CC BY
36
УДК 621.357.77
Махина В.С., Графушин Р.В., Винокуров Е.Г.
ИНТЕНСИВНОСТЬ ИЗНОСА КОМПОЗИЦИОННЫХ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ ХРОМ-ГРАФИТ
Махина Вера Сергеевна, обучающаяся кафедры инновационных материалов и защиты от коррозии, факультета инженерной химии, студентка 1 курса магистратуры по специальности материаловедение и технология материалов e-mail: frau.mahina@yandex.ru
Графушин Роман Владимирович, ст. преподаватель кафедры стандартизации и инженерно - компьютерной графики, факультет инженерной химии
Винокуров Евгений Геннадьевич, д.х.н., профессор кафедры стандартизации и инженерно - компьютерной графики, факультет инженерной химии
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Россия, 125047, Москва, Миусская площадь, д.9
В статье рассмотрены свойства композиционных покрытий с матрицей из хрома, полученных из стандартного раствора хромирования в присутствии частиц графита различной дисперсности или многостенных углеродных нанонтубок. Представлены результаты исследования параметров покрытий: шероховатость (Ra), микротвердость (HV), интенсивность износа (W) и коэффициент трения (f).
Ключевые слова: композиционные электрохимические покрытия; хром-графит; хром-углеродные нанотрубки, интенсивность износа, микротвердость, коэффициент трения, шероховатость
WEAR RESISTANCE OF COMPOSITE ELECTRODEPOSITED COATINGS CHROME-GRAPHITE
Makhina Vera Sergeevna, Grafushin Roman Vladimirovich, Vinokurov Evgeniy Genadievich
D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Russia, 125047, Moscow, 9 Miusskaya square
The article reviews the properties of composite coatings with a chromium matrix that were developed from a standard chromium solution with a presence of graphite particles of different dispersity, multi-walled carbon nanotubes. The results of the parameters investigation of coatings: roughness (Ra), microhardness (HV), wear rate (W) and friction coefficient f) are also presented.
Keywords: composite electrochemical coating, chrome-graphite, cromium-carbone nanotubes, wear rate; roughness, microhardness, friction coefficient.
В настоящее время широкое использование композиционных материалов обусловлено тем, что сочетание разнородных веществ приводит к созданию нового материала, свойства которого количественно и качественно отличаются от свойств начальных компонентов. Таким образом, применение данных материалов необходимо при разработке покрытий с определенными новыми свойствами [1]. Улучшить эксплуатационные свойства гальванопокрытий, в частности хромовых покрытий позволяет введение в раствор дисперсных наполнителей и получение композиционные электрохимические покрытия (КЭП) с матрицей из хрома.
В связи с высокой окислительной способностью хромового электролита зона выбора дисперсной фазы значительно сокращается. Так же следует отметить необходимость в использовании
электропроводящих частицах [2, 3]. В качестве таких наполнителей могут выступать различные модификации углерода (графит,
ультрадисперсные алмазы, алмазографитовая шихта, фуллерены, графен, многостенные углеродные нанотрубки (МУНТ)).
Цель работы - исследовать свойства композиционных покрытий хром-графит, хром-МУНТ, полученных с использованием частиц различной дисперсности.
Методика получения композиционных хромовых покрытий в стандартном растворе хромирования приведена в статье [4]. В качестве дисперсной фазы использовался графит марок ГК-3 (размер частиц 40±2 мкм) и С1 (размер частиц ~4 мкм) и многостенные углеродные нанотрубки. Электроосаждение проводилось при температуре раствора хромирования 50°С и плотности тока 50 А/дм2.
Для полученных покрытий были исследованы такие параметры как шероховатость (^а), микротвердость (HV), интенсивность износа (Ж) и коэффициент трения (/).
На рис.1 приведена зависимость относительной шероховатости покрытия ^ап0к^а0сн - отношение Ra покрытия к Ra основания) от концентрации графита в стандартном растворе хромирования и установлено, что при увеличении концентрации графита различной дисперсности происходит
незначительное уменьшение композиционных покрытий.
шероховатости
Рисунок 1. Зависимость отношений шероховатости от концентрации графита различных марок А) ГК-3; Б) С1
На рисунке 2 приведена зависимость относительной микротвердости КЭП (отношение микротвердости (HV) КЭП к микротвердости хрома без дисперсной фазы (HV0)) от концентрации графита. Установлено, что микротвердость покрытий, полученных в растворах хромирования с различным содержанием графита, практически не изменяется, что не подтверждает сведения об увеличенной микротвердости подобных КЭП, представленные в работе [5]. Для КЭП с ГК-3 намечается тенденция к снижению микротвердости после концентрации 24 г/л.
Испытания на изнашивание проводили на установке Taber Linear Abraser 5750 с использованием в качестве контртела стального стержня (сталь HV 466,9 и HRC 46,2) диаметром 6 мм со средней скоростью 60 циклов/мин, при нагрузке 10,8 Н (0,38 МПа) и длине рабочего хода в одну сторону12,7 мм, пути трения 25,4 мм
Рисунок 2. Зависимость микротвердости покрытия от концентрации графита различных марок А) ГК-3; Б) С1
На рисунке 3 представлена зависимость суммарной интенсивности износа от концентрации графита в растворе хромирования. С добавлением графита марки ГК-3 (до 4 г/л) в начале пути трения ^^0) суммарная интенсивность износа покрытий резко снижается с 0,8* 10-7 м/м до 0,4*10-7 м/м. При дальнейшем увеличении концентрации дисперсной фазы до 32 г/л наблюдается плавное снижение интенсивности износа в диапазоне от 0,4*10-7 м/м до 0,3*10-7 м/м. При пути трения L равному 1 км интенсивность износа незначительно снижается и при концентрции графита 8 г/л составляет 0,08*10-7 м/м и затем возвращается в прежний диапазон 0,2*10-7 м/м.
Для образцов покрытий с добавлением графита марки С1 суммарная интенсивность износа при L^0 (момент притирки) имеет явный минимум в диапазоне концентраций от 8 г/л до 40 г/л. При концентрации выше 40 г/л интенсивность износа возрастает до 0,8*10-7 м/м. При пути трения L=1 км суммарная интенсивность износа практически не изменяется и составляет 0,2 *10-7 м/м.
0,8
0,7
0.6
% 0,5
r-O 0.4
* £ 0.3
0.2
0,1
0
oL=0 • L=1000 с
чО
о ' * » 0
о • V * «
10
20
С, г/л
40
50
60
Рисунок 3. Зависимость суммарной интенсивности износа покрытия от концентрации графита различных марок А) ГК-3; Б) С1
С помощью универсальной машины трения МТУ-01 измерены коэффициенты трения при нагрузке
0,38 МПа для пары сталь (НУ 466,9 и HRC 46,2) -хром или КЭП хром-графит (КЭП осаждали при содержании графита в растворе 40 г/л). Установлено, что коэффициент трения снижается примерно в 5 раз при переходе от чистого хрома к КЭП с графитом любой марки и составляет для хрома без добавления графита 0,05, для покрытий хром - графит марки ГК-3 0,01 и хром - графит марки С1 0,01.
На рисунке 4 представлена зависимость интенсивности износа контртела (сталь НУ 466,9 и HRC 46,2), покрытия и суммарный износ для КЭП без добавления графита и с различными модификацими углерода (концентрация в растворе 4 г/л.).
0:45 0.4 0J5 0J 02d 0 2 ОД 5
од (»,01 о
0,0022
0.42
0:009 0.15
0.015
0.15
0,003« 0.12
Сг
ГК-3
€-1
МУНТ
Рисунок 4. Зависимость интенсивности износа от формы углерода: графит (ГК-3, С1) и многостенные углеродные нанотрубки
На основании проделанной работы:
1) определено, что добвление графита различных марок в раствор хромировнаия приводит к незначительному снижению шероховатости;
2) установлено, что концентрация графита в растворе хромирования при получении кмпозиционных покрытий хром-графит практически не влияет на микротвердость покрытий;
3) суммарный износ для системы сталь-КЭП (Cr-графит ГК-3) изменяется незначительно, наблюдается понижение на участке концентраций графита в растворе от 5 г/л до 20 г/л. Для системы сталь-КЭП (Cr-графит С1) суммарный износ не изменяется, но в обоих случиях наблядается снижение износа в момент притирки;
4) коэффициент трения пары сталь-покрытие при переходе от покрытия хромом к КЭП хром-графит снижается в 5 раз и составляет 0,01;
5) добавление многостенных углеродных нанотрубок в раствор хромирования приводит к снижению интенсивности износа покрытия, но увеличивает интенсивность износа контртела в условиях сухого трения.
Благодарность. Исследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда (проект № 15-13-00126) и Министерства образования и науки РФ в рамках выполнения базовой части государственного задания.
Список литературы
1. Елагина О.Ю. Технологические методы повышения износостойкости деталей машин: учеб. пособие. М.: Логос, 2009 488 с.
2. Шлугер М. А. Гальванические покрытия в машиностроении. — М.: Машиностроение, 1985, 240 с.
3. Сайфуллин Р. С. Комбинированные электрохимические покрытия и материалы. - М.: Химия, 1972, 168 с.
4. Графушин Р.В., Махина В.С., Невмятуллина Х.А., Винокуров Е.Г. Композиционные покрытия хром-графит // Современные электрохимические технологии и оборудование: тезисы докл. Междунар. конф. (Республика Беларусь, 24-25 ноября 2016 г.). — Минск, 2016. — С.77-79
5. Narayan R. Electrodeposited Chromium-Graphite Composite Coatings / Narayan R., Narayana B. H // Electrochemical science and technology, — 1981. Vol. 128. № 8. — P. 17041708.
