ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА Технологии получения нанокомпозиционных гальванических покрытий

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Технологии получения нанокомпозиционных гальванических покрытий
на основе железа и химических покрытий на основе хрома
Руководитель проекта: канд. техн. наук, доцент
Шишурин Сергей Александрович
1. Цель проекта
Целью работ по заявляемому проекту является разработка новых технологий
получения нанокомпозиционных гальванических покрытий на основе железа
и химических покрытий на основе хрома с улучшенными служебными
свойствами.
2. Задачи проекта
Для достижения цели работ по проекту необходимо решить следующие задачи:
1. Определить наиболее рациональные электролиты и растворы для получения
качественных покрытий.
2. Разработать методики приготовления электролитов-суспензий и растворовсуспензий с применением наноматериалов.
3. Оценить влияние ультразвука на седиментационную стойкость электролитовсуспензий и растворов-суспензий.
4. Провести предварительные эксперименты по выбору нанодисперсной фазы.
5. Выполнить оптимизацию состава электролитов, растворов и режимов
получения покрытий.
6. Провести лабораторные испытания полученных покрытий на износостойкость
и коррозионную стойкость.
7. Провести исследование структуры полученных покрытий.
8. Разработать рекомендации по получению качественных нанокомпозиционных
гальвано-химических покрытий с улучшенными служебными свойствами.
3. Актуальность и научная новизна
В последнее время, как в России, так и за рубежом успешно развивается
технология получения композиционных гальванических и химических
покрытий (КГХП). Особенность технологии получения КГХП заключается в
том, что вместе с металлом из гальванической ванны на детали осаждаются
дисперсные частицы, волокна и усы различных карбидов, боридов, оксидов,
сульфидов, порошков полимеров и т.д. Включение дисперсных материалов в
металлическую матрицу значительно изменяет свойства покрытий. Покрытия
с дисперсной фазой обладают уникальными свойствами и могут быть
использованы для решения разнообразных задач.
Для получения КГХП ранее использовались дисперсные частицы с
размерами в десятки и сотни микрометров. Предлагаемый способ
подразумевает получение КГХП с использованием нанодисперсных
порошков с размерами 10…30 нм. Хорошо известны уникальные свойства
таких частиц, кроме всего прочего, они обладают высокой химической
активностью и повышенной седиментационной стойкостью в жидкостях, что
особенно важно при получении качественных КГХП. Для получения
нанокомпозиционных гальвано-химических покрытий (НКГХП) возможно
применение различных нанодисперсных материалов: чистых (Cu, Zn, Ni, Fe,
MoS2, Al, BN), бинарных (Сu-Zn, Cu-Ni, Cu-Sn, Cu-Pb), легированных (CuZn-P, Cu-Zn-S, Cu-Ni-P, Cu-Ni-S, Cu-Sn-P, Cu-Sn-S, Cu-Pb-P, Cu-Pb-S) и
композиционных
(Cu-Al2O3,
Cu-BN,
Cu-MoS2,
Cu-ZnO2).
Такие
нанодисперсные
материалы
получают
методом
плазменной
переконденсации, основанном на испарении сырья (крупнодисперсного
порошка или прутка) в плазменном потоке с температурой 5000-6000 0С и
конденсации пара до частиц требуемого размера.
Широкая гамма нанодисперсных материалов применяемых для получения
НКГХП дает возможность получать покрытия с заданными физикомеханическими свойствами.
Технология нанесения НКГХП практически идентична технологиям
нанесения стандартных гальванических и химических покрытий, что
позволяет
оперативно
проводить
модернизацию
существующих
гальванических производств с минимальными дополнительными затратами.
4. Практическая значимость и ожидаемый эффект от реализации
проекта
Область применения таких покрытий достаточно разнообразна. Они
являются перспективными не только для упрочнения и восстановления
ответственных деталей машин работающих в условиях интенсивного
изнашивания, но и для повышения жаростойкости деталей, защиты от
коррозии в атмосферных условиях и агрессивных средах, повышения срока
службы мерительного и режущего инструмента, штампов, пресс-форм и т.д.
Химические покрытия на основе хрома, помимо высокой твердости и
износостойкости, обладают хорошей стойкостью к воздействию высоких и
низких температур, хорошо полируются до зеркального блеска и могут
применяться для декоративной отделки.
Гальванические покрытия на основе железа могут применяться для
восстановления размеров изношенных деталей машин, автомобилей,
тракторов, двигателей внутреннего сгорания и повышения сопротивления их
механическому износу, а также для исправления брака при производстве
новых деталей. Такие покрытия характеризуются сравнительно высокой
твердостью и низкой стоимостью.
5. Текущий уровень развития проекта
Работы по созданию качественных нанокомпозиционных гальванохимических покрытий ведутся на протяжении последних 15 лет. Уже
разработаны
технологии
получения
нанокомпозиционного
электролитического покрытия на основе хрома и химического покрытия на
основе никеля с улучшенными физико-механическими свойствами.
Результаты работы были не раз апробированы на многих выставках,
конференциях, семинарах и конкурсах различного уровня и награждены
грамотами, дипломами и медалями. По результатам работы издано более 40
научных работ (статьи, тезисы, монографии), получен 1 патент РФ и подана
заявка еще на один. В 2009/2010 работы по изучению свойств
нанокомпозиционных покрытий проводились при поддержки гранта
Президента РФ для молодых российских ученых.
Для выполнения работ по проекту будет использоваться следующее
оборудование и информационное обеспечение:
1. Лабораторная установка для получения гальванических покрытий.
2. Прибор для измерения микротвердости ПМТ-3.
3. Металлографический микроскоп ММР-4.
4. Установка для проведения коррозионных испытаний.
5. Машина трения МИ-1М для проведения трибологических испытаний.
6. Весы аналитические WA-21 - позволяют определить массовый износ
элементов пар трения.
7. Рентгеновский дифрактометр ДРОН-6.
8. Печь муфельная СНОЛ 12/16.
9. Электрошкаф сушильный СНОЛ 67/350.
10. Ультразвуковой дефектоскоп УДЗ-103.
6. Аналоги и преимущества предлагаемого проекта
Как в России, так и за рубежом разработаны технологии получения
композиционных гальвано-химических покрытий с использованием
наноалмазов (Bales mold service, Inc.; Diamond chrome plating, Inc.; ООО
«РАМ»).
В предлагаемом способе получения НКГХП применяются нанодисперсные
порошки металлов и их соединений, полученные плазменной
переконденсацией. Многообразие нанодисперсных порошков создает
возможность получать покрытия с заданными физико-механическими
свойствами в соответствии с требованиями заказчика.
Кроме этого учитывая что стоимость наноалмазов составляет 4000…20000
$/кг, а стоимость предлагаемых нанодисперсных порошков – 200…500 $/кг
становится очевидным экономический эффект от применения таких
порошков.
Предлагаемый способ, по сравнению с существующими, позволяет улучшить
основные физико-механические свойства получаемых покрытий (твердость,
коррозионную стойкость, износостойкость, жаростойкость и т.д.).
Улучшение физико-механических свойств НКГХП связано с изменением их
структуры под воздействием нанодисперсных частиц.
7.
Наличие патентов
Имеется патент РФ №2283373 «Способ получения композиционных
электрохимических покрытий из саморегулирующихся электролитов
хромирования». Ведется дальнейшее патентование способов и составов
электролитов.
8. Обоснование запрашиваемой суммы финансирования
Запрашиваемую сумму можно обосновать совокупностью функциональных
обязанностей возложенных на каждого из соисполнителей по данному
проекту, сложностью, уникальностью и новизной проводимых исследований,
а также ценностью получаемых при реализации проекта результатов
исследований.
Смета затрат на развитие проекта представлена в таблице 1.
Таблица 1. Смета затрат
№,
Группа затрат
п/п
1. Заработная плата
Начисления на заработную плату
2.
(34 %)
Приобретение предметов снабжения
3.
и расходных материалов
Оборудование
для
научных
4.
(экспериментальных) работ
Прочие расходы (командировочные
5.
и транспортные расходы
ИТОГО
Сумма, руб.
150 000
51 000
60 000
200 000
39 000
500 000
Список участников творческого коллектива с указанием их
персональных данных, а также доли вознаграждения в запрашиваемом
гранте представлен в таблице 2.
Таблица 2. Список участников творческого коллектива
№ Ф.И.О
Место работы (учебы)
Дата
Доля
пп (роль в проекте)
рождения вознагражения
1 Шишурин
ФГБОУ ВПО
04.07.1980 50%
Сергей
«Саратовский ГАУ»
Александрович
Доцент кафедры
(руководитель)
«Надежность и ремонт
машин»
2 Сёмочкин
ФГБОУ ВПО
18.06.1986 25%
Владимир
Сергеевич
(исполнитель)
3
Яковлев Данила
Алексеевич
(исполнитель)
«Саратовский ГАУ»
Аспирант, ассистент
кафедры «Надежность и
ремонт машин»
ФГБОУ ВПО
«Саратовский ГАУ»
Аспирант кафедры
«Надежность и ремонт
машин»
14.02.1989 25%
9. Наличие позитивного опыта реализации проектов у Заявителя по
заявленному в проекте направлению.
Соисполнители предлагаемого к реализации проекта принимали участие при
проведении исследований по следующим темам:
1. «Внедрение прогрессивных ресурсосберегающих технологий ремонта
узлов и восстановления деталей с/х техники». Работы проводились по
заказу Министерства сельского хозяйства Саратовской области
ассоциации аграрное образование и наука ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ
имени Н.И. Вавилова» в 2007 г. на сумму 220 тыс. руб.
Исполнители: Сафонов В.В., Шишурин С.А., Сёмочкин В.С.
2. «Провести исследование процесса гальванохимических покрытий
наноразмерными материалами». Работы проводились по заказу
Министерства сельского хозяйства России за счет средств федерального
бюджета в 2010 г. на сумму 410 тыс. руб.
Исполнители: Сафонов В.В., Шишурин С.А., Сёмочкин В.С.
3. «Разработка технологий получения и исследование свойств
нанокомпозиционных гальванохимических покрытий на основе никеля и
железа». Грант Президента РФ для поддержки молодых российских
ученых в 2009, 2010 гг. на сумму 1200 тыс. руб.
Исполнители: Шишурин С.А., Сёмочкин В.С.