PL213917B1 - Hybrydowa, nanostrukturalna kompozytowa powłoka o małym współczynniku tarcia, odporna na zużycie ścierne i korozję - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest hybrydowa nanostrukturalna kompozytowa powłoka o małym współczynniku tarcia, odporna na zużycie ścierne i korozję przeznaczona na powierzchnie wyrobów metalowych i niemetalowych.

Znane kąpiele do elektroosadzania kompozytowych powłok niklowych zawierają w roztworze wodnym sole niklu(II), sole przewodzące. związki buforujące, przeciwnaprężeniowe i zwilżające oraz cząstki ceramiczne takie jak węgliki krzemu, boru. wolframu, tlenki glinu, tytanu, krzemu, azotki boru albo polimery takie jak politetrafluoroetylen PTFE i fluoryzowany grafit.

Znane jest z japońskiego opisu patentowego nr 05255896 wytwarzanie powłok funkcjonalnych odpornych na zużycie poprzez nakładanie przemiennie warstwy niklu z SiC i PTFE na części ślizgowe np. cylindry silnika.

Znana jest z opisu patentowego japońskiego nr 07207496 kąpiel do nakładania powłok niklowych i/lub kobaltowych zawierająca politetrafluoroetylen PTFE oraz w razie potrzeby SiC. Powłoki są przeznaczone do pokrywania aluminium i stali nierdzewnej i mają za zadanie zwiększyć smarowność powierzchni podłoża i jej odporność na zużycie.

W powłoce znanej z opisu patentowego WO2009076430 A1 lepsze parametry powłoki uzyskano głównie przez to, że - jako warunek konieczny - zastosowano cząstki polimerów o rozmiarach nano. Wyjaśniono przy tym mechanizm wpływu zwiększenia powierzchni cząstek polimerów przez ich rozdrobnienie na poprawę parametrów powłoki. Należy jednak wziąć pod uwagę, że powłoki kompozytowe mają najlepszą odporność na korozję tylko w pewnym przedziale zawartości wbudowanych cząstek polimerów, co ogranicza możliwość uzyskania istotnego wzrostu odporności na korozję, nawet jeśli cząstki te są w rozmiarach nano.

Celem wynalazku było opracowanie galwanicznej hybrydowej powłoki kompozytowej o małym współczynniku tarcia, wielokrotnie lepszych właściwościach tribologicznych i antykorozyjnych niż powłoka niklowa bez cząstek dyspersyjnych lub techniczna powłoka chromowa i nie wymagającej dalszego ulepszania poprzez wygrzewanie lub osadzanie następnych warstw.

Istota powłoki według wynalazku zawierającej w osnowie niklowej jako składniki o dużej odporności na zużycie ścierne takie cząstki super twarde jak węgliki, azotki lub tlenki wolframu i/lub molibdenu, i/lub boru, i/lub glinu, i/lub tytanu i/lub krzemu, i/lub cyrkonu, i/lub pierwiastki z grupy chromowców korzystnie molibden, i/lub wolfram, i/lub pierwiastki bor, i/lub krzem, i/lub super twarde cząstki szklane, oraz jako składniki zmniejszające współczynnik tarcia i przyczepność do podłoża cząstki polimerów takie jak politetrafluoroetylen, kopolimer tetrafluoroetylenu z eterem perfluorowinylowym, kopolimer tetrafluoroetylenu z heksafluoro-propylenem, kopolimer etylenu z tetrafluoroetylenem, żywica trifluorochloroetylenowa, fluorek poliwinylidenu, fluorowany grafit, przy czym cząstki super twarde oraz cząstki polimerów mają rozmiary od 20 nm do 50 μm, polega na tym, że zawiera wyłącznie cząstki polimerów o małej energii powierzchniowej, przy czym łączna zawartość cząstek super twardych i cząstek polimerów o małej energii powierzchniowej w powłoce wynosi od 0,6 do 3% wag. a resztę stanowi osnowa niklowa o rozmiarach krystalitów od 10 do 50 nm, ponadto, udział orientacji preferowanej P111 osnowy niklowej w powłoce wynosi od 0,5 do 4,5 a chropowatość powłoki zawiera się od 0,2 do 0,6 μm.

Okazało się, że zmniejszenie średniego współczynnika tarcia p_śr,- można uzyskać poprzez wzrost chropowatości Ra hybrydowej powłoki kompozytowej a wzrost chropowatości Ra poprzez wzrost zawartości Cp wbudowanych zdyspergowanych cząstek super twardych.

Okazało się ponadto, że wzrost odporności na zużycie ścierne Rsw hybrydowej powłoki kompozytowej można uzyskać poprzez wytworzenie warstw o dużej mikrotwardości HV a wzrost mikrotwardości HV warstw kompozytowych nawet do 8 Gpa można uzyskać poprzez zmniejszenie rozmiarów D krystalitów niklu. Kompozytowe powłoki hybrydowe mają najlepszą odporność P na korozję tylko w pewnym przedziale zawartości Cp wbudowanych zdyspergowanych cząstek super twardych. Znaczące podwyższenie odporności korozyjnej P uzyskuje się, jeśli zawartość Cp wbudowanych zdyspergowanych cząstek super twardych utrzymuje się w podanych zakresach oraz jeśli wytworzona powłoka ma orientację preferowaną P111 i rozmiary D krystalitów osnowy niklowej w wyżej wymienionym zakresie.

Odporność P na korozję jest wyrażona jako procentowe zmniejszenie szybkości korozji powłok kompozytowych

PL 213 917 B1 p= ^Tkor’^{0 rfcor} ·100[%] ΐϊζΟΓ,Ο gdzie - szybkość korozji powłoki niklowej [mm/rok]: - szybkość korozji powłoki kompozytowej [mm/rok].

Przedmiot wynalazku uwidoczniono bliżej w poniższym przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 ilustruje zależność średniego współczynnika tarcia lu od chropowatości R_a powłoki hybrydowej Ni-SiC-PTFE. fig. 2 - zależność chropowatości Ra od zawartości cząstek dyspersyjnych Cp w powłoce hybrydowej Ni-SiC-PTFE, fig. 3 - zależność między odpornością P na korozję powłok Ni-SiC-PTFE i zawartością cząstek dyspersyjnych Cp, fig. 4 - zależność między odpornością P na korozję powłok Ni-SiC-PTFE a rozmiarami D krystalitów osnowy niklowej i udziałem orientacji preferowanej P111 osadzanych w powłoce, a fig. 5 - zmiany współczynnika tarcia μ powłoki w czasie t próby tarcia oscylacyjnego.

Proces wytwarzania powłoki hybrydowej Ni-SiC-PTFE polegał na wytworzeniu dyspersji cząstek SiC o wymiarach 1 μm, dodaniu do kąpieli niklowej dyspersji SiC w ilości 2 g/l kąpieli i dyspersji tarflenowej o wymiarach cząstek PTFE - 0,1 μm w ilości 15 g/l kąpieli i po wymieszaniu całości przez okres 0,5 godzin nałożeniu powłoki hybrydowej na odtłuszczone i zdekapowane podłoże stalowe. Szybkość osadzania powłoki wynosiła 0,8 μm na minutę. Zawartość wbudowanych cząstek SiC oraz PTFE wynosiła 0.87% wag. Grubość osadzonej powłoki wynosiła 30 μm. Wytworzona znanym sposobem powłoka hybrydowa Ni-SiC-PTFE miała rozmiary D krystalitów niklu 19,3 nm, mikrotwardość HV 5,6 GPa, chropowatość R_a 0,33 μm i orientację preferowaną P₁₁₁ 1,43. W warunkach tarcia oscylacyjnego ze smarowaniem wytworzona powłoka Ni-SiC-PTFE miała 5,6 razy mniejsze zużycie w porównaniu z powłoką chromową. Współczynnik tarcia w czasie 3 godzin próby dla powłoki Ni-SiC-PTFE ilustruje fig. 5. Odporność korozyjna P powłoki Ni-SiC-PTFE w roztworze chlorku sodu o stężeniu 0,5M była o 78% większa od odporności powłoki niklowej. Przyspieszona próba badań odporności korozyjnej metodą Corrodkote wykazała, że powłoka hybrydowa Ni-SiC-PTFE o grubości 40 μm miała bardzo dobrą odporność na korozję nie tylko po wymaganych dla próby 16 godzinach ale również po dalszych 16 godzinach ekspozycji, podczas gdy powłoka chromowa o takiej samej grubości nie wytrzymała próby po 16 godzinach.

Claims (1)

1. Hybrydowa, nanostrukturalna powłoka kompozytowa o małym współczynniku tarcia, odporna na zużycie ścierne i korozję zawierająca w osnowie niklowej jako składniki o dużej odporności na zużycie ścierne takie cząstki super twarde jak węgliki, azotki lub tlenki wolframu i/lub molibdenu, i/lub boru, i/lub glinu, i/lub tytanu i/lub krzemu, i/lub cyrkonu, i/lub pierwiastki z grupy chromowców korzystnie molibden, i/lub wolfram, i/lub pierwiastki bor, i/lub krzem, i/lub super twarde cząstki szklane, oraz jako składniki zmniejszające współczynnik tarcia i przyczepność do podłoża cząstki polimerów takie jak politetrafluoroetylen, kopolimer tetrafluoroetylenu z eterem perfluorowinylowym, kopolimer tetrafluoroetylenu z heksafluoropropylenem, kopolimer etylenu z tetrafluoroetylenem, żywica trifluorochloroetylenowa, fluorek poliwinylidenu. fluorowany grafit, przy czym cząstki super twarde i cząstki polimerów mają rozmiary od 20 nm do 50 μm, znamienna tym, że zawiera wyłącznie cząstki polimerów o małej energii powierzchniowej, przy czym łączna zawartość cząstek super twardych i cząstek polimerów o małej energii powierzchniowej w powłoce wynosi od 0,6 do 3% wag. a resztę stanowi osnowa niklowa o rozmiarach krystalitów od 10 do 50 nm, ponadto udział orientacji preferowanej P111 osnowy niklowej w powłoce wynosi od 0,5 do 4,5 a chropowatość powłoki zawiera się od 0,2 do 0,6 μm.