ИЗНОСОСТОЙКИЕ ЗАЩИТНЫЕ МЕТАЛЛ-АЛМАЗНЫЕ ПОКРЫТИЯ
ВЕСТНИК АКАДЕМИИ ВОЕННЫХ НАУК
№ 3(24)/2008 (спецвыпуск)
А.В.ФРОЛОВ,
кандидат технических наук,
ФГУП «Федеральный научно-производственный центр «Алтай»
г. Бийск;
В.Н. БЕЛЯЕВ,
кандидат технических наук,
ФГУП «Федеральный научно-производственный центр «Алтай»
г. Бийск;
И.С. ЛАРИОНОВА,
ФГУП «Федеральный научно-производственный центр «Алтай»
г. Бийск;
К.Ф.ИЛЬИНЫХ,
ФГУП «Федеральный научно-производственный центр «Алтай»
г. Бийск.
ИЗНОСОСТОЙКИЕ ЗАЩИТНЫЕ МЕТАЛЛ-АЛМАЗНЫЕ ПОКРЫТИЯ
Статья посвящена исследованию физико-механических свойств металл-алмазных покрытий (хром, никель), полученных с использованием детонационных наноалмазов (ДНА). На примере стандартных гальванических процессов продемонстрирован эффект изменения качественных показателей покрытий за счет введения частиц наноалмаза, являющихся модификаторами процессов химической и электрохимической металлизации. Определено, что введение ДНА размером не более 200 нм в состав электролитов хромирования и никелирования обеспечивает формирование мелкозернистой структуры покрытия за счет влияния наноалмазных частиц на процесс кристаллизации металлического покрытия и как следствие к увеличению микротвердости, коррозионной стойкости, износостойкости. Кроме того, металл-алмазные покрытия обладают высокой прочностью сцепления с поверхностью и обеспечивают высокую степень равномерного распределения даже на сложнопрофильных изделиях.
Актуальность и значимость развития данного направления обусловлена необходимостью создания промышленных технологий изготовления многофункциональных композиционных металл-алмазных покрытий специального назначения, с целью достижения современного уровня технико-экономических и экологических показателей, не уступающих по основным характеристикам лучшим зарубежным аналогам.
Цель дальнейшего развития технологий нанесения композиционных металл-алмазных покрытий заключается в решении проблем и задач связанных с повышением надежности и ресурса работы производимых изделий, в таких секторах промышленности как машиностроение, приборостроение, автомобиле- тракторостроение, авиационная и космическая отрасли, а также военно-промышленного комплекса. В частности данные технологические решения необходимы для предприятий производящих: двигатели для транспортных систем; оборудование, работающее в условиях высоких температур, агрессивных сред, повышенного износа; широкий набор обрабатывающего инструмента и сопутствующих приспособлений, детали нефтяного оборудования; изделия специального назначения и т.д.
В рамках данной работы проведено исследование влияния дисперсного наполнителя ДНА на свойства получаемых покрытий. Покрытия наносились на стальную подложку марки 40Х. Средние результаты по микротвердости, коррозионной стойкости и износу представлены на рисунках 1-3.
Анализ полученных данных показывает увеличение микротвердости покрытий при введении в электролит ультрадисперсной фазы алмазных частиц на 20-50%, в зависимости от типа и материала покрытия. В частности микротвердость химических никелевых покрытий превышает на 60% микротвердость электрохимического никеля.
Суть метода оценки коррозионной стойкости заключался в сравнении скоростей окисления покрытий с дисперсной фазой и без нее, выраженных через массовые показатели коррозии (МПК).
Из полученных данных, приведенных на рисунке 2 видно, что покрытия, полученные из электролитов, содержащих ДНА, обладают большей коррозионной стойкостью, превышающей на 30 % коррозионную стойкость покрытий без дисперсных добавок.
Исследования износостойкости экспериментальных образцов композиционных покрытий проводились с использованием машины трения модели 2070 СМТ-1. Во время испытаний исследовалась пара трения покрытие-сталь. Материал контр-тела, выполненного в виде ролика, сталь 40Х (HRC 35 -40). Материал покрытий: хром и никель полученные с введением ДНА в электролит и без него. Определение износа образцов осуществлялось массовым методом при помощи электронных весов модели Sartorius LA 3109 с точностью до 0,1 мг. Каждый вид покрытия (электрохимическое и химическое никелирование, электрохимическое хромирование) наносился на партию образцов.
Результаты испытаний показали, что покрытия, модифицированные наноалмазом, имеют большую износостойкость покрытий в 2-4 раза и в 4-5 раз при никелировании и хромировании соответственно по сравнению с осадками Ni и Сr.
Формирование вышеперечисленных свойств определяется кристаллической структурой покрытий, полученных химическим или электрохимическим способами в присутствии ДНА. На рисунках 4-9 представлены фотографии микроструктуры покрытий химического никеля и электрохимических никеля и хрома с добавлением ДНА и без дисперсных добавок. Из рисунков видно, что металл-алмазные покрытия отличаются от покрытий Ni, Cr развитой мелкозернистой структурой, которая и способствует увеличению их физико-механических и эксплуатационных характеристик.
Таким образом, применение детонационных наноалмазов в качестве добавки в электролитических и химических процессах нанесения покрытий позволяет увеличивать как механические показатели покрытия, а именно микротвердость, износостойкость, так и химические - коррозионная стойкость.
Полученные результаты позволили сделать следующие выводы:
Разработанная базовая промышленная технология получения композиционных покрытий позволяет увеличить механические характеристики (износостойкость в 7-10 раз, микротвердость в 1,5-2 раза, коррозионную стойкость в 2-2,5 раза) и срок службы изделий в 2-4 раза (в зависимости от вида изделия на которое нанесено покрытие и условий его работы) при затратах на производство сопоставимых с действующими технологиями.
Внедрение технологии обеспечивает существенное повышение долговечности узлов и механизмов, снижает затраты производства на изготовление за счет экономии инструмента и оснастки. При указанном размере кристаллитов хрома, никеля достигается полное копирование покрытием микрорельефа покрываемой поверхности, что значительно увеличивает предельные напряжения сдвигового и нормального отрыва покрытия от основы.
