Zastosowanie powłok osadzanych metodą redukcji chemicznej

W wielu pracach naukowych chemiczne powłoki niklowe (osadzane metodą bezprądową) stanowią jedną z wielu możliwości polepszenia właściwości tribologicznych przez m.in. zwiększenie twardości powierzchni, zachowując jednocześnie dobrą adhezję warstwy do podłoża.

Jednak proces niklowania chemicznego jest również szczególnie przydatny do regeneracji części maszyn, zwłaszcza precyzyjnych o skomplikowanych kształtach i małych gabarytach. Metoda bezprądowa może być stosowana zarówno do nakładania powłok na części wykonane z metali i stopów metali, a także z materiałów nieprzewodzących, np. szkło, ceramika, tworzywa sztuczne [14].

Można zatem stwierdzić, że przeprowadzanie badań tribologicznych i mechanicznych nad powłokami chemicznymi o różnych kompozycjach w zastosowaniu na części maszyn jest jak najbardziej słusznym kierunkiem obok innych metod polepszających eksploatacyjne właściwości materiałów konstrukcyjnych, np. PVD, CVD itp.

Chemiczne warstwy Ni-P są jednymi z nielicznych, które mogą być z powodzeniem osadzane na materiałach innych niż stal o przeznaczeniu technicznym, np. stopy aluminium. Analiza literatury wykazała, że trudno znaleźć przykłady zastosowań powłok chemicznych w układzie z aluminium lub jego stopami w charakterze części maszyn, narażonych bezpośrednio na tarcie lub powtarzające się cyklicznie naciski. Istnieją jednak próby podejmowania badań tribologicznych w celu zastosowania warstw wytwarzanych metodą redukcji chemicznej w obszarach technicznych (także innych niż przeciwkorozyjnych). Przykładem może być zastosowanie przez Instytut Mechaniki Precyzyjnej w Warszawie kompozytowej warstwy przeciwzużyciowej typu Ni-P/Al2O3 (metodą bezprądową) na stali C45 w celu polepszenia właściwości tribologicznych, głównie przeciwdziałania zużyciu podczas występowania tarcia między częściami. Przy czym stal C45 znajduje szerokie zastosowanie na części maszyn, np. koła zębate. Ciągłe badania w tym zakresie mają duże znaczenie, zwłaszcza że materiały kompozytowe są szczególnie obiecującą i rozwijającą się grupą materiałów, cieszącą się zainteresowaniem w pracach badawczych.

Ponadto powłoki niklowe na elementach stalowych spełniają funkcje przeciwzużyciowych warstw wierzchnich. W wielu zastosowaniach eksploatacyjnych funkcja ta wspomagana jest przez

Strona 53 z 134

stosowanie substancji smarowych zawierających w swym składzie dodatki modyfikujące (uszlachetniające) typu FM (friction modifier – modyfikator tarcia) oraz AW (anti-wear – przeciwzużyciowe). Jednoznacznie wykazano również możliwość zastosowania kompozytowej powłoki Ni-P z dodatkiem Al2O3, jako przeciwzużyciowej na stali C45 [11].

Fazy dyspersyjne wpływają na wytrzymałość, twardość oraz zachowanie warstw w warunkach eksploatacyjnych. Jednak w pracach badawczych zauważono również negatywny wpływ na niektóre właściwości (np. mikrotwardość warstwy) przy zbyt dużej zawartości cząstek lub nanocząstek w powłokach – także w przypadku Al2O3. Nanocząstki odgrywają bardzo ważną funkcję w polepszaniu właściwości osadzanych warstw, jednak tylko określenie oraz dobór właściwej fazy dyspersyjnej, wielkości cząstek, ich zawartości, a także możliwej obróbki cieplnej pozwoli na uzyskanie optymalnej powłoki do danych warunków eksploatacyjnych [23, 24, 26, 27, 39 – 44, 90 – 97].

Według [16] wyniki badań dowodzą, że nanocząstki SiC przyczyniają się do zwiększenia odporności warstwy na zużycie tribologiczne. Podobnie wg publikacji [22] nanocząstki Si3N4

wprowadzone do powłoki Ni-P, wytworzonej metodą redukcji chemicznej na stopie AZ31Mg powodują zwiększenie mikrotwardości powierzchni, jednorodności struktury warstwy oraz zmniejszenie współczynnika tarcia. W badaniach tribologicznych metodą Block-on-ring wykazano, że zawartość nanocząstek wpływa pozytywnie na odporność powłoki na zużycie ścierne. Jednak zauważono, że przy zawartości na poziomie 1,5 g/dm³, występuje najmniejszy współczynnik tarcia oraz ubytek materiału w porównaniu do wszystkich pozostałych warstw Ni-P/Si3N4 o innych zawartościach fazy dyspersyjnej, co zostało zobrazowane na rysunku 5.3.

Rys. 5.3. Wykresy badań tribologicznych oraz mikrotwardości powłok [22]

Istnieje jeszcze jedno nieco odmienne i zarazem innowacyjne rozwiązanie, pozwalające znacząco ograniczyć tarcie części maszyn, które z różnych powodów nie mogą lub nie powinny być smarowane w klasyczny sposób. W inżynierii powierzchni np. z obszaru kompozytowych powłok niklowych wytwarzanych metodą redukcji chemicznej można wyróżnić takie powłoki, które są opracowywane z myślą o utworzeniu powierzchni o właściwościach samosmarnych. Ma to duże znaczenie, zwłaszcza w miejscach, które w sposób szczególny muszą zostać zabezpieczone przed

Strona 54 z 134

zatarciem lub tam gdzie istnieje ryzyko braku smarowania olejem np. mechanizmów precyzyjnych, w wyniku uszkodzenia pompy olejowej.

Kompozytowe powłoki samosmarujące, wytwarzane metodą redukcji chemicznej, jako fazę dyspersyjną będą miały wbudowane cząstki związków chemicznych o właściwościach zmniejszających tarcie, np. teflon (PTFE), grafit lub MoS2. Przykładowo kompozytowe powłoki Ni-P/PTFE, osadzane bezprądowo charakteryzują się większym stopniem rozwinięcia powierzchni, twardości materiału, a przede wszystkim zwiększeniem odporności na zużycie ścierne w porównaniu do warstw Ni-P [38].

Przykład wpływu wbudowania cząstek teflonu na zużycie ścierne przedstawiono na rysunku 5.4.

Rys. 5.4. Wykres zużycia warstw P (1p), P/PTFE (2p, 3p, wytworzone w kąpieli alkaicznej), Ni-P/PTFE (4p, 5p, 6p, wytworzone w kąpieli kwaśnej) [38]

Istnieją bardzo różne kompozycje chemiczne warstw, które mogą być kształtowane w różnych celach.

Przykładowo jednoczesne wbudowanie warstwy ceramicznej azotku krzemu oraz smarnej PTFE ma na celu zwiększenie twardości materiału warstw oraz odporności na zużycie w wyniku tarcia. Innym podobnym rozwiązaniem jest zastosowanie powłok kompozytowych Ni-P/MoS2, które podobnie jak Ni-P/PTFE wykazują się większą odpornością na zużycie ścierne niż warstwy Ni-P [44, 97]. Przykład zużycia tego typu warstw przedstawiono na rysunku 5.5, na którym warstwy samosmarne charakteryzują się wyraźnie mniejszym współczynnikiem tarcia od innych powłok.

Rys. 5.5. Wykres zużycia warstw Ni-P/Si3N4 oraz Ni-P/MoS2/Si3N4 [44]

Strona 55 z 134 5.3.2. Zastosowanie środków smarnych

Jednym z wielu szczególnie ważnych czynników, które pomagają zapobieganiu nadmiernemu zużywaniu części maszyn na etapie eksploatacji jest m.in. zapewnienie ciągłości smarowania, tzn.

utrzymanie warunków tarcia płynnego, co zmniejsza opory ruchu [14].

W budowie i eksploatacji maszyn jednym z istotnych problemów jest zapewnienie prawidłowego smarowania węzłów tarcia. Środki smarne (oleje smarowe i smary stałe) stosowane w tym celu charakteryzują się coraz lepszymi właściwościami użytkowymi. W ekstremalnych warunkach pracy systemów tribologicznych (duże naciski, prędkości względne, temperatury, chwilowy brak smarowania np. podczas rozruchu) elementy tych systemów nie są dostatecznie chronione [15].

Szkodliwe skutki tarcia w ruchowych węzłach łagodzi się przez odpowiednie smarowanie, którego skuteczność zależy od jakości i ilości środków smarnych oraz od odpowiedniego sposobu smarowania. Przykładowo przekładnie zębate zabudowane w zamkniętych korpusach smaruje się olejami, a przekładnie otwarte mogą być smarowane również smarami plastycznymi lub półpłynnymi.

Rozwiązanie problemu smarowania polega na doborze sposobu smarowania oraz określeniu gatunku i ilości oleju, odpowiednich do skutecznego smarowania i chłodzenia podzespołu, np. przekładni zębatej. Efektywność smarowania powierzchni zależy w dużej mierze od wielu cech fizykochemicznych oleju, spośród których najbardziej podstawowymi są lepkość i smarność [55].

Rys. 5.4. Ogólny schemat zastosowania i możliwych modyfikacji olejów smarowych do określonych celów [15]

Poszczególne gatunki środków smarnych różnią się składem chemicznym i następującymi właściwościami: gęstość, lepkość (środki płynne), penetracja (smary plastyczne), smarność, intensywność starzenia, temperatura: krzepnięcia, kroplenia i topnienia [14]. Przykładowo w przypadku kół zębatych zazębienia pracują w warunkach dużych nacisków stykowych, przy dużych rozpiętościach prędkości obwodowych i poślizgu, i w tych warunkach tylko oleje odpowiedniej jakości mogą spełnić wysokie wymagania dobrego smarowania i zabezpieczyć powierzchnie przed uszkodzeniem [55]. Smary zmniejszają lub zapobiegają tarciu współpracujących elementów maszyn.

Preparaty

Strona 56 z 134

Środki smarne mogą być uniwersalne lub są produkowane do konkretnych profesjonalnych zastosowań. Ogólnie wyróżnia się następujący podział:

a) Oleje smarne – znajdują zastosowanie w miejscach, w których występują obciążenia dynamiczne, np. przekładniach, silnikach, łożyskach, itp. Oleje posiadają również tę zaletę, że są łatwo wymienialne i często mają właściwości chłodzące oraz czyszczące. Wyróżnia się oleje m.in. do silników spalinowych, przekładni zębatych, pomp, sprężarek, turbin itp. Przykład smarowania zamkniętej przekładni zębatej z zastosowaniem oleju przedstawiono na rys. 5.5.

Rys. 5.5. Schemat przykładowego smarowania przekładni głównej mostu napędowego [99]

b) Smary stałe – stosuje się do smarowania części maszyn lub elementów, na których środek smarny musi pozostawać przez cały lub dłuższy czas, np. na mechanizmach otwartych.

Wówczas olej nie spełni swojej funkcji, m.in. ze względu na ociekanie. Czasami smary tłuste uszczelniają smarowane mechanizmy, a także chronią przed zanieczyszczeniami, wilgocią lub wodą. Smary stałe znajdują zastosowanie, m.in. w łożyskach, przekładniach otwartych itp.

c) Smary trwałe – stosowane w mechanizmach o dużym obciążeniu, gdzie występują bardzo trudne warunki współpracujących części maszyn, np. bardzo duże naciski, wysokie ciśnienie, temperatura itp. Bardzo długo utrzymują się na obciążonych powierzchniach, na których nie może wystąpić żadne zespojenie ślizgających się po sobie powierzchni. Przykładem mogą być smary: PTFE, MoS2 itp., które znajdują zastosowanie, np. w przekładniach ślimakowych.

W bardziej szczegółowym zestawieniu środki smarne stosowane w eksploatacji maszyn można podzielić następująco [14]:

a) Ze względu na przeznaczenie:

• płynne silnikowe,

• płynne przekładniowe,

• płynne wrzecionowe,

• smary plastyczne do łożysk ślizgowych i tocznych,

• środki smarne specjalne;

b) Ze względu na konsystencję:

• płynne, np. olej, powietrze,

• smary plastyczne,

• stałe, np. grafit, dwusiarczek molibdenu (MoS2);

c) Ze względu na pochodzenie:

• mineralne,

• organiczne,

• syntetyczne.

Najkorzystniejsze warunki smarowania uzyskuje się dzięki środkom smarnym płynnym – olejom.

Strona 57 z 134