Результат интеллектуальной деятельности: АНТИФРИКЦИОННОЕ ПОКРЫТИЕ МЕДЬ-ФТОРОПЛАСТ

Изобретение относится к электрохимическим производствам, гальванотехнике, а именно к электрохимическому осаждению медных композиционных покрытий и может быть использовано для коэффициента трения в кинематических парах технологического оборудования, трубопроводов, в машиностроении, автомобилестроении, морском транспорте и других отраслях промышленности. Полученное композиционное покрытие медь-фторопласт является двухслойным, состоящим из металлической матрицы (медь) с включенными в нее частицами фторопласта (сополимер тетрафторэтилена с этиленом) Ф-40 фиг. 1,1; 2) и чисто полимерного внешнего слоя (фигура 1). Толщина покрытия 20-40 мкм.

Покрытие обладает характеристиками, присущими как металлам (прочность, износостойкость, высокие тепло- и электропроводность), так и фторопластам (уплотнительная способность, надежное сцепление с основой, антиадгезионность, водоотталкивающие свойства, коррозионная стойкость). Покрытие отличается оптимальным содержанием фторопласта, что обуславливает высокие антифрикционные свойства и позволяет снизить затраты материалов и энергии в процессе нанесения покрытия и эксплуатации кинематических пар механизмов. Коэффициент трения кинематических пар с покрытием в 2-3 раза ниже, чем у кинематических пар без покрытия, что позволяет снизить энергоемкость эксплуатации таких деталей.

Известны покрытия: Известен электролит для получения антифрикционных покрытий (RU 2619012 С1) следующего состава, г/л:

Режим осаждения:Т=18-25°С, плотность катодного тока i_k=2-10 А/дм².

Наиболее близким к предлагаемому является электролит-суспензия для получения покрытий никель-фторопласт (RU 2479677 С1), включающая сульфаминовокислый никель - 250-300; хлористый никель - 15-20; борную кислоту - 25-40; порошок сополимера тетрафторэтилена с этиленом - 110-200; диимид 4,6-дисульфоизофталевой кислоты - 0,4-0,8; сульфосалициловую кислоту - 0,1-0,2; поверхностно-активные вещества - 3,5-6 и воду - остальное.

Однако покрытие на основе электролита-суспензии имеет недостаточно высокий коэффициент трения.

Недостатками покрытия являются высокие затраты на производство. Для получения указанного покрытия требуется высокая плотность тока, что обуславливает высокие затраты электроэнергии, большое количество Фт-40 (200 г/л), что увеличивает себестоимость покрытия и большое количество ПАВ (6 г/л), которое обеспечивает стабилизацию гидрофобного порошка сополимера тетрафторэтилена с этиленом в водной среде электролита, но может вызывать изменение внутренних напряжений в осадке, растрескивание и отслаивание покрытия от подложки. Кроме того, высокое объемное содержание Фт-40 может привести к деформации покрытия, что обусловлено высокой холодной текучестью и мягкостью фторопласта. Также покрытие представляет собой никелевую матрицу, которая обладает большими внутренними напряжениями. Для устранения этого необходимо использование медного покрытия, которое используется в узлах трения и обладает более низким коэффициентом трения по сравнению с никелевым.

Технической задачей изобретения является подбор оптимального состава покрытия медь-фторопласт, полученного методом катодного электроосаждения, снижение затрат на изготовление и эксплуатацию деталей кинематических пар с медьфторопластовым композиционным покрытием.

Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в получении композиционных медьфторопластовых покрытий, обеспечивающих низкий коэффициент трения в сопряженных деталях, что обеспечивает их безъизностность и увеличение срока службы.

Поставленная задача решается электролит-суспензией для получения антифрикционного фторопластового покрытия, включающей сернокислую медь 5-ти водную, кислоту серную, порошок сополимера тетрафторэтилена с этиленом, поверхностно-активное вещество и воду при следующем соотношении компонентов, г на 1л раствора:

• медь сернокислая 5-ти водная - 150-250

• кислота серная - 40-70

порошок сополимера тетрафторэтилена с этиленом -50-200

поверхностно-активное вещество - 2,2-4,5,

вода - остальное.

Режим осаждения: Т=298 К, плотность катодного тока i_k=l-7 А/дм², механическое перемешивание.

В результате использования предложенной суспензии снижается коэффициент трения.

Антифрикционное электрохимическое металлфторполимерное покрытие является двухслойным, состоящим из слоя из металлической матрицы – меди с включенными в нее частицами фторопласта Ф-40 (сополимера тетрафторэтилена с этиленом), выполненного из электролит-суспензии для антифрикционного фторопластового покрытия, и фторопластового внешнего слоя.

Пример 1.

Электролит-суспензию готовили, диспергируя порошок сополимера тетрафторэтилена с этиленом Ф-40 (ТУ-301-05-17-89) 100 г/л и поверхностно-активное вещество 4,5 г/л в электролите, составленном на основе сульфата меди 200 г/л, серной кислоты 60 г/л, растворенных в дистиллированной воде.

Электролиты предварительно прорабатывали в течение 10 часов в ячейке со стальным катодом при плотности тока 1,5 А/дм². Покрытия толщиной 20 мкм наносились из ванны стандартного типа на бронзовые цилиндры с поверхностью 0,045 дм² при Т=298 К и плотности тока 5 А/дм²

Для подбора оптимального состава покрытия изучена зависимость объемной доли фторопластовых частиц в металлической матрице от концентрации их в электролите - суспензии и концентрации основной соли (сульфата меди) (фигура 3). Определено, что содержание фторопласта в матрице покрытия увеличивается с увеличением концентрации дисперсной фазы (фторопласта) и уменьшением концентрации сульфата меди, это связано с преобладанием электрофоретической составляющей при электроосаждении композиционного покрытия.

Состав композиционного медьфторопластового покрытия определялся на основе фотоколориметрического анализа меди, а содержание сополимера тетрафторэтилена с этиленом - по разности навески. Для фотоколориметрического анализа использовался фотоэлектрический концентрационный колориметр КФК - 2МП.

Массу сополимера тетрафторэтилена с этиленом в покрытии определяли по следующей формуле:

mфт=mпокр-m сu,

где mфт - масса сополимера тетрафторэтилена с этиленом в покрытии,

г;

m покр - масса покрытия, г;

mcu - масса меди в покрытии, г.

Объемную долю (%) сополимера тетрафторэтилена с этиленом в покрытии рассчитывали по формуле:

где Voб - объемная доля сополимера тетрафторэтилена с этиленом в покрытии, %;

М фт - масса сополимера тетрафторэтилена с этиленом в покрытии, г;

ρ_ме - плотность меди, г/см3;

Определение скорости осаждения покрытия.

Скорость осаждения покрытия вычисляли через толщину, наносимого покрытия, измеренную микрометром за промежуток времени.

Определение коэффициента трения покрытий

Испытания проводились на базе механизмов привода и нагружения четырехшариковой машины трения «ЧМТ-1». Принцип действия основан на воспроизведении нормированных воздействий (осевой нагрузки, фиксированной скорости вращения и т.д.) на испытательные образцы, находящиеся в испытуемом смазочном материале (дизельное топливо), с последующим определением величины износа испытательных образцов. Испытуемые покрытия наносятся на пластину диаметром 37 мм и толщиной 3 мм. Подвижная контактная поверхность контактирующего тела имеет форму кольца с размерами наружного диаметра 17 мм и внутреннего диаметра 10 мм. Площадь контакта при этом составляет 1,48 см². Твердость поверхности HRC = 60, шероховатость Ra = 0,32. По отношению к испытуемому образцу контактная поверхность совершает вращательное движение относительно центра симметрии с угловой скоростью W = 157 с^-1 (1500 об/мин). Линейная скорость составляет 1,06 м/с.

По ГОСТ ISO 20623-2013 определяем коэффициент трения по формуле:

Где: r - расстояние от центра контактирующей поверхности на пластине до оси вращения.

L - приложенная осевая нагрузка, Н.

Т - момент трения.

Определение скорости осаждения покрытия.

Скорость осаждения покрытия вычисляли через толщину, наносимого покрытия, измеренную микрометром за промежуток времени.

На фиг. 1 представлена микрофотография поперечного среза медьфторопластового покрытия. Сноски:

1 - Металлическая медная матрица с включенными частицами фторопласта.

2 - Верхний фторопластовый слой.

На фиг. 2 представлена микрофотография структуры медьфторопластового покрытия.

На фиг. 3 представлена зависимость объемного содержания фторопласта в медьфторопластовом покрытии от концентрации компонентов электролита-суспензии при плотности 2А/дм², Т=298К. Сноски:

4 - Металлическая медная матрица с включенными частицами фторопласта.

3 - Верхний фторопластовый слой.