Samosmarujące powłoki z niklu chemicznego

Niklowanie chemiczne to proces umożliwiający wytwarzanie powłok kompozytowych na bazie niklu i funkcjonalnych cząstek. Proces pozwala na wbudowanie cząstek w warstwę niklu chemicznego, pod warunkiem zachowania określonych parametrów, które umożliwiają ich współosadzanie.

W niniejszym artykule opisano cząstki, które po wbudowaniu w powłokę przyczyniają się do zmniejszenia współczynnika tarcia oraz nadania właściwości antyadhezyjnych.

Zarys historyczny

Od pierwszych lat rozwoju niklowania chemicznego jako procesu przemysłowego opracowywano metody współosadzania cząstek samosmarujących, takich jak PTFE (politetrafluoroetylen).

Ponadto w niklu chemicznym eksperymentalnie umieszczano również inne cząstki pomagające obniżyć współczynnik tarcia, takie jak disiarczek molibdenu (MoS2), grafit (C) i heksagonalny azotek boru (hBN). Materiały te mają heksagonalną, warstwową strukturę krystaliczną, która umożliwia przesuwanie się płaszczyzn krystalicznych względem siebie przy minimalnym tarciu. Aby zapewnić działanie przeciwcierne, konieczne jest przesuwanie się wielu płaszczyzn krystalicznych względem siebie. Cząstki krystaliczne o strukturze warstwowej mają wszystkie bardzo niski i zbliżony do siebie współczynnik tarcia, ale każda z nich ma własną maksymalną temperaturę stosowania. Pod tym względem najlepsze właściwości wykazuje hBN, który jest w stanie wytrzymać również wysokie temperatury.

Wbudowanie tych mikro- i nanoproszków w warstwę niklu chemicznego jest technicznie wykonalne, jednak proces ten był stosowany tylko w wybranych niszowych zastosowaniach ze względu na problemy techniczne związane z aglomeracją i koagulacją cząstek. Ponadto, aby uzyskać skuteczną redukcję tarcia, konieczne jest wbudowanie dużych ilości cząstek, tak aby podczas przesuwania na powierzchni powstawała wystarczająca ilość lamelek, zdolnych do utworzenia wielu płaszczyzn poślizgu na styku powierzchni.

Stan wiedzy i techniki

PTFE jest cząsteczką najczęściej stosowaną do zmniejszania tarcia i należy do rodziny polimerów fluorowanych, które charakteryzują się wspólnymi cechami: niskim współczynnikiem tarcia i właściwościami antyadhezyjnymi. W szczególności polimer PTFE ma wysoką temperaturę ciągłej pracy, wynoszącą 250 °C, a temperatura początku degradacji przekracza 300 °C. PTFE można łatwo stosować w roztworze wodnym w kąpielach do niklowania chemicznego, a osadzane cząstki mają wielkość około 300 nm (0,3 µm). W zależności od składu elektrolitu cząstki PTFE są współosadzane w różnych ilościach, co powoduje zmiany współczynnika tarcia proporcjonalne do dostępnej ilości PTFE. Ze względu na swoją plastyczną strukturę PTFE rozprowadza się po powierzchni w wyniku przesuwania się elementu współpracującego, tworząc w ten sposób bardzo cienką warstwę stałego smaru na styku dwóch metali.

Współczynnik tarcia niklu chemicznego po powierzchni metalowej w warunkach tarcia suchego wynosi około 0,4–0,5. Jeśli jednak warstwa niklu chemicznego zawiera odpowiednią ilość PTFE (co najmniej 20–25% objętościowo), współczynnik tarcia spada do około 0,1–0,12, czyli bardzo blisko współczynnika tarcia czystego PTFE, wynoszącego 0,05. Niplate® 500 PTFE zawiera wysoki udział PTFE (25–35%) i charakteryzuje się współczynnikiem tarcia 0,1 względem stali oraz 0,08 przy współpracy z samym sobą. Powłoka ta jest przeznaczona do stosowania w warunkach ruchu ślizgowego na powierzchniach o niskiej chropowatości, przy niewielkich siłach docisku i tam, gdzie nie występuje szczególnie intensywne zużycie ścierne. W zastosowaniach, w których występuje duże zużycie ścierne, szczególnie skuteczne są powłoki niklu chemicznego zawierające twarde cząstki ceramiczne, takie jak Niplate® 600 SiC.

PTFE charakteryzuje się także doskonałymi właściwościami antyadhezyjnymi wynikającymi z obojętności chemicznej, dzięki której nie tworzy wiązań z materiałami, z którymi się styka. Choć cecha ta jest bardzo przydatna w zastosowaniach antyadhezyjnych, przyczepność warstwy czystego PTFE nakładanej jako powłoka jest słaba. Wyraźnym przykładem jest powłoka nieprzywierających naczyń kuchennych, która łatwo odpada od aluminium, mimo odpowiedniego piaskowania i przygotowania powierzchni. Umieszczenie PTFE w osnowie z niklu chemicznego, bardzo jednorodnej i silnie przylegającej do metalu podłoża, eliminuje jednak problem słabej przyczepności PTFE i pozwala wykorzystać jego właściwości także na detalach o złożonej geometrii i wąskich tolerancjach wymiarowych.

Niplate® 500 PTFE ze względu na wysoką zawartość PTFE jest preferowany w stosunku do innych dostępnych na rynku powłok nikiel-PTFE, zawierających mniejszą ilość cząstek PTFE. Stosuje się go na przykład na wytłaczarkach do tworzyw sztucznych, aby zmniejszyć ciśnienia niezbędne do wytłaczania. Zazwyczaj podczas wytłaczania, wskutek tarcia generowanego przez wysokie ciśnienie, w komorze wytłaczania może dochodzić do przypalania polimeru. Właściwości ślizgowe powłoki nikiel-PTFE pozwalają jednak obniżyć ciśnienie wytłaczania, a w konsekwencji tarcie, eliminując ten problem. Niplate® 500 PTFE jest również stosowany na płytach zgrzewających do folii opakowaniowych, na elementach maszyn do klejenia i etykietowania, a także w celu zapobiegania osadzaniu się kamienia na dyszach elektrozaworów wodnych oraz osadzaniu się szlamów i biofilmu na wymiennikach ciepła. Jest szczególnie przydatny w prowadnicach bez smarowania, gdzie wytrzymuje duże prędkości poślizgu na sucho.