крихкістю. В процесі тертя вони викришуються і покидають 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 Ni, Fe Ni, Fe Ni, Fe Ni, Fe Ni, Fe Ni, Fe Ni, Fe Включення евтектичного сплаву, мас. % 10,2 16,0 25,2 29 33,1 40,2 Зміна ваги, m/s; мг/см2 Ni Fe 1,5 7,1 1,4 6,5 1,0 5,2 0,7 3,5 0,6 3,4 0,6 3,4 0,9 4,0 7 49210 8 Таблиця 2 Склад електроліту, режими електролізу, мікроструктура та властивості КЕП Найменування параметру Од. вим. Прототип №1 №2 №3 №4 №5 №6 Склад електроліту: Нікель хлористий Кислота борна Бор аморфний Евтектичний сплав 3 кг/м 300 300 300 300 300 300 300 кг/м3 40 30 зо зо зо зо 30 кг/м3 10-30 12 10 10 зо зо 40 кг/м3 10 15 20 25 зо 35 Режим електролізу: Катодна густина струму Час осадження Умови відпалу: Температура Тривалість Бор аморфний Наповнювач kA/м 3 год. °С хв. % мас. % мас. 20 2 5 5 10 15 20 3 3 3 3 3 3 800 180 1050 30 1100 240 1000-1100 150 200 200 1-180 420 300 360 Масова частка компонентів в покритті: 3,5 0,25 0,5 0,5 2,5 6,0 6,5 10,2 16,0 25,2 29,0 33,1 40,2 Нікель (залізо, кобальт) Характеристика мікроструктури основи Властивості: лінійний знос мкм/к (Р=0,6 МПа, м t=600 °С, масло И-20) Навантаження схоплення в парі з азотокг ваною сталлю 38ХМЮА Працездатність в парі з керамікою кг («силинит») в порівнянні зі сталлю ШХ-15 решта евтектика+ нікель-бор механічпочаток початок на суміш зароджен- зародженнікель- ня боридів ня боридів бор нікелю нікелю евтектичне оплавзростанлення ня боринікель дів боридної матриці плавлення 70 100 30 15 10 18 120 30 28 72 70 90 75 32 катастрофічний знос погано гарно гарно відмінно задовільно погано Джерела інформації: 1. Пат. 13683 Україна, МКІ, C25D 15/00. Спосіб для одержання композиційних покриттів на основі нікелю // Ю.О. Гуслієнко, В.Н. Яненський, М.В. Лучка. - Опубл. 25.04.97. Бюл. № 2. 2. Пат. 12832 Україна, МКІ, C25D 15/00. 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. 3. Пат. 6672 Україна, МКІ, C25D 15/00. Спосіб для одержання композиційних покриттів на основі нікелю // В.М. Нагірний, Ісаєнков Є.В., Приходько Л.О. - Опубл. 29.12.94. Бюл. № 8-1. 9 Комп’ютерна верстка І.Скворцова 49210 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601