Самозмащувальні покриття з хімічного нікелю

Хімічне нікелювання — це процес, який дає змогу створювати композиційні покриття на основі нікелю та функціональних частинок. Процес дозволяє вбудовувати частинки в шар хімічного нікелю за умови дотримання певних параметрів, необхідних для співосадження самих частинок.

У цій статті описано частинки, які, будучи вбудованими в покриття, сприяють зменшенню коефіцієнта тертя та надають антиадгезійних властивостей.

Історична довідка

Від перших років розвитку хімічного нікелювання як промислового процесу були віднайдені методи співосадження самозмащувальних частинок, таких як PTFE (політетрафторетилен).

Крім того, у хімічний нікель експериментально вбудовували й інші частинки, що допомагають зменшити коефіцієнт тертя, як-от дисульфід молібдену (MoS2), графіт (C) і гексагональний нітрид бору (hBN). Ці матеріали мають гексагональну пластинчасту кристалічну структуру, яка дозволяє кристалічним площинам ковзати одна по одній з мінімальним тертям. Для прояву їхніх антифрикційних властивостей необхідно, щоб кілька кристалічних площин ковзали одна по одній. Кристалічні частинки з пластинчастою структурою мають дуже низький і подібний між собою коефіцієнт тертя, але кожна з них має власну максимальну температуру застосування. У цьому сенсі найефективнішим продуктом є hBN, який здатний витримувати й високі температури.

Вбудовування цих мікро- та нанопорошків у шар хімічного нікелю технічно можливе, проте процес застосовували лише в окремих вузьких нішах через технічні проблеми, пов’язані з агломерацією та коагуляцією частинок. Крім того, для досягнення ефективного зменшення тертя необхідно вбудовувати великі кількості частинок, щоб під час ковзання на поверхні утворювалася достатня кількість пластинок, здатних створювати кілька площин ковзання на межі контакту.

Сучасний стан

PTFE є найпоширенішою молекулою для зменшення тертя і належить до родини фторованих полімерів, яким притаманні спільні риси: низький коефіцієнт тертя та антиадгезійність. Зокрема, полімер PTFE має високу температуру тривалого використання — 250 °C, а температура початку деградації перевищує 300 °C. PTFE можна легко використовувати у водному розчині у ваннах хімічного нікелювання; осаджені частинки мають розмір приблизно 300 нм (0,3 мкм). Залежно від складу електроліту частинки PTFE співосаджуються в різних кількостях, що забезпечує зміну коефіцієнта тертя пропорційно кількості доступного PTFE. Через свою пластичну структуру PTFE розподіляється по поверхні внаслідок ковзання контртіла, утворюючи тим самим надтонкий шар твердого мастила на межі між двома металами.

Коефіцієнт тертя хімічного нікелю по металевій поверхні за умов сухого ковзання становить приблизно 0,4–0,5. Проте якщо шар хімічного нікелю містить значну кількість PTFE (щонайменше 20–25 % за об’ємом), коефіцієнт тертя знижується приблизно до 0,1–0,12, що дуже близько до коефіцієнта тертя чистого PTFE, який становить 0,05. Niplate® 500 PTFE містить високий відсоток PTFE (25–35 %) і має коефіцієнт тертя 0,1 по сталі та 0,08 при ковзанні по самому собі. Це покриття призначене для використання за умов ковзання по поверхнях з низькою шорсткістю, за невеликих контактних зусиль і там, де не виникає особливо абразивного зношування. У застосуваннях із високим абразивним зношуванням особливо ефективні покриття з хімічного нікелю, що містять тверді керамічні частинки, як-от Niplate® 600 SiC.

PTFE також має високі антиадгезійні властивості, зумовлені його хімічною інертністю, завдяки якій він не утворює зв’язків із матеріалами, з якими контактує. Хоча ця властивість дуже корисна для розділювальної дії, адгезія шару чистого PTFE, нанесеного як покриття, є слабкою. Наочний приклад — покриття антипригарного посуду, яке схильне легко відшаровуватися від алюмінію, незважаючи на належну піскоструминну обробку та підготовку. Проте вбудовування PTFE в матрицю з хімічного нікелю, дуже рівномірну та з високою адгезією до основного металу, усуває проблему слабкої адгезії PTFE і дозволяє використовувати його властивості навіть на деталях зі складною геометрією та жорсткими допусками на розміри.

Покриттю Niplate® 500 PTFE через високий вміст PTFE віддають перевагу перед іншими комерційними покриттями нікель-PTFE, які містять меншу кількість частинок PTFE. Наприклад, його застосовують на екструдерах для пластмас, щоб зменшити тиск, потрібний для екструзії. Зазвичай під час екструзії через тертя, що виникає внаслідок високого тиску, в екструзійній камері можливе пригорання полімеру. Проте здатність до ковзання покриття нікель-PTFE дозволяє знизити тиск екструзії і, як наслідок, тертя, усуваючи цю проблему. Niplate® 500 PTFE також використовують на зварювальних плитах для пакувальної плівки, на частинах машин для склеювання та етикетування, а також для запобігання накопиченню вапняного нальоту на соплах електромагнітних клапанів для води та накопиченню слизу й біоплівки на теплообмінниках. Він особливо корисний для застосування на напрямних без мащення, де може витримувати високі швидкості сухого ковзання.