PL B1. Elektrolityczna, nanostrukturalna powłoka kompozytowa o małym współczynniku tarcia, zużyciu ściernym i korozji

Transkrypt

1 PL B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: (51) Int.Cl. C25D 3/12 ( ) C25D 15/00 ( ) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: (54) Elektrolityczna, nanostrukturalna powłoka kompozytowa o małym współczynniku tarcia, zużyciu ściernym i korozji (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 14/11 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 05/13 (73) Uprawniony z patentu: INSTYTUT MECHANIKI PRECYZYJNEJ, Warszawa, PL (72) Twórca(y) wynalazku: BENIGNA SZEPTYCKA, Warszawa, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Lech Foremski

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest elektrolityczna, nanostrukturalna powłoka kompozytowa o małym współczynniku tarcia, zużyciu ściernym i korozji, 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 polimery takie jak politetrafluoroetylen (PTFE), fluorowany grafit. Znana jest z opisu patentowego USA nr samosmarna niklowa powłoka kompozytowa zawierająca jako cząstki dyspersyjne nieorganiczny polimer - grafit fluorowany w ilości mniejszej niż 80% obj. odznaczająca się trzy do pięć razy wolniejszym zużyciem niż znana powłoka niklowa i średnim współczynnikiem tarcia mniejszym niż znana powłoka niklowa. W powłoce znanej z opisu patentowego WO 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 galwanicznych powłok kompozytowych o zmniejszonym w porównaniu ze znaną powłoką nanoniklową współczynnikiem tarcia oraz o wielokrotnie większej niż znana powłoka nanoniklowa bez cząstek dyspersyjnych odporności na korozję oraz na zużycie ścierne. Istota powłoki według wynalazku zawierającej w osnowie niklowej jako składniki zmniejszające współczynnik tarcia i zużycie ścierne cząstki polimerów o rozmiarach od 20 nm do 1000 nm, takie jak politetrafluoroetylen, kopolimer tetrafluoroetylenu z eterem perfluorowinylowym, kopolimer tetrafluoroetylenu z heksafluoropropylenem, kopolimer etylenu z tetrafluoroetylenem, żywica trifluorochloroetylenowa, fluorek poliwinylidenu, polega na tym, że zawiera cząstki polimerów o małej energii powierzchniowej, przy czym zawartość w powłoce cząstek polimerów o małej energii powierzchniowej wynosi od 0,45 do 1,3% wag., rozmiary krystalitów niklu w osnowie niklowej są w zakresie od 10 nm do 80 nm a udział orientacji preferowanej P 111 w powłoce wynosi od 0,25 do 2,5. Okazało się, że zmniejszenie średniego współczynnika tarcia śr wzrost odporności na zużycie ścierne R pw powłoki kompozytowej można uzyskać poprzez wbudowanie cząstek o małej energii powierzchniowej i przez wzrost mikrotwardości HV powłoki kompozytowej nawet do 9 GPa. Wzrost mikrotwardości warstw kompozytowych uzyskuje się poprzez zmniejszenie rozmiarów D krystalitów niklu. Zależność wzrostu mikrotwardości HV powłoki od rozmiarów D krystalitów niklu wyraża wzór: Jak się okazało powłoki kompozytowe mają najlepszą odporność na korozję tylko w pewnym przedziale zawartości wbudowanych cząstek dyspersyjnych co ilustruje fig. 3 oraz jeśli wytworzona powłoka ma orientację preferowaną (111) i rozmiary D krystalitów osnowy niklowej w wyżej wymienionym zakresie, co ilustruje fig. 4. Wartość odporności na korozję P wyrażono jako procentowe zmniejszenie szybkości korozji powłok kompozytowych gdzie r kor,0 - szybkość korozji powłoki niklowej [mm/rok]; r kor - szybkość korozji powłoki kompozytowej [mm/rok]. Przedmiot wynalazku uwidoczniono bliżej w poniższym przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia zależność średniego współczynnika tarcia śr od mikrotwardości HV powłoki kompozytowej, fig. 2 przedstawia zależność mikrotwardości HV powłoki Ni-PTFE od rozmiarów D krystalitów niklu, fig. 3 - zależność między odpornością P na korozję powłok Ni-PTFE i zawartością C p cząstek dyspersyjnych, a fig. 4 - zależność między odpornością na korozję P powłoki Ni-PTFE a rozmiarami D krystalitów osnowy niklowej i udziałem orientacji preferowanej (111) w osadzanej powłoce kompozytowej.

3 PL B1 3 Wytwarzanie powłoki Ni-PTFE przeprowadzono metodą elektrolityczną na podłożu ze stali 40H. Proces otrzymywania powłoki kompozytowej Ni-PTFE polegał na dodaniu do kąpieli niklowej dyspersji cząstek PTFE o rozmiarze 0,1 m w ilości 45 g PTFE na litr kąpieli i po wymieszaniu całości przez okres 0,5 godzin i nałożeniu powłoki kompozytowej na odtłuszczone i zdekapowane podłoże stalowe. Szybkość osadzania powłoki wynosiła 0,8 m na minutę przy gęstości prądu 4A/dm 2. Zawartość C p wbudowanych cząstek teflonu wynosiła 0,48% wag. Grubość osadzonej powłoki wynosiła 30 m. Wytworzona powłoka miała rozmiary D krystalitów niklu 11,0 nm, mikrotwardość HV 7,3 GPa mierzoną pod obciążeniem 0,01 kg oraz udział orientacji preferowanej P 111 1,43. Po 5 godzinach tarcia ślizgowego ze smarowaniem wytworzona powłoka Ni-PTFE miała trzykrotnie mniejsze zużycie w porównaniu ze znaną powłoką nanoniklową bez cząstek PTFE o rozmiarach krystalitów niklu 38 nm, mikrotwardości HV 2,6 GPa i orientacji preferowanej P 111 0,95. Średni współczynnik tarcia śr, po 5 godzinach wynosił dla powłoki Ni-PTFE 0,03 a dla powłoki nanoniklowej 0,053. Odporność korozyjna P powłoki Ni-PTFE w roztworze chlorku sodu o stężeniu 0,5 M była o 70% większa od odporności powłoki nanoniklowej. Zastrzeżenie patentowe Elektrolityczna, nanostrukturalna, powłoka kompozytowa o małym współczynniku tarcia, zużyciu ściernym i korozji zawierająca w : osnowie niklowej jako składniki zmniejszające współczynnik tarcia i zużycie ścierne cząstki polimerów o rozmiarach od 20 nm do 1000 nm, takie jak politetrafluoroetylen, kopolimer tetrafluoroetylenu z eterem perfluorowinylowym, kopolimer tetrafluoroetylenu z heksafluoropropylenem, kopolimer etylenu z tetrafluoroetylenem, żywica trifluorochloroetylenowa, fluorek poliwinylidenu, znamienna tym, że zawiera cząstki polimerów o małej energii powierzchniowej, przy czym zawartość w powłoce cząstek polimerów o małej energii powierzchniowej wynosi od 0,45 do 1,3% wag., rozmiary krystalitów niklu w osnowie niklowej są w zakresie od 10 nm do 80 nm a udział orientacji preferowanej P 111 w powłoce wynosi od 0,25 do 2,5.

4 4 PL B1 Rysunki

5 PL B1 5

6 6 PL B1 Departament Wydawnictw UP RP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)