CC BY
34
ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
УДК 666.942.8
ВЛИЯНИЕ ВЯЗКОСТИ РАСПЛАВА НА ИНТЕНСИФИКАЦИЮ ПРОЦЕССА ОБЖИГА КЛИНКЕРА НИЗКОАЛЮМИНАТНОГО БЕЛОГО ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА
© 2003 г. С.П. Голованова, А.П. Зубехин, Е.А. Зеленская, П.В. Кирсанов
В настоящее время весьма возрос спрос на декоративные строительные отделочные материалы, к которым относятся, в частности, белый и цветной портландцементы, а также сухие строительные смеси на их основе. Как известно, важнейшими характеристиками белого портландцемента (БПЦ) являются его белизна, прочность и морозостойкость. К сожалению, выпускаемый БПЦ, отличающийся повышенным содержанием С3А (10...15 %), имеет пониженную морозостойкость, что существенно сужает области его применения.
В связи с этим на кафедре технологии керамики, стекла и вяжущих веществ (ТКСиВВ) была разработана технология низкоалюминатного белого портландцемента (НАБПЦ) [1], обладающего повышенной морозостойкостью. Клинкер НАБПЦ характеризуется высокими значениями модулей КН = 0,94; п = 9; р = 4,7. Учитывая пониженное содержание плавней -оксидов Бе203 и А1203 и соответственно количество расплава, образующегося при обжиге такого клинкера, сырьевая смесь НАБПЦ является весьма трудно-спекаемой, что обусловливает высокую актуальность интенсификации процесса обжига клинкера НАБПЦ.
Как было установлено [2], важнейшим фактором, обеспечивающим повышение скорости минералооб-
разования клинкера на стадии спекания - в реакциях с участием образующегося при этом расплава - является вязкость. Поскольку расплав маложелезистого клинкера БПЦ отличается высокой вязкостью, более чем в 2...3 раза превышающей вязкость расплава обычного серого портландцементного клинкера (П1450=0,16 Па-с), нами исследовано влияние минерализаторов на вязкость расплава клинкера НАБПЦ при различных температурах.
На стадии реакций с участием жидкой фазы интенсифицирующее влияние минерализаторов на процесс клинкерообразования предопределяется, прежде всего, резким снижением ее вязкости и поверхностного натяжения.
При изучении влияния минерализаторов на вязкость в шихту для синтеза жидкой фазы вводили №28!Р6, №2804, ПС1 в количестве 1 %. Результаты расчетов значений вязкости расплавов в клинкерах БПЦ с содержанием С3А=5 и 15 % приведены в таблице.
Как видно из приведенных данных (таблица), ввод минерализаторов значительно снижает вязкость жидкой фазы клинкера по сравнению с бездобавочным ее составом. Наиболее эффективными являются минерализаторы - кремнефтористый и фтористый натрий.
Зависимость вязкости расплава НАБПЦ (5 % С3А) и БПЦ (С3А = 15 %) от температуры и типа вводимого минерализатора (1 %)
Температура обжига, °С Вязкость жидкой фазы, Па-с, в присутствии минерализаторов, %мас
низкоалюминатной высокоалюминатной
без добавки Na2SiF6 Na2SO4 LiCl без добавки Na2SiF6 Na2SO4 LiCl
1380 0,521 0,249 - 0,480 - 1,93 - -
1400 0,460 0,139 0,312 0,346 - 1,08 2,42 -
1420 0,405 0,095 0,161 0,246 - 0,74 1,25 -
1440 0,356 0,072 0,102 0,179 - 0,56 0,79 2,34
1460 0,312 0,052 0,075 0,136 2,42 0,40 0,58 1,50
1480 0,274 0,043 0,062 0,114 1,03 0,33 0,48 0,75
1500 0,241 0,035 0,053 0,102 0,48 0,27 0,41 0,45
При температуре обжига 1460 °С значения вязкости жидкой фазы всех вариантов даже ниже, чем в жидкой фазе клинкера серого портландцемента (П1450 = 0,16 Па-с), характеризующегося высоким содержанием Ре203, снижающим вязкость расплава. Следовательно, ввод добавок минерализаторов в сырьевую смесь клинкера НАБПЦ должен обеспечить нормальное полное завершение процесса минерало-образования. При этом весьма важным является то, что применение минерализаторов смещает жидкофаз-ное спекание клинкера в область пониженных температур (рисунок).
и
S к
ш
2,5
1,5
0,5
1
4 3 2
5
6 8 ---
1360 1380 1400 1420 1440 1460 1480 1500 1520
Температура, °С
Вязкость жидкой фазы клинкеров БПЦ в зависимости от температуры и добавок минерализаторов в количестве 1%: высокоалюминатного (С3А=15 %) 1 - без добавки, 2 - ЫС1, 3 - №2804, 4 - Ка2Б1Е6; низкоалюминатного (С3А = 5 %) 5 - без добавки, 6 - ЫС1, 7 - Ка2Б04, 8 - Ыа^«
Как видно, жидкая фаза клинкера низкоалюминатного БПЦ имеет вязкость при 1=1450 °С значительно ниже, чем жидкая фаза высокоалюминатного. При температуре спекания клинкера 1=1450 °С значения вязкости жидкой фазы низкоалюминатного клинкера находятся в пределах значений, соответствующих практике обжига даже клинкера серого портландцемента, что обеспечивает полное усвоение СаОсв в клинкере НАБПЦ.
Таким образом, экспериментальные данные и теоретические предпосылки свидетельствуют о том, что для интенсификации процесса минералообразо-вания клинкера НАБПЦ наиболее эффективны минерализаторы, ускоряющие твердофазовые и жидкофа-зовые процессы; последние - за счет значительного снижения вязкости. Это кремнефториды и фториды, а затем сульфаты и хлориды в сочетании с катионами и Са2+.
Литература
1. Кирсанов П.В. Низкоалюминатный белый портландцемент: Автореф. дис. ... канд. тех. наук. Новочеркасск, 2001.
2. Зубехин А.П. Разработка теоретических основ и технологии белого портландцемента из сырья с различным содержанием окрашивающих соединений: Автореф. дис. ... д-ра техн. наук. М., 1984.
Южно-Российский государственный технический университет (НПИ)
9 апреля 2003 г.
УДК 621.928.6
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ В УСЛОВИЯХ КАСКАДНОЙ
ПНЕВМОКЛАССИФИКАЦИИ
© 2003 г. В.А. Кирсанов
Воздушная классификация сыпучих материалов является распространенным технологическим процессом. С целью повышения его эффективности разрабатываются новые конструкции аппаратов, причем предпочтение отдается каскадным пневмоклассифи-каторам [1]. Основным узлом таких аппаратов служит каскад контактных элементов, представляющий собой, в самом распространенном виде, набор наклонных пластинчатых полок, установленных поочередно на противоположных стенках сепарационного канала. Наличие контактных элементов не только реализует прогрессивный способ разделения, но и формирует определенную структуру как чистого воздушного потока [2], так и распределенного в нем дисперсного материала. Выявление механизма распределения твердых частиц по объему аппарата в совокупной
связи с конструктивными особенностями контактных элементов позволит создать физическую модель процесса каскадной пневмоклассификации, которая ляжет в основу его математического описания.
В настоящей статье данная задача решается применительно к пневмоклассификаторам с разработанными нами ступенчатыми, двух- и трехпоточными контактными элементами [3]. Для получения более полного представления о влиянии контактных элементов на физический механизм протекания процесса, был также изучен характер распределения частиц внутри полочного и пустотелого пневмоклассифика-торов.
Изучение структуры двухфазного потока проводилось на модельном образце пневмоклассификатора методом отсечек [4]. В качестве опытного материала
использовалась бинарная смесь узких фракций 0,2 -0,315 мм и 0,4 - 0,63 мм кварцевого песка с различным соотношением компонентов. При проведении экспериментов определялась масса и гранулометрический состав материала на каждой отсечке. На основании полученных результатов строились графики функциональной зависимости р, = /(И), где Н - высота аппарата, м; р, = GiIVi - локальная концентрация частиц в ,-м объеме. Здесь О, - масса материала на ,-й отсечке, кг; V, - ,-й объем, заключенный между двумя
3
соседними отсечками, м .
На рис.1 и 2 показано распределение частиц бинарной смеси при различном содержании узких фракций в аппаратах со ступенчатыми и двухпоточными контактными элементами. Как видно из графиков, материал распределен неравномерно между контактными элементами. В случае размещения в аппарате ступенчатых полок (см. рис.1) наибольшая концентрация смеси при низком содержании в ней мелкой фракции с эквивалентным диаметром ёЭМ = 0,25 мм находится на уровне третьего контактного элемента. С увеличением содержания данной фракции в бинарной смеси более 20 % пик концентрации смещается в зону ввода исходного материала в аппарат. Для данных полок распределение частиц по высоте аппарата характеризуется наличием нескольких пиков концентраций материала на уровне одних полок и спадом этой величины на уровне других, причем такой характер кривых ярче выражен для смеси с низким содержанием мелкой фракции.
Н, м
ч 0,3
/
ч 0,6
/ 0.4
ч
/ 0.2
0
41 ■■■-. .V. р,-, кг/м3
Рис. 1. Распределение концентрации бинарной смеси по высоте аппарата со ступенчатыми полками: 1, 2, 3, 4 -содержание мелкой фракции в смеси, соответственно 20, 40, 60, 80 %; скорость газа 3,58 м/с; расход материала 12 кг/м2-с
Рис. 2. Распределение концентрации бинарной смеси по высоте аппарата с двухпоточными контактными элементами: 1, 2, 3, 4 - содержание мелкой фракции в смеси, соответственно 20, 40, 60, 80 %; скорость газа 3,49 м/с; расход материала 12 кг1м2-с
При установке двухпоточных контактных элементов максимум концентрации частиц бинарной смеси отмечается в зоне ввода материала в аппарат независимо от относительного содержания компонентов (см. рис. 2). При этом наблюдается плавное уменьшение концентрации частиц вверх и вниз от места ввода исходной смеси в аппарат, причем в последнем случае снижение концентрации идет до уровня установки третьего контактного элемента, считая сверху. На уровне последующего элемента рассматриваемая величина уменьшается незначительно, но далее в нижнем свободном объеме аппарата концентрация частиц стремительно падает.
Влияние относительного содержания компонентов бинарной смеси можно проследить на примере распределения частиц в нижней и верхней частях аппарата. Так, при установке ступенчатых полок концентрация материала в нижней части больше, чем в верхней при изменении содержания мелкой фракции до значения хМ = 80 %. Причем эта разница увеличивается с ростом содержания в бинарной смеси крупной фракции. Например, при хМ = 60 % концентрация частиц в нижней части аппарата превышает соответствующую величину в верхней его части в 5 раз, при хМ = 40 % - почти в 16, а при хМ = 20 % - в 37 раз. В случае же использования двухпоточных контактных элементов указанная разница концентраций наблюдается только до значения хМ = 50 %, при этом ее величина весьма незначительна, так при хМ = 40 % -Ар, = 3,2 кг/м3, а при хМ = 20 % - Ар, = 5,9 кг/м3. С ростом содержания в исходной смеси мелкой фракции более 50 % концентрация материала в верхней части аппарата становится больше, чем в нижней.
Распределение концентрации узких фракций при их одинаковом содержании в бинарной смеси в аппаратах со ступенчатыми и двухпоточными контактными элементами показано на рис. 3. Из анализа представленных графических зависимостей следует, что характер кривых распределения мелкой и крупной фракций различен. Кривые распределения крупной фракции независимо от типа контактных элементов имеют более сложный вид. Им свойственно наличие нескольких пиков и спадов концентрации частиц по высоте аппарата, причем максимум концентрации материала отмечается ниже места ввода исходной смеси (кривые 2, 4). Наибольшая абсолютная величина концентрации частиц обеих фракций наблюдается в аппарате с двухпоточными контактными элементами. Максимальное значение концентрации мелкой фракции (кривые 1, 3) для рассматриваемых контактных элементов достигается в зоне ввода материала в аппарат, а наименьшее значение р, наблюдается в его нижней части. Следует отметить, что концентрация мелкого компонента в верхней части шахты больше в аппарате с двухпоточными элементами. Существенная разница концентраций крупного компонента вверху и внизу аппарата отмечается в случае установки ступенчатых полок. Так, в аппарате со ступенчатыми полками она составляет почти 15 кг/м3, тогда как в аппарате с двухпоточными контактными элементами - 4,5 кг/м3.
Н, м
Рь кг/м
Рис. 3. Распределение концентрации узких фракций бинарной смеси по высоте аппарата со ступенчатыми (1, 2) и двухпоточными (3, 4) контактными элементами: 1, 3 -фракция 0,2 - 0,315 мм; 2, 4 - фракция 0,4 - 0,63 мм; содержание компонентов в смеси - 1:1; скорость газа 3,49 м/с; расход твердой фазы 12 кг/м2-с
■ :>:■ pi
можно отметить, что наиболее равномерно распределена концентрация материала по высоте аппарата со ступенчатыми полками. Представленные результаты, благодаря сопоставлению абсолютных значений концентрации компонентов бинарной смеси в нижней или верхней части исследуемых аппаратов, позволяют сделать предварительные выводы о целесообразной области применения разработанных контактных элементов. Так, чем меньше концентрация мелких частиц в нижней части сепарационного канала, тем чище будет тяжелый (нижний) продукт. Следовательно, двух- и трехпоточные контактные элементы, обеспечивающие по сравнению с пустотелым аппаратом и другими конструкциями полок, наименьшую концентрацию мелких частиц внизу сепарационного канала, гарантируют лучшее качество указанного продукта (см. рис. 5, кривые 4, 5). Анализ полученных результатов распределения крупной фракции в рассматриваемых аппаратах показал, что при размещении ступенчатых полок создается наименьшая концентрация крупного компонента бинарной смеси в верхней части сепарационного канала. Это указывает на преимущественное использование данных элементов для обеспечения чистоты легкого (верхнего) продукта.
кг/м3 ^
Рис. 4. Распределение концентрации частиц материала по высоте аппарата с трехпоточными контактными элементами:
1 - бинарная смесь с равным соотношением компонентов;
2 - фракция 0,2 - 0,315 мм; 3 - фракция 0,4 - 0,63 мм;
скорость газа 3,1 м/с; расход материала 12 кг/м2-с
На рис. 4 представлено распределение концентрации частиц бинарной смеси и узких фракций материала в аппарате с шестью трехпоточными контактными элементами. Максимум концентрации на всех графиках приходится на зону ввода исходной смеси в сепа-рационный канал, при этом разница между ее абсолютным значением для мелкого и крупного компонентов незначительна. В отличие от кривых распределения бинарной смеси для аппаратов со ступенчатыми и двухпоточными элементами в данном случае кривая 1 содержит один пик концентрации. В нижней части аппарата практически отсутствует мелкая фракция, тогда как вверху шахты наблюдается одинаковая концентрация обеих фракций. Концентрация крупной фракции внизу аппарата превышает соответствующую величину в верхней его части в 4,6 раза.
С целью сравнительного анализа распределения материала в исследуемых аппаратах нами построен график изменения концентрации частиц мелкой фракции с эквивалентным диаметром М = 0,25 мм бинарной смеси при равном соотношении компонентов (рис. 5). Как видно, наибольшая концентрация данных частиц отмечается в пустотелом аппарате ниже места ввода материала, а наименьшее ее значение наблюдается в аппарате со ступенчатыми полками. Также
Н, м 0.8 0.6 0.4 0.2 0
20 40 60 80 100 рЬ КГ/м
Рис. 5. Распределение концентрации мелкого компонента бинарной смеси по высоте аппаратов с различным типом контактных элементов: 1 - пустотелый; 2, 3, 4, 5 - контактные элементы, соответственно - пластинчатые, ступенчатые, двухпоточные, трехпоточные; скорость газа 3,58 м/с; расход материала 12 кг/м2 - с
Также можно предварительно оценить разделительную способность контактных элементов по разно -сти величин, характеризующих содержание частиц узкой фракции в местах отбора получаемых продуктов из аппарата. На рис. 6 показано изменение относительного содержания крупных частиц с эквивалентным диаметром йЭК = 0,5 мм в бинарной смеси по высоте различных аппаратов. Из сопоставления значений разности содержаний частиц крупного компонента ЛхК внизу и вверху сепарационного канала следует, что лучшей разделительной способностью обладают ступенчатые полки, у которых ЛхК = 79 %. Несколько уступают им двух- и трехпоточные контактные элементы (ЛхК равно, соответственно, 68 и 61 %), но эти элементы, в свою очередь, по разделительной способности превосходят пластинчатые перфорированные полки (ЛхК = 57 %) и пустотелый аппарат (Лхк = 44 %).
Рис. 6. Изменение относительного содержания крупной фракции в бинарной смеси по высоте аппаратов с различным типом контактных элементов: 1 - пустотелый; 2, 3, 4, 5 -контактные элементы, соответственно - пластинчатые, ступенчатые, двухпоточные, трехпоточные; скорость газа 3,58 м/с; расход материала 12 кг/м2-с
Делать окончательные выводы о преимущественном использовании и разделительной способности разработанных контактных элементов лишено смысла, так как такие выводы можно формулировать только после сопоставления результатов процесса классификации сыпучих материалов, полученных при оптимальных технологических режимах их работы.
Литература
1. Барский М.Д. Фракционирование порошков. М., 1980.
2. Кирсанов В.А. Распределение скорости воздушного потока в каскадных пневмоклассификаторах // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2003. № 3. С. 65-70.
3. Кирсанов В.А., Новоселов А.М. Разработка и исследование новых конструкций контактных элементов каскадных пневмоклассификаторов //Юбил. сб. науч. тр. Ново-черк. гос. техн. ун-та. Новочеркасск, 1997. С. 101-104.
4. Пономарев Г. С. Исследование процесса классификации зернистых материалов в аппаратах с провальной решеткой: Дис. ... канд. техн. наук. Пермь, 1974.
6 марта 2003 г.
Южно-Российский государственный технический университет (НПИ)
УДК 621.9.047
ЭЛЕКТРООСАЖДЕНИЕ КОМПОЗИЦИОННОГО ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ
НИКЕЛЯ ВЗАМЕН ХРОМА
© 2003 г. В.И. Балакай
Износ конструкционных сплавов является главным фактором снижения надежности и срока службы деталей. Интенсивный износ деталей машин при трении приводит к большим затратам на ремонт, изготовление запасных частей и к простою оборудования во время ремонта. В связи с этим на создание материалов, обладающих высокой износостойкостью и низким коэффициентом трения, уделяется большое внимание. Поэтому самосмазываемые и износостойкие композиционные покрытия, полученные электроосаждением, все больше и больше привлекают к себе внимание исследователей.
Никель является хорошим конструкционным материалом; износостойкие и самосмазываемые покрытия на его основе представляют определенный практический интерес. В [1, 2] рассмотрены вопросы получения покрытий из никеля и никель-кобальт с антифрикционными свойствами с частицами коллоидного графита. Показано, что износостойкость покрытий никель + графит, никель-кобальт + графит в 3 - 4 раза выше износостойкости покрытий без графита, а коэффициент трения в 1,5 раза ниже коэффициента трения обычных покрытий. Самосмазываемые покрытия никель + молибденит получены автором работы [1]. Однако при этом отмечается необходимость приработки трущихся поверхностей при минимальной нагрузке и скорости скольжения с последующим увеличением их в течение 3 - 5 ч. Это время может быть сокращено до 1 - 2 ч при условии, если на трущуюся
поверхность нанести тонкую пленку молибденита с глюкозой. Указанное покрытие может эксплуатироваться при нагрузке до 1,2 МПа и скорости скольжения до 2 м/с. Снижение износа обнаружено и при введении в никелевое покрытие частиц фторида кальция [3]. Увеличение износостойкости покрытий авторы объясняют снижением твердости от 5700 до 3200 МПа для композиционных покрытий. Авторами работы [4] самозмазываемые и износостойкие покрытия никель + графит, никель + гексагональный нитрид бора, никель + графит + карбид кремния получены из аммонийного электролита. Показано, что коэффициет трения покрытий, содержащих частицы нитрида бора в количестве 1 - 2 % по массе, снижается незначительно, тогда как у остальных покрытий этот коэффициент снижается в несколько раз.
Включение в покрытия тугоплавких частиц карбидов, боридов, оксидов и других частиц приводит к увеличению их твердости и износостойкости [4]. Так, например, износ покрытий никель + карбид вольфрама в 1,5 - 2,0 раза меньше износа покрытий никель + карбид хрома и никель + карбид титана, а коэффициент трения находится в пределах 0,12 - 0,17. В работе [5] показано, что износ покрытий никель + карбид титана и никель + карбид кремния меньше износа никеля в 3 - 4,5 и 1,8 - 2,5 раза соответственно. При граничном трении со смазкой АМГ-10 и нагрузке 2 МПа износ покрытий никель + карбид титана уменьшается в 8 раз по сравнению с износом хрома.
Коэффициент трения никель + карбид титана составляет 0,2 при сухом трении и 0,18 при смазке. В условиях граничного трения износостойкость никелевых покрытий, содержащих частицы карбида хрома, вольфрама, увеличивается в 4 - 7 раз [6]. Показано, что наименьший износ наблюдается у покрытий никель + карбид вольфрама. Коэффициент трения у этих покрытий уменьшается до 0,13 - 0,18 против 0,21 для никеля.
Модифицирование покрытия никель + бор карбидом вольфрама или фтористым кальцием значительно повышает антифрикционные свойства сплава [7]. Например, износостойкость покрытий никель + бор + + карбид вольфрама (2 мас. %) в 1,7 - 2,0 раза выше износостойкости никеля, а с введением фторида кальция (1 - 2 % по массе) снижается коэффициент трения в 1,8 - 2,0 раза при сохранении высокой износостойкости. В [8] отмечается, что износостойкость термо-обработанных покрытий никель + бор аморфный при скорости скольжения 2 м/с и нагрузке 35 МПа в 2,0 -2,5 раза выше износостойкости хромовых покрытий. Коэффициент трения покрытий находится в пределах 0,6 - 0,11.
На режущую часть электробритв и других инструментов авторы работ [9] предлагают наносить износостойкие покрытия никель + оксид алюминия, никель + алмаз и другие, а для лучшей приработки -сверху чистый никель. Показано, что использование указанных покрытий позволяет увеличить производительность инструментов в 1,5 - 2,0 раза. Режущие инструменты в виде шлифовальных кругов и лент с абразивными свойствами получены и с включением в никелевое покрытие частиц карбида кремния, вольфрама; они имеют высокую износостойкость и больший срок службы по сравнению с традиционными инструментами.
Значительное уменьшение износа покрытий достигнуто в результате термообработки покрытий никель + фосфор + карбид кремния [7, 10]. После термообработки их при температуре 370 оС в течение 1 ч износ уменьшается на порядок по сравнению с износом исходных покрытий, а твердость при этом увеличивается в 2,5 раза. Повышенную износостойкость имеет хромовое покрытие, содержащее частицы карбидов бора, кремния и металлов (никеля, титана и вольфрама) [4] в количестве до 5 % по массе.
Наиболее перспективными для упрочнения узлов сухого трения при больших скоростях скольжения (до 3 м/с) и нагрузках (до 3 МПа) автор работы [2] считает покрытия типа металл + тугоплавкие частицы + + самосмазываемые частицы.
Известны электролиты для нанесения сплавов и композиционных покрытий на основе никеля и хрома с целью получения покрытий с повышенной износостойкостью, но так как электролиты хромирования являются самыми токсичными в современной гальванотехнике, то для разработки износостойких покрытий выбрали сплавы на основе никеля.
Как уже упоминалось ранее, электролитические сплавы с функциональными свойствами на основе сплава никель-бор могут быть использованы в маши-
ностроительной промышленности для увеличения срока службы и восстановления деталей машин и механизмов. Они отличаются повышенной твердостью, коррозионной и износостойкостью. Это позволяет применять их для упрочнения поверхности с целью повышения износостойкости деталей, уменьшения износа сопряженных пар.
Для увеличения износостойкости таких покрытий было предложено в состав сплава вводить фторопласт, количество которого в осадке зависит от количества вводимого в электролит фторопластсодержащей добавки, интенсивности перемешивания электролита, состава электролита, температуры и т.д.
С целью разработки сплава, который обладал бы более высокой износостойкостью, ранее нами был использован электролит для нанесения сплава никель-бор состава, г/л: хлорид никеля шестиводный 200 - 300, сульфат никеля семиводный 3 - 10, борная кислота 20 - 30, хлорамин Б 0,5 - 1,5 или сахарин 0,5 - 1,0, хлорид аммония 20 - 30, боросо-держащая добавка 0,5 - 4,0. Режимы электролиза: рН 1,0 - 5,5, температура 18 - 40 оС, катодная плотность тока 4 - 10 А/дм2 [11]. Покрытия, осажденные из данного электролита, также имеют недостаточную износостойкость.
Для повышения износостойкости в состав электролита, содержащего хлорид никеля, борную кисло -ту, хлорамин Б или сахарин, соль анионного полиэдрического бората, дополнительно вводили фторопласт. С использованием метода математического планирования экстремальных экспериментов Бокса-Уилсона нами разработан электролит для нанесения композиционного покрытия никель-бор-фторопласт состава, г/л: хлорид никеля шестиводный 200 - 300, сульфат никеля семиводный 2,5 - 5,0, борная кислота 25 - 35, хлорид аммония 20 - 30, хлорамин Б 0,5 - 1,5, боросодержащая добавка 1,0 - 4,0, фторопластсодер-жащая добавка 10 - 30 мл/л. Режимы электролиза: рН 1,0 - 5,5, температура 18 - 30 оС, катодная плотность тока 0,5 - 9,0 А/дм2 при перемешивании. Покрытия, осажденные из данного электролита, получаются блестящими, равномерными, хорошо сцепленными с основой из стали, меди или ее сплавов, с высокой износостойкостью.
Электролит готовили следующим образом. В электролитической ванне, заполненной до 3/4 необходимого объема водопроводной водой, при температуре 60 - 70 оС растворяли борную кислоту, хлорид никеля и хлорамин Б или сахарин. После того как довели уровень электролита до необходимого объема, вводили боросодержащую и фторопластсо-держащую добавки. рН электролита доводили либо соляной кислотой, либо гидроксидом натрия или калия (50 - 100 г/л).
Для исследования физико-механических свойств получаемых композиционных покрытий выбрали покрытия, которые осаждали из электролитов, приготовленных на среднем, нижнем и верхнем уровнях содержания компонентов, а результаты измерений приведены в таблице.
Физико-механические свойства покрытий
Характеристики электролита и сплава никель-бор и композиционного покрытия никель-бор-фторопласт Характеристики покрытий, осажденных из электролитов
1 2 3
Износостойкость в условиях граничного трения со сталью Ст 45 при нагрузке 20 - 30 кгс/см2, мкм/ч 0,74 0,56 0,42
Микротвердость, ГПа 8,7 8,6 8,4
Внутренние напряжения, МПа 62,1 64,8 68,7
Пористость при толщине 4 - 5 мкм, пор/см2 1 2 4
Сцепление с основой из стали, меди и ее сплавов Удовлетворяет ГОСТ 9.302-88
Содержание бора, % по массе 0,7 1,3 2,5
Содержание фторопласта, % по массе 0,9 2,1 3,6
Выход по току композиционного материала, % 99 101 102
Скорость осаждения, мкм/ч 61 75 138
Рассеивающая способность (по Херрингу и Блюму), % 12 14 18
Как видно из таблицы, износостойкость композиционного покрытия никель-бор-фторопласт превышает таковую сплава никель-бор в 2,6 - 2,7 раза при сохранении других основных физико-механических свойств покрытий. Это позволяет расширить область применения композиционного покрытия никель-бор-фторопласт в качестве защитно-декоративного, износостойкого покрытия в машиностроении, автомобильной и других отраслях промышленности.
Литература
1. Сайфуллин Р.С. Неорганические композиционные материалы. М., 1983.
2. Бородин И.Н. Упрочнение деталей композиционными покрытиями. М., 1982.
3. Быкова М.И., Шкляная И.В., Настенко Н.Я. Электрооса-
ждение композиций никель-фторид кальция // Надежность и долговечность деталей машин: Тез. докл. конф. Красноярск, 1974. С. 19 - 26.
4. Настенко Н.Я., Быкова М.И. Изнашивание композиционного электрохимического покрытия на основе никеля с включениями карбидов вольфрама, хрома и титана // Надежность и долговечность деталей машин. Красноярск, 1974. С. 37 - 41.
5. Быкова М.И., Шкляная И.В., Бабак Е.А. Исследование работоспособности никелевых композиционных покрытий // Тез. докл. зон. науч.-техн. конф. по электрохимическим методам обработки и упрочнению рабочих поверхностей деталей машин. 14 - 17 окт. 1976 г. Тюмень, 1976. С. 123 - 124.
6. Быкова М.И., Шкляная И.В., Настенко Н.Я. Улучшение
свойств никелевых покрытий включением дисперсных частиц // Тез. докл. респ. конф. по оборудованию для нанесения защитно-декоративных и специальных покрытий. 15 - 18 сент. 1975 г. Киев, 1975. С. 5.
7. Гуслиенко Ю.Д., Даниленко В.А. Получение многокомпонентных комбинированных покрытий на основе никеля и их свойства // Тез. докл. респ. конф. по оборудованию для нанесения защитно-декоративных и специальных покрытий. 15 - 18 сент. 1975 г. Киев, 1975. С. 9.
8. Федорченко И.М., Гуслиенко Ю.А., Эпик А.П. Комбинированные покрытия никель-бор // Порошковая металлургия. 1972. № 8. С. 31 - 34.
9. Прудников Е.Л. Инструмент с алмазно-гальваническим покрытием. М., 1985.
10. Быкова М.И., Никитин С.Н. Композиционные электрохимические никель-фосфорные покрытия, модифицированные графитом и карбидом кремния // Теорет. основы технологии нанесения химических покрытий из металлов и сплавов: Тез. докл. Укр. респ. конф. 24 - 26 мая 1988 г. Киев, 1988. С. 5 - 7.
11. Кудрявцева И.Д., Балакай В.И., Сысоев Г.Н., Свицын Р.А., Коваленко Д.Г. Возможность замены износостойких хромовых покрытий сплавом никель-бор // Прогрессивные виды защитных покрытий, механизация, автоматизация процессов нанесения покрытия и методы консервации при длительном хранении: Материалы семинара. 22 - 23 мая 1990 г. Л., 1990. С. 59 - 62.
15 апреля 2003 г.
Южно-Российский государственный технический университет (НПИ)
