Електроосадження антифрикційних покриттів на основі свинцю із метилсульфонатних електролітів - Автореферат

Електроосаджені сплави свинець-олово і свинець-олово-мідь застосовуються в сучасній промисловості в якості антифрикційних покриттів для покращення експлуатаційних характеристик та підвищення довговічності різноманітних вузлів тертя, зокрема вкладишів підшипників ковзання. Дисертаційна робота виконана відповідно до планів науково-дослідних робіт ДВНЗ «Український державний хіміко-технологічний університет», завдань держбюджетних науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України: «Адсорбція синтетичних водорозчинних полімерів і міжфазні процеси в електрохімічних системах» № 0103U001187 (2003-2005); «Електрохімічні процеси за участю синтетичних поліелектролітних комплексів» № 0106U000250 (2006-2008); «Електрохімічний синтез наноструктурних матеріалів в системах з метансульфонатними електролітами, що містять добавки ПАР» № 0109U001259 (2009-2011). Мета дослідження полягала в розробці науково-технічних основ сучасної високоінтенсивної екологічно безпечної технології отримання антифрикційних покриттів сплавами свинець-олово і свинець-олово-мідь з використанням метилсульфонатних електролітів і її промисловій реалізації при виготовленні вкладишів підшипників ковзання. визначити оптимальний склад електроліту і режим електролізу, що дозволяють отримувати високоякісні мікрокристалічні покриття сплавами свинець-олово (~10% Sn) і свинець-олово-мідь (~8% Sn, ~2% Cu). У роботі вперше отримано комплекс систематичних експериментальних даних про вплив різних факторів на електроосадження сплавів свинець-олово і свинець-олово-мідь із метилсульфонатного електроліту, що дозволило встановити: - взаємний вплив парціальних процесів під час електроосадження сплаву Pb-Sn, обумовлений зниженням швидкості виділення олова внаслідок утруднень, що виникають при його кристалізації на сторонній (свинцевій) підложці;Для визначення складу електролітів використано титриметричний (при визначенні концентрації іонів Sn2 ) і амперометричний (при визначенні концентрації іонів Pb2 і Cu2 ) методи аналізу. Із метилсульфонатного електроліту, що не містить органічних добавок, сплави такого складу можуть бути отримані лише при досить високому молярному співвідношенні іонів [Sn2 ]/[Pb2 ], тобто при відносно великій концентрації іонів Sn2 в електроліті (рис. Як видно із СЕМ зображень, поверхня покриття сплавом Pb-Sn із електроліту, що не містить органічних добавок, являє собою сукупність зерен неправильної форми (рис. 3, з підвищенням концентрації іонів Cu2 в електроліті вміст міді в сплаві зростає, а вміст олова і свинцю несуттєво знижується. Зіставлення вольтамперограм при сумісному і роздільному осадженні свинцю і олова із метилсульфонатного електроліту дає підстави стверджувати, що у присутності іонів Sn2 в електроліті в умовах осадження сплаву, збагаченого свинцем, кінетичні закономірності розряду іонів Pb2 в сплав залишаються практично такими ж, як і при осадженні індивідуального свинцю (див. рис.У дисертаційній роботі на підставі отриманих результатів було вирішено важливе завдання, яке полягало в розробці науково-технічних основ сучасної високоінтенсивної екологічно безпечної технології нанесення антифрикційних покриттів сплавами свинець-олово і свинець-олово-мідь на вкладиші підшипників ковзання з використанням метилсульфонатних електролітів. Для осадження сплавів свинець-олово і свинець-олово-мідь запропоновано метилсульфонатні електроліти наступного складу (г/дм3): - для сплаву Pb-Sn: 70 Pb2 , 10 Sn2 , 100 CH3SO3H; композиція КМС; Показано, що антифрикційні покриття на основі свинцю, що містять ~10% олова у випадку подвійного сплаву, або ~8% олова і ~2% міді у випадку потрійного сплаву, осаджуються при густині струму близько 4 А/дм2 і температурі ~298 К. Гальваноосади сплавом свинець-олово-мідь (~8% Sn і ~2% Cu), отримані із запропонованого метилсульфонатного електроліту, повністю відповідають усім вимогам, що висуваються до антифрикційних покриттів вкладишів підшипників ковзання, і за своїми характеристиками не поступаються покриттям, отриманим із традиційних флуорборатних електролітів. Запропоновано і реалізовано в промислових умовах нову ресурсо-і енергоощадну технологію нанесення антифрикційних покриттів сплавами свинець-олово і свинець-олово-мідь на вкладиші підшипників ковзання із використанням метилсульфонатних електролітів, яка дозволяє повністю виключити використання небезпечних і агресивних сполук флуору, а також відмовитися від застосування знежирювальних композицій на основі токсичних органічних розчинників.

Основний зміст роботи

У дисертаційній роботі на підставі отриманих результатів було вирішено важливе завдання, яке полягало в розробці науково-технічних основ сучасної високоінтенсивної екологічно безпечної технології нанесення антифрикційних покриттів сплавами свинець-олово і свинець-олово-мідь на вкладиші підшипників ковзання з використанням метилсульфонатних електролітів.

1. Для осадження сплавів свинець-олово і свинець-олово-мідь запропоновано метилсульфонатні електроліти наступного складу (г/дм3): - для сплаву Pb-Sn: 70 Pb2 , 10 Sn2 , 100 CH3SO3H; композиція КМС;

- для сплаву Pb-Sn-Cu: 70 Pb2 , 8 Sn2 , 2 Cu2 , 100 CH3SO3H; композиція КМС.

Показано, що антифрикційні покриття на основі свинцю, що містять ~10% олова у випадку подвійного сплаву, або ~8% олова і ~2% міді у випадку потрійного сплаву, осаджуються при густині струму близько 4 А/дм2 і температурі ~298 К.

2. Встановлено, що введення до складу електроліту оксиетильованого b-нафтолу дозволяє помітно збільшити вміст олова в сплаві, а також значно поліпшити зовнішній вигляд отримуваних покриттів. Показано істотне зниження швидкості реакції хімічного окиснення іонів Sn2 в присутності іонів Cu2 в розчині, при введенні антиоксиданту (сульфопохідна ароматичного аміну).

3. Встановлено, що ефект взаємного впливу парціальних процесів при електроосадженні сплаву Pb-Sn обумовлений зниженням швидкості виділення олова, внаслідок утруднень, що виникають при його кристалізації на сторонній (свинцевій) підложці.

4. Доведено, що розряд іонів Cu2 при осадженні сплаву Pb-Sn-Cu із метилсульфонатного електроліту протікає на граничному дифузійному струмі і не впливає на кінетику осадження свинцю і олова.

5. Гальваноосади сплавом свинець-олово-мідь (~8% Sn і ~2% Cu), отримані із запропонованого метилсульфонатного електроліту, повністю відповідають усім вимогам, що висуваються до антифрикційних покриттів вкладишів підшипників ковзання, і за своїми характеристиками не поступаються покриттям, отриманим із традиційних флуорборатних електролітів.

6. Запропоновано і реалізовано в промислових умовах нову ресурсо- і енергоощадну технологію нанесення антифрикційних покриттів сплавами свинець-олово і свинець-олово-мідь на вкладиші підшипників ковзання із використанням метилсульфонатних електролітів, яка дозволяє повністю виключити використання небезпечних і агресивних сполук флуору, а також відмовитися від застосування знежирювальних композицій на основі токсичних органічних розчинників.

Основні результати дисертації викладено у роботах

1. Електроосадження свинцю з метансульфонатних електролітів / О. О. Васильєва, Т. Є. Бутиріна, В. С. Проценко, Ф. Й. Данилов // Вопросы химии и химической технологии. - 2008. - № 1. - С. 127-131.

Здобувачем виконано дослідження з визначення закономірностей електроосадження свинцю, обробку і аналіз експериментальних даних.

2. Електроосадження захисних покриттів свинцем та його сплавами з метансульфонатних розчинів / Ф. Данилов, В. Проценко, Ю. Скнар, Т. Бутиріна, О. Васильєва // Фізико-хімічна механіка матеріалів. - 2008. - № 7. - С. 321-325.

Особистий внесок автора полягає в отриманні комплексу експериментальних даних з впливу різноманітних чинників на склад сплавів свинець-олово, аналізі отриманих результатів.

3. Электроосаждение сплава свинец-олово из метансульфонатных растворов / Е. А. Васильева, В. А. Красинский, Т. Е. Бутырина, Ю. Е. Скнар, В. С. Проценко // Вісник Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут». - 2008. - № 16. - С. 23-26.

Здобувачем виконано експериментальні дослідження з отримання необхідних даних для створення математичної моделі. Виконано аналіз отриманих рівнянь регресії.

4 Васильєва О. Антифрикційні гальванопокриття сплавом Pb-Sn-Cu з метансульфонатних розчинів / О. Васильєва, В. Проценко // Фізико-хімічна механіка матеріалів. - 2010. - № 8. - С. 771-776.

Особистий внесок автора полягає у вивчені закономірностей електроосадження сплавів Pb-Sn-Cu та аналізі отриманих результатів.

5. Электроосаждение сплава свинец-олово из метансульфонатного электролита в присутствии добавок органических ПАВ / Ф. И. Данилов, Е. А. Васильева, Т. Е. Бутырина, В. С. Проценко // Физикохимия поверхности и защита материалов. - 2010. - Т. 46, № 6. - С. 627-633.

Здобувачем виконано дослідження впливу різноманітних факторів на електроосадження сплавів свинець-олово та встановлені кінетичні закономірності сумісного розряду іонів Pb2 і Sn2 .

6. Окисление Sn2 в метансульфонатных электролитах в присутствии антиоксидантов / Ф. И. Данилов, Т. Е. Бутырина, В. С. Проценко, Е. А. Васильева // Журнал прикладной химии. - 2010. - Т. 83, № 4. - С. 700-702.

Особистий внесок автора полягає в експериментальних дослідженнях з вибору добавок-антиоксидантів, аналізі отриманих результатів.

7. Antifriction coatings of Pb-Sn-Cu alloy electrodeposited from methanesulphonate bath / F. I. Danilov, V. S. Protsenko, E. A. Vasileva, O. S. Kabat // Transaction of the Institute of Metal Finishing. - 2011. - Vol. 89, № 3. - P. 151-154.

Здобувачем виконано дослідження впливу різноманітних чинників на склад і властивості отримуваних покриттів, встановлення кінетичних закономірностей електроосадження сплавів Pb-Sn-Cu, а також аналіз отриманих результатів.

8. Патент на корисну модель № 51670 Україна, МПК (2009) C25D 3/56. Електроліт для осадження покриттів сплавом свинець-олово-мідь / Данилов Ф. Й., Васильєва О. О., Проценко В. С., Бутиріна Т. Є., Скнар Ю. Є., Вакуленко В. М. ; Власник : Державний вищий навчальний заклад «Український державний хіміко-технологічний університет». - № 2010 01226 ; заявл. 08.02.2010 ; опубл. 26.07.2010, Бюл. № 14.

Здобувачем отримано експериментальні дані з визначення оптимального складу електроліту осадження сплаву свинець-олово-мідь, взято участь у формулюванні заявки та формули патенту.

9. Вплив полімерної добавки на електроосадження сплаву Pb-Sn з метансульфонатного розчину / О. О. Васильєва, Т. Є. Бутиріна, В. С. Проценко, Ю. Є. Скнар // Хімія і сучасні технології : ІІІ Міжнародна науково-технічна конференція студентів, аспірантів та молодих вчених, 22-24 травня 2007 р. : тези доповідей. - Дніпропетровськ, 2007. - С. 47.

Здобувачем виконано дослідження впливу органічних добавок на осадження покриттів сплавом Pb-Sn, аналіз отриманих експериментальних даних.

10. Васильева Е. А. Электроосаждение свинцовооловянных сплавов из метансульфоновых электролитов / Е. А. Васильева, Т. Е. Бутырина, Ю. Е. Скнар // Сучасні проблеми хімії: VIII Всеукраїнська конференція студентів та аспірантів, 21-23 травня 2007 р. : тези доповідей. - Київ, 2007. - С. 94.

Особистий внесок автора полягає в отриманні і аналізі експериментальних даних з впливу густини струму та температури електроліту на склад гальванопокриттів.

11. Мембранный электролиз в процессе регенерации свинцовооловянных метансульфоновых электролитов / Е. А. Харенко, Ю. Е. Скнар, Е. А. Васильева, Т. Е. Бутырина // V Всеукраїнська конференція молодих вчених та студентів з актуальних питань хімії, 21-25 травня 2007 р. : тези доповідей. - Дніпропетровськ, 2007. - С. 108.

Здобувачем виконано експерименти з анодного розчинення свинцю, олова в метилсульфонатних розчинах, аналіз отриманих результатів.

12. Васильева Е. А. Кинетика совместного разряда ионов свинца и олова из метансульфонатных электролитов / Е. А. Васильева, В. М. Вакуленко, Ф. И. Данилов // Хімія і сучасні технології : IV Міжнародна науково-технічна конференція студентів, аспірантів та молодих вчених, 22-24 квітня 2009 р. : тези доповідей. - Дніпропетровськ, 2009. - С. 87.

Особистий внесок автора полягає в отриманні кінетичних закономірностей осадження Pb і Sn при співосадженні в сплав, аналізі отриманих даних.

13. Water-soluble polymer additives in electroplating / T. Е. Butyrina, E. A. Vasileva, V. O. Gordienko, V. M. Kucher, V. S. Protsenko, F. I. Danilov // Хімія і сучасні технології : IV Міжнародна науково-технічна конференція студентів, аспірантів та молодих вчених, 22-24 квітня 2009 р. : тези доповідей. - Дніпропетровськ, 2009. - С. 86.

Здобувачем виконано вивчення впливу органічних ПАР на електроосадження і анодне розчинення свинцю та олова, здійснено аналіз отриманих експериментальних даних.

14. Васильева Е. А. Кинетика электроосаждения сплавов свинец-олово и свинец-олово-медь из метансульфонатных электролитов / Е. А. Васильева // VII Регіональна конференція молодих вчених та студентів з актуальних питань хімії, 17-19 травня 2010 р. : тези доповідей. - Дніпропетровськ, 2010. - С. 108.

Здобувачем виконано дослідження кінетичних закономірностей сумісного розряду іонів Pb2 , Sn2 та Cu2 , аналіз отриманих результатів.

15. Васильева Е. А. Антифрикционные гальванопокрытия сплавами свинец-олово-медь из метансульфонатных электролитов / Е. А. Васильева, О. С. Кабат // VIII Всеукраїнська конференція молодих вчених, студентів та аспірантів з актуальних питань хімії, 11-14 травня 2010 р. : тези доповідей. - Харків, 2010. - С. 12.

Здобувачем здійснено електролітичне нанесення антифрикційних покриттів, виконано аналіз отриманих експериментальних даних.

16. Осаждение сплава свинец-олово-медь из электролита на основе метансульфокислоты / Е. А. Васильева, В. С. Проценко, В. М. Вакуленко, Ф. И. Данилов // Молодіжний електрохімічний форум : Науково-технічна конференція студентів, аспірантів та молодих вчених, 21-24 квітня 2010 р. : тези доповідей. - Харків, 2010. - С. 75.

Особистий внесок автора полягає в отриманні комплексу експериментальних даних із закономірностей електроосадження сплавів Pb-Sn, обробці і аналізі отриманих результатів.