CC BY
32
УДК 621.793 DOI: 10.17213/0321-2653-2016-2-97-101
ОСОБЕННОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ И СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИОННОГО МНОГОСЛОЙНОГО ТВЕРДОГО СМАЗОЧНОГО ПОКРЫТИЯ
RECEIVING FEATURES AND PROPERTIES OF THE COMPOSITION MULTILAYERED SOLID LUBRICANT COATINGS
© 2016 г. И.Н. Щербаков
Щербаков Игорь Николаевич - канд. техн. наук, доцент, Shcherbakov Igor Nikolaevich - Candidate of Technical Sci-кафедра «Автомобильный транспорт и организация дорож- ences, associate professor, department «Road Transport and ного движения», Южно-Российский государственный Traffic Management», Platov South-Russian State Polytechnic политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, University (NPI), Novocherkassk, Russia. Ph. (8635) 25-56-72. г. Новочеркасск, Россия. Тел. (8635) 25-56-72. E-mail: E-mail: spravka_n@mail.ru spravka_n@mail. ru
Рассмотрены особенности получения многослойного композиционного твердого смазочного покрытия, работоспособного в условиях повышенных температур и высоких нагрузок. Первый слой покрытия получен методом химического осаждения никель-фосфорного покрытия. Второй слой - нанесением алюмохромфосфатного связующего на поверхности первого слоя. Третий слой - путем нанесения твердого смазочного слоя, состоящего из связующего и частиц твердого смазочного материала. Разработана технология получения и исследованы трибологические свойства многослойного композиционного твердого смазочного покрытия.
Ключевые слова: покрытие; трение; водный раствор; никелирование; твердое смазочное покрытие.
Receiving features of the multilayered composite solid lubricant coatings working at high temperatures and high loads were considered. The first coating layer was obtained by chemical deposition method of nickel-phosphorus coating. The second layer coating was received by drawing of the alumino-chromo-phosphorus binder on to surface of the first layer. The third layer is obtained by applying solid lubricating layer consisting of a binder and particles of solid lubricant material. The technology has been developed and tribological properties of multilayer composite solid lubricating coatings were researched.Receiving features of the multi-layered composite solid lubricant coatings working at high temperatures and high loads were considered. The first coating layer was obtained by chemical deposition method of nickel-phosphorus coating. The second layer coating was received by drawing of the alumino-chromo-phosphorus binder on to surface of the first layer. The third layer is obtained by applying solid lubricating layer consisting of a binder and particles of solid lubricant material. The technology has been developed and tribological properties of multilayer composite solid lubricating coatings were researched.
Keywords: coating; friction; composition; aqueous solution; nickel plating; solid lubricant coating.
Введение дах, некоторых агрессивных средах и достаточно
большом температурном диапазоне от -100 до
+400 °С и выше [1 - 6]. Разработано и исследо-назначены для уменьшения сил трения и изна-
вано большое количество твердых смазочных
Твердые смазочные покрытия (ТСП) пред-
шивания в узлах трения, где в качестве смазоч-
покрытий, имеющих разную химическую приро-
ного материала выступает твердыи смазочныи ду связующих и твердых частиц [1 - 8]. Однако
материал в виде покрытия [1 - 3]. Применение не так много многослойных ТСП, способных
данных покрытий открывает новые возможности выдерживать большие контактные нагрузки при
в использовании стальных деталей при высоких повышенной температуре в процессе эксплуата-
контактных давлениях, в вакууме, инертных сре- ции узлов трения машин, механизмов и приборов.
Результаты эксперимента и их обсуждение
Разработано и исследовано многослойное композиционное твердое смазочное покрытие (МКТСП), которое обладает высокой адгезией к основе, хорошим сцеплением, низким коэффициентом трения, что позволяет значительно повысить износостойкость покрытия при работе в условиях повышенных температур и высоких нагрузок. МКТСП наносится послойно. Первый слой наносится методом химического осаждения. Второй слой представляет собой алюмохромо-фосфатное связующее. Третий слой наносится поверх связующего в виде твердого смазочного слоя. Каждый слой выполняет определенные функции [4]. Схема МКТСП представлена на рис. 1.
третии спои второй слой первый спой
основа
Рис. 1. Схема многослойного композиционного твердого смазочного покрытия: 1-й слой - композиционное никель-фосфорное покрытие (КНФП); 2-й слой - композиционное фосфатное покрытие (КФП); 3-й слой - композиционное твердое смазочное покрытие (КТСП)
Первый слой КНФП химически осаждали на основу образцов из стали 45, 40Х и ШХ15. Использование данного покрытия позволяет повысить коррозионную стойкость и антифрикционные свойства, а также получить высокую адгезию с основой [9 - 11]. Преимущество нанесения данного покрытия - относительная простота технологического процесса, равномерность нанесения, возможность повышения физико-механических характеристик за счет введения модификаторов различной химической природы, возможности для варьирования компонентов раствора и технологических приемов [9 - 19]. Применение ранее разработанной методики моделирования КНФП с антифрикционными свойствами позволяет создавать КНФП с заранее прогнозируемыми свойствами в соответствии со структурным и фазовым состоянием поверхностных слоев [11, 13, 20 - 22].
Для химического осаждения использовали раствор, состав которого приведен в табл. 1.
Таблица 1
Состав раствора для нанесения КНФП
Компонент Химическая формула Концентрация, г/л
Никель хлористый NiCl2-6H2O 20-30
Гипофосфит натрия NaH2PO2-H2O 10-15
Уксуснокислый натрий CH3COONa-H2O 21-25
Тиомочевина ch4n2s 0,002
Дисульфид молибдена MoS2 5-6
Дистиллированная вода H2O 1 л
рн 4,5-5,5
Отличительной особенностью осаждения КНФП является введение в раствор через 2 -3 мин после начала осаждения 5-6 г/л дисульфида молибдена. Время осаждения - от 0,2 до 1 ч в зависимости от марки стали, конфигурации изделия и дальнейшего использования изделия. Далее изделия с осажденным покрытием промывали холодной проточной водой, проводили термическую обработку при температуре 200 - 210 °С в течение 10 - 15 мин и охлаждали на воздухе. Данные, характеризующие процесс осаждения, качество КНФП и пористость после нанесения второго слоя, приведены в табл. 2.
Таблица 2
Характеристика процесса осаждения, пористость и качество КНФП
Время осаждения, мин Скорость осаждения, мкм/ч Качество Пористость
12 4-8 Отслоений нет Нет
24 5-16 » » » »
36 9-20 » » » »
48 12-28 » » » »
60 18-35 » » » »
Для увеличения адгезии между первым и третьим слоем наносили второй слой - алюмо-хромофосфатное связующее, путем окунания или обмазывания кистью. Далее проводили термическую обработку при 400 - 410 °С в течение 40 -45 мин.
Затем изделия охлаждали до комнатной температуры и наносили третий слой - композиционное твердое смазочное покрытие (КТСП). Слой КТСП наносили из суспензии, приготовленной заранее и состоящей из компонентов (табл. 3), механически перемешанных до полного их растворения в дистиллированной воде. Суспензию наносили на второй слой при помощи
кисти, окунания или распыления в зависимости от назначения изделия. После нанесения КТСП проводили термообработку в термическом шкафу при температуре 300 °С в течение 20 - 120 мин.
Испытания триботехнических свойств полученного покрытия проводили на возвратно-поступательной машине трения, разработанной во ФГУП ОКТБ «ОРИОН», по схеме шар - плоскость при скорости перемещения шара V = 0,04 м/с и удельном давлении 1000 МПа. Испытания проводили при температурах +23, +150, +350 °С. Составы четырех композиций суспензий для КТСП и результаты триботехнических испытаний антифрикционных покрытий представлены в табл. 3 и 4 соответственно.
Таблица 3
Составы композиций для КТСП
Состав
Хлорид кадмия
Азотнокислый цинк
Оксид магния
Азотнокислое серебро
Ортофосфорная кислота
Азотная кислота
Дисульфид молибдена
Дистиллированная вода
Соотношение компонентов, г/л
1
10
20
12
10
200
200
до 1 л
2
15
30
24
15
230
10
220
до 1 л
3
20
40
30
20
260
15
240
до 1 л
4
30
50
36
20
280
20
250
до 1 л
Триботехнические свойства МКТСП
Толщина и температура испытаний МКТСП
Толщина МКТСП, мкм
Температура, °С
20
150
350
Температура, °С
20
150
Номер композиции
20
22
20
18
Коэффициент трения
0,08
0,07
0,18 0,17
0,06
0,07
0,07
0,07
0,16
0,08
0,07
0,2
Скорость изнашивания, мг/ч
1,9
1,7
2,8 2,6
2,0
3,3
2,0
3,5
На рис. 1 представлены фотографии поверхности КНФП, КНФП с фосфатным слоем, КТСП и МКТСП.
х20
а
х200
Рис. 1. Фотографии поверхности: а - КНФП; б - КНФП с фосфатным слоем; в - КТСП; г - МКТСП
На рис. 2 показаны фотографии подшипников скольжения с нанесенным МКТСП.
Таблица 4
Рис. 2. Фотографии подшипников скольжения с нанесенным МКТСП
На основе анализа данных, приведенных в табл. 4, можно сделать заключение о том, что разработанное многослойное покрытие обладает следующими трибологическими свойствами: высокой износостойкостью, коэффициентом трения. Данные результаты подтверждены испытаниями на опытном предприятии ФГУП ОКТБ «ОРИОН» и ряде промышленных предприятий.
Выводы
1. Разработана технология получения многослойного композиционного твердого смазочного покрытия (МКТСП), работоспособного в условиях атмосферы при высоких удельных нагрузках и повышенных температурах.
2. Подобраны компоненты для каждого слоя МКТСП.
3. Проведены технические испытания МКТСП: определены коэффициент трения и скорость изнашивания в зависимости от состава
5
1
2
3
4
композиций, толщины МКТСП и температуры образцов. Полученные результаты свидетельствуют о работоспособности данного покрытия.
Литература
1. Майорова Л.А. Твердые неорганические вещества в качестве высокотемпературных смазок. Новое о твердых смазках. М.: Наука, 1971. 96 с.
2. Машков Ю.К. Трибология конструкционных материалов: учеб. пособие. Омск: ОмГТУ, 1996. 304 с.
3. Матвеевский P.M. Температурная стойкость граничных смазочных слоев и твердых смазочных покрытий при трении металлов и сплавов. М.: Наука, 1971. 215 с.
4. Пат. РФ 2556155. Способ получения композиционного антифрикционного покрытия / И.Н. Щербаков, Г.Е. Трофимов, В.Т. Логинов, П.Д. Дерлугян, Н.В. Геркен // № 2013152135/02; заявл. 22.11.13; опубл. 15.06.15 // Б.И. 2015. № 15.
5. Пат. РФ 2473711. Состав твердосмазочного антифрикционного покрытия / Г.Е. Трофимов, И.Н. Щербаков, М.Ю. Шевченко, В.Т. Логинов, П.Д. Дерлугян, В.В. Иванов, Ф.П. Дерлугян // № 2011147961/04. Заявл. 24.11.2011; опубл. 27.01 2013 // Б.И. 2013. № 3.
6. Пат. РФ 2493241. Композиция антифрикционного твердого смазочного покрытия / И.Н. Щербаков, Г.Е. Трофимов, В.Т. Логинов, П.Д. Дерлугян, В.В. Иванов // № 2012112573/04 ; заявл. 30.03.12 ; опубл. 20.09.13 // Б.И. 2013. № 26.
7. Брейтуэйт Е.Р. Твердые смазочные материалы и антифрикционные покрытия. М.: Химия, 1967. 396 с.
8. Вишенков С.А. Химические и электрохимические способы осаждения металлопокрытий. М.: Машиностроение, 1975. 312 с.
9. Пат. РФ 2451113 Раствор для химического осаждения композиционного покрытия / Г.Е. Трофимов, И.Н. Щербаков, М.Ю. Шевченко, В.Т. Логинов, П.Д. Дерлугян, Ф.П. Дерлугян, В.В. Иванов. №2011119706/02; заявл. 16.05.2011; опубл. 20.05.2012 // Б.И. № 14.
10. Иванов В.В., Щербаков И.Н. Моделирование композиционных никель-фосфорных покрытий с антифрикционными свойствами / Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Ростов н/Д., 2008. 112 с.
11. Scherbakov I.N., Ivanov V.V. Analysis of synergic effect in compositional Ni-P-coatings // European Journal of Natural History. 2015. № 3. С. 48.
12. Щербаков И.Н., Иванов В.В., Логинов В.Т. [и др.] Химическое наноконструирование композиционных материалов и покрытий с антифрикционными свойствами / Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки, Ростов н/Д., 2011. 132 с.
13. Иванов В.В., Щербаков И.Н. О структурообразовании химически осажденного никель-фосфорного покрытия, модифицированного политетрафторэтиленом // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки, 2006. Прил. № 2. С. 117 - 119.
14. Щербаков И.Н. Разработка композиционного никель-фосфорного покрытия, модифицированного нитридом бора и политетрафторэтиленом: дис. ... канд. техн. наук / ЮРГТУ (НПИ), Новочеркасск, 2003. 120 с.
15. Иванов В.В., Щербаков И.Н., Иванов А.В., Башкиров О.М. Анализ синергического эффекта в композиционных никель-фосфорных покрытиях // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2005. № 4. С. 62 - 64.
16. Иванов В.В., Щербаков И.Н. Моделирование антифрикционных свойств неоднородных градиентных композиционных покрытий на поверхности стальных деталей узлов трения // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2010. № 5. С. 72 - 75.
17. Щербаков И.Н., Иванов В.В. Синергизм компонентов в композиционных никель-фосфорных покрытиях, используемых для повышения эксплуатационных свойств деталей автомобилей // Изв. вузов. Сев.-Кав. регион. Техн. науки. 2008. № 4. С. 116 - 118.
18. Щербаков И.Н., Иванов В.В., Дерлугян П.Д., Балакай В.И. Композиционное никель-фосфорное покрытие, модифицированное полититанатом калия // Современные наукоемкие технологии. 2015. № 8. С. 62 - 64.
19. Щербаков И.Н. О системном подходе к разработке композиционных антифрикционных покрытий [Электронный ресурс] // Инженерный вестн. Дона. 2013. № 1. URL: http://www.ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2013/1567 (дата обращения: 28.02.2016).
20. Щербаков И.Н. Теоретические исследования структурных состояний на поверхности антифрикционных материалов, предопределяющих их самоорганизацию в три-бологическом контакте // Фундаментальные и прикладные проблемы современной техники. Ростов н/Д: Изд-во СКНЦ ВШ, 2003. С. 102 - 110.
21. Щербаков И.Н., Дерлугян П.Д., Логинов В.Т. Фазовая разупорядоченность и синергизм свойств компонентов композиционных Ni-P покрытий // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2013. № 1 (170). С. 97 - 99.
22. Всероссийский научно-исследовательский институт по переработке нефти. [Электронный ресурс]. URL: http://www.vniinp.ru/content/view/118/88/ (дата обращения: 28.02.2016).
References
1. Maiorova L.A. Tverdye neorganicheskie veshchestva v kachestve vysokotemperaturnykh smazok. Novoe o tverdykh smazkakh [Solid inorganic substances as high-temperature greasings. New about solid greasing]. Moscow, Nauka Publ., 1971. 96 p.
2. Mashkov Y. K. Tribologiya konstrukcionnyh materialov [Tribology of structural materials]. Omsk, OmGTU Publ., 1996, 304 p.
3. Matveevskii R.M. Temperaturnaya stojkost' granichnyh smazochnyh sloev i tverdyh smazochnyh pokrytij pri trenii metallov i splavov [Temperature resistance of the boundary lubricating layers and solid lubricating coatings by friction of the metals and alloys]. Moscow, Nauka Publ., 1971, 215 p.
4. Shcherbakov I.N., Trofimov G.E., Loginov V.T., Derlugian P.D. Sposob polucheniya kompozicionnogo antifrikcionnogopokry-tiya [Production method a composite anti-friction coatings].Patent RF, no. 2556155, 2013.
5. Trofimov G.E., Scherbakov I.N., Shevchenko M.Y., Loginov V.T., Derlugian P.D., Ivanov V.V., Derlugian F.P. Sostav tverdos-mazochnogo antifrikcionnogo pokrytiya [The composition of the solid lubricating anti-frictional coating]. Patent RF, no. 2473711, 2011.
6. Shcherbakov I.N., Trofimov G.E., Loginov V.T., Derlugian P.D. Kompoziciya antifrikcionnogo tverdogo smazochnogo pokrytiya [Composition of antifriction solid lubricating coating]. Patent RF, no. 2493241, 2012.
7. Braithwaite E.R. Tverdye smazochnye materialy i antifrikcionnyepokrytiya [Solid lubricants and antifriction coatings]. Moscow, Khimiya Publ., 1967, 396 p.
8. Vasenkov S.A. Himicheskie i ehlektrohimicheskie sposoby osazhdeniya metallopokrytij [Chemical and electrochemical methods of deposition of coatings]. Moscow, Mashinostroenie, 1975, 312 p.
9. Trofimov G.E., Scherbakov I.N., Shevchenko M.Y., Loginov V.T., Derlugian P.D., Derlugian F.P, Ivanov V.V. Rastvor dlya himicheskogo osazhdeniya kompozicionnogo pokrytiya [Solution for chemical deposition of composite coating]. Patent RF, no. 2451113, 2011.
10. Ivanov V.V., Scherbakov I.N. Modelirovanie kompozitsionnykh nikel'-fosfornykh pokrytii s antifriktsionnymi svoistvami [Modeling of the compositional nickel-phosphorus coatings with anti-frictional properties]. Rostov on/Don, Izd-vo zhurn. «Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region», 2008, 112 p.
11. Shcherbakov I.N., Ivanov V.V. Analysis of synergic effect in compositional Ni-P-coatings // European Journal of Natural History, 2015. № 3. p. 48.
12. Scherbakov I.N., Ivanov V.V., Loginov V.T. et al. Khimicheskoe nanokonstruirovanie kompozitsionnykh materialov ipokrytii s antifriktsionnymi svoistvami [Chemical nano-design of the composite materials and coatings with anti-frictional properties]. Rostov on/Don, Izd-vo zhurn. «Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Tehn. nauki», 2011, 132 p.
13. Ivanov V.V., Shcherbakov I.N. O strukturoobrazovanii khimicheski osazhdennogo nikel'-fosfornogo pokrytiya, modifitsirovan-nogo politetraftoretilenom [About structural forming of the химически осажденного nickel-phosphorus coating modified by fluoroplastic]. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Tehn. nauki, 2006, no. 2, pp. 117-119. [In Russ.]
14. Shcherbakov I.N. Razrabotka kompozicionnogo nikel'-fosfornogo pokrytiya, modificirovannogo nitridom bora i politetraftore-htilenom. Kandidat. Diss. [The development of composite Nickel-phosphorus coating, a modified boron nitride and PTFE. Candidate Diss.]. Novocherkassk, 2003, 120 p.
15. Ivanov V.V., Shcherbakov I.N., Ivanov A.V., Bashkirov O.M. Analiz sinergicheskogo effekta v kompozitsionnykh nikel'-fosfornykh pokrytiyakh [Analysis of synergistic effect in the composite Nickel-phosphorus coatings]. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Tehn. nauki, 2005, no. 4. pp. 62-64. [In Russ.]
16. Ivanov V.V., Shcherbakov I.N. Modelirovanie antifriktsionnykh svoistv neodnorodnykh gradientnykh kompozitsionnykh pokrytii na poverkhnosti stal'nykh detalei uzlov treniya [Modelling the antifriction properties of an inhomogeneous gradient composite coatings on the surface of steel parts of friction units]. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Tehn. nauki, 2010, no. 5, pp.72-75. [In Russ.]
17. Shcherbakov I.N., Ivanov V.V. Sinergizm komponentov v kompozitsionnykh nikel'-fosfornykh pokrytiyakh, ispol'zuemykh dlya povysheniya ekspluatatsionnykh svoistv detalei avtomobilei [The synergism of the components in the composite Nickel-phosphorus coatings used to improve operational properties of details of cars]. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Tehn. nauki, 2008, Pril. № 4, pp. 116-118. [In Russ.]
18. Shcherbakov I.N., Ivanov V.V., Derlugian P.D., Balarai V.I. Kompozitsionnoe nikel'-fosfornoe pokrytie, modifitsirovannoe polititanatom kaliya [Composite Nickel-phosphorus coating, modified potassium polytitanate]. Sovremennye naukoemkie tekhnologii, 2015, no. 8, pp. 62-64. [In Russ.]
19. Shcherbakov I.N. O sistemnom podkhode k razrabotke kompozitsionnykh antifriktsionnykh pokrytii [About systematic approach to composite anti-frictional coatings elaboration]. Inzhenernyi vestnik Dona, 2013, no. 1. Available at: http://www.ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2013/1567 (accessed 28.02.2016).
20. Shcherbakov I.N. Teoreticheskie issledovaniya strukturnykh sostoyanii na poverkhnosti antifriktsionnykh materialov, predopre-delyayushchikh ikh samoorganizatsiyu v tribologicheskom kontakte [Theoretical studies of structural States at the surface of anti-friction materials that determine their self-organization in tribological contact]. Fundamental'nye i prikladnye problemy sovremennoj tekhniki, Rostov n/D, Izd-vo SKNTS VSH, 2003, pp.102-110.
21. Shcherbakov I.N., Derlugian P.D., Loginov V.T. Fazovaya razuporyadochennost' i sinergizm svoistv komponentov kompozit-sionnykh Ni-P pokrytii [Phase typical disorder and synergism of properties of the components of the composite Ni-P coatings]. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Tehn. nauki, 2013, no. 4, pp. 97-99. [In Russ.]
22. Vserossijskij nauchno-issledovatel'skij institutpopererabotke nefti (All-Russian research Institute of oil refining). Available at: http://www.vniinp.ru/content/view/118/88/ (accessed 28.02.2016).
Поступила в редакцию 9 марта 2016 г.
