Композиционные химические никелевые покрытия для применения в ветроэнергетике

Способность композиционных химических никелевых покрытий взаимодействовать с разнообразными частицами делает их крайне полезными для применения в ветроэнергетике.

Покрытия могут быть полезны, а во многих случаях они необходимы для правильной работы, защиты, продолжительной эксплуатации и обеспечения многих других свойств изделия.

Поэтому крайне важно правильно выбрать подходящее покрытие для конкретного применения. Выбор подходящего покрытия для компонентов, используемых в ветроэнергетике, особенно сложен, поскольку эти детали выпускаются в огромном диапазоне форм, размеров и металлов, и могут использоваться в разнообразных климатических и эксплуатационных условиях.

Одна категория покрытий, используемых в ветроэнергетике, – это композиционные химические никелевые (CEN) покрытия. Химическое никелирование – это сложный химический процесс, обеспечивающий множество характеристик, хорошо подходящих для применения в ветроэнергетике, включая твердость, коррозионную стойкость и пригодность для деталей даже самой сложной геометрии. Составы формируются с добавлением сверхтонких частиц в процессе химического никелирования. Эти частицы могут обеспечивать твердость, износостойкость, низкий коэффициент трения, теплопередачу, высокий коэффициент трения и/или даже идентификацию и проверку подлинности.

В данной статье рассматриваются все разновидности композиционных химических никелевых покрытий, в которых используются механизмы взаимодействия между химическим никелированием и частицами для улучшения существующих характеристик и даже придания совершенно новых свойств.

Это делает CEN-покрытия особенно эффективными при применении в ветроэнергетике, поскольку они:

  • соответствуют все более жестким условиям эксплуатации, требующим меньший износ, меньшее трение и теплопередачу;
  • облегчают использование новых материалов для подложек, таких как титан, алюминий, недорогие стальные сплавы, керамика и пластмасса;
  • позволяют повысить производительность оборудования, увеличивая скорость и снижая износ, время простоя и необходимость в техническом обслуживании;
  • позволяют заменить проблемные с точки зрения экологии покрытия, например, электроосажденный хром.

Как показано на рисунке 1, CEN-покрытия сохраняют свои свойства и характеристики, даже если некоторые участки покрытия изношены или повреждены в процессе эксплуатации. Это обусловлено равномерным распределением частиц по всему слою. Частицы размером от нескольких нанометров до 50 микрон могут включаться в покрытия толщиной от нескольких микрон до многих мил (0,001 дюйм). Частицы могут содержать примерно 10-40об.% покрытия в зависимости от размера частиц и нанесения.

Рисунок 1. Микрофотоснимок поперечного сечения CEN-покрытия с увеличением 1000X, показывающий равномерное распределение мелких частиц алмазов при химическом никелировании.

ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ, ТЕПЛОПЕРЕДАЧА И НИЗКОЕ ТРЕНИЕ

На сегодняшний день покрытия с повышенной износостойкостью получили самое широкое распространение среди CEN-покрытий в ветроэнергетике. Можно использовать такие частицы твердых материалов, как алмаз, карбид кремния, оксид алюминия, карбид вольфрама и карбид бора. Однако непревзойденная твердость алмаза делает этот материал самым популярным композитом. Хотя может показаться, что CEN-покрытия с алмазом стоят дорого, фактически они сопоставимы по стоимости с аналогичными покрытиями, но существенно превосходят их по эксплуатационным характеристикам. Эти покрытия также более безопасны для окружающей среды, поскольку они увеличивают срок службы деталей, тем самым обеспечивая сокращение отходов и экономию энергии.

Испытание на износ с помощью прибора Табера чаще всего используется для оценки износостойкости различных материалов и покрытий. Оно позволяет оценить стойкость поверхностей к абразивному истиранию путем вращения двух несмазанных абразивных кругов по вращающемуся образцу. Испытание позволяет измерить объем износа или оценить износ по потере массы.

Более практичными и актуальными, чем результаты стандартизированных испытаний, разумеется, являются фактические эксплуатационные преимущества, полученные на практике. С этой точки зрения, CEN-покрытия могут существенно увеличить срок службы износостойких компонентов и, таким образом, снизить необходимость в техническом обслуживании и периодичность замены деталей. Для подшипников, роторов, зубчатых передач, корпусов и других компонентов ветроэнергетических систем, установленных в труднодоступных местах и эксплуатируемых при разнообразных окружающих условиях (как на берегу, так и в море), продление срока службы имеет крайне важное значение.

Алмаз – это не только самый твердый из известных материал, но и самый лучший проводник тепла. К счастью для ветроэнергетических систем (где требуется отводить тепло от компонентов), использование алмаза в CEN-покрытии может обеспечить и это преимущество. Характерными примерами являются электрические компоненты, радиаторы и любые компоненты, работающие в более разреженной атмосфере, где затруднительна теплопередача. При сравнительном испытании алюминия с химическим никелем, CEN-покрытия с алмазом и CEN-покрытия с частицами карбида CEN-покрытие с алмазом продемонстрировало теплопередачу на 20% больше, чем алюминий.

При химическом никелировании могут быть введены определенные частицы для получения покрытия со всеми свойствами химического никеля, а также с низким коэффициентом трения. Хотя композиционные покрытия также обеспечивают высокую износостойкость, они рассматриваются в отдельной категории благодаря уникальным характеристикам — сухая смазка, улучшенные антиадгезионные свойства и способность отталкивать загрязнения, например, воду и масло.

Композиционные покрытия с частицами смазки обычно имеют толщину 6-25 микрон (0,00025-0,001 дюйма), т.е. меньше, чем у типичных износостойких покрытий. Наибольший коммерческий интерес в композиционных смазочных покрытиях сосредоточен на включении субмикронных частиц политетрафторэтилена (ПТФЭ) в химические никелевые покрытия.

Благодаря своим свойствам ПТФЭ широко применяется в разных сферах, от промышленности до сковородок.

Однако, как и в случае с износостойкими частицами, существует множество частиц с низким коэффициентом трения, которые обеспечивают самосмазывающие свойства при соосаждении в процессе химического никелирования.

Другие материалы, помимо ПТФЭ, становятся все более популярными в сфере нанесения покрытий, особенно с применением керамики.

ПТФЭ – это органическое вещество, разлагается при температуре выше 250°C. Многие керамические смазочные материалы, напротив, более твердые и выдерживают более высокие температуры, чем ПТФЭ. Поскольку ПТФЭ – очень мягкий материал, его включение в процесс химического никелирования делает композиционное покрытие сравнительно более мягким, особенно при увеличении процентного содержания ПТФЭ. Устойчивость к воздействию повышенных температур позволяет проводить термическую обработку при более высокой температуре, что обеспечивает более высокую твердость матрицы никелевого покрытия.

Эти факторы делают композиционные керамические смазывающие покрытия более твердыми и износостойкими, чем химические никелевые покрытия с ПТФЭ.

В таблице 1 приведены значения коэффициента трения для различных покрытий при разных условиях нагрузки.

Нитрид бора является одним из таких неорганических материалов со смазочными свойствами. Он может выдерживать температуру до 3000°C в зависимости от окружающих условий; и, как показано в таблице 1, композиционное химическое никелевое покрытие с нитридом бора обладает более низким коэффициентом трения, чем композиционное химическое никелевое покрытие с ПТФЭ в условиях более высоких нагрузок. Для компонентов ветроэнергетических систем с более жесткими требованиями возможность наносить более толстые и твердые CEN-покрытия с такими материалами, как нитрид бора, способствует улучшению эксплуатационных характеристик и повышению надежности.

ВЫСОКИЙ КОЭФФИЦИЕНТ ТРЕНИЯ И ИДЕНТИФИКАЦИЯ

В то время как многие подвижные детали в ветроэнергетических системах требуют низкого трения, для других компонентов требуются специально текстурированные поверхности, которые обеспечивают трение или сцепление между сопряженными поверхностями. Одним из примеров является узел со смежными компонентами, один из которых входит в зацепление с другим и заставляет его двигаться или останавливаться. В таких узлах слегка текстурированная поверхность может улучшить взаимодействие деталей.

Особенно эффективным способом получения таких фрикционных свойств является использование тонких прокладок между сопряженными деталями, при этом прокладки покрываются CEN-покрытиями с высоким коэффициентом трения. Этот метод целесообразно применять в ветроэнергетике, поскольку прокладки могут добавляться в узел и обеспечивать максимальное сцепление между двумя поворотными деталями. Они фактически не влияют на вес узла и, повышая сцепление между двумя поворотными деталями, увеличивают крутящий момент и передачу энергии. CEN-покрытия с различными частицами карбидов, оксидов, алмаза и других материалов могут обеспечить такую текстурированную поверхность, как показано на рисунке 2 (видно, что частицы выступают над поверхностью CEN-покрытия).

Рисунок 2. Поверхность композиционного химического никелевого покрытия при увеличении 3000x.

Для таких целей используют частицы размером от 10 до 75 микрон, что значительно больше, чем в гладких покрытиях, которые применяются в основном для обеспечения износостойкости и содержат частицы размером меньше 10 микрон.

Далее приводятся различные синергетические покрытия, позволяющие выполнять идентификацию и проверку подлинности, и обеспечивающие уникальные преимущества в сфере ветроэнергетики.

Фосфоресценция: Один из методов создания покрытий для проверки подлинности предполагает включение в никелевые покрытия частиц со светоизлучающими свойствами. Эти инновационные покрытия при обычном освещении (солнце, лампа накаливания, флюоресцентная лампа и др.) выглядят как стандартные никелевые покрытия, а под ультрафиолетовым светом они излучают яркий свет определенного цвета. Человеку нужно просто посветить на детали переносной УФ-лампой, работающей от аккумуляторов, чтобы увидеть свечение композиционного химического никелевого покрытия и, таким образом, подтвердить подлинность деталей.

Поскольку существует множество материалов, способных флуоресцировать под воздействием ультрафиолетовых лучей, можно производить разнообразные химические никелевые покрытия с разным цветом свечения, которое проявляется при воздействии на покрытие УФ-излучения. Такое покрытие также можно использовать под функциональным покрытием, таким как CEN, для индикации износа, чтобы избежать повреждения самой детали. Используя тонкий слой светоизлучающего покрытия между подложкой и функциональным покрытием, оператор может периодически проверять деталь с помощью переносной УФ-лампы, даже в процессе эксплуатации.

Если видно цветное свечение, это говорит об износе функционального покрытия. В таком случае на деталь можно снова нанести покрытие и повторно использовать, пока не произошло повреждение подложки и самой детали.

Рисунок 3. Болт, покрытый CEN-покрытием Illumi-Layer, содержащим светоизлучающие частицы, и сфотографированный при обычном освещении (сверху) и под ультрафиолетовым светом (снизу) для проверки подлинности и идентификации.

Специальные метки: В то время как композиционные фосфоресцентные никелевые покрытия используются во многих областях применения, в других сферах требуется проверка подлинности с использованием более специализированных средств. Это достигается путем использования определенных меток (семейство материалов, разработанных с использованием уникальных веществ, которые можно обнаружить с помощью электронного датчика). Это неразрушающая, мгновенная проверка, которую можно выполнять бесчисленное количество раз. Эти материалы химически инертные, безопасные и достаточно стойкие, чтобы выдерживать практически любые условия, включая ванны химического никелирования и термическую обработку. Достаточно небольшого количества керамических материалов, соосажденных в процессе химического никелирования, чтобы электронный датчик мог обнаруживать их свойства.

Поэтому присутствие небольшого количества материала в покрытии явно незаметно и существенно не влияет на такие характеристики покрытия, как износостойкость, коррозионная стойкость и трение.

Существуют десятки таких материалов, которые можно использовать самостоятельно или совместно, чтобы создать уникальную систему маркировки или отслеживания и встроить ее практически в любой материал или покрытие, от красок и порошковых покрытий до композиционных химических никелевых покрытий. Это открывает множество новых возможностей для систем управления продукцией, производственных процессов, логистики, складского учета, контроля качества, контроля над загрязнением окружающей среды и проверки подлинности — обязательных требований мирового рынка ветроэнергетических систем.

Активация звука: Еще одна технология покрытий для подтверждения подлинности фактически позволяет покрытию активировать небольшой детектор, который производит звуковой сигнал. Эта инновационная технология похожа на технологию использования идентификационных меток, поскольку для срабатывания детектора требуется лишь небольшое количество специального материала, встроенного в покрытие. Такая проверка выдает мгновенный и точный результат.

Детектор имеет небольшой размер и работает от аккумуляторной батареи для экономии электричества и удобства в эксплуатации, что может быть важным для технических специалистов по обслуживанию и других работников в сфере ветроэнергетики.

Подслой: Когда требуется, чтобы уровень коррозионной стойкости был выше уровня, который обеспечивается CEN-покрытием (как часто бывает в ветроэнергетике), обычно перед нанесением композиционного химического никелевого покрытия на деталь наносят подслой. В качестве подслоя обычно используют химическое восстановление никель-фосфорного сплава с высоким содержанием фосфора. В результате получается барьерный слой для коррозии, а внешним функциональным слоем остается CEN.

Дополнительное верхнее покрытие: Эта процедура часто используется для композиционных износостойких покрытий. Композиционные покрытия, содержащие частицы (как обсуждалось выше), гладкие на ощупь и могут применяться в большинстве областей. Когда предполагается, что покрытие будет контактировать с определенными чувствительными материалами, выступающие частицы могут быть опасны или потребуется период приработки, чтобы поверхность стала более гладкой. Период приработки – это роскошь, которую в большинстве случаев заказчики не могут себе позволить. Поэтому вместо применения механических средств сглаживания поверхности и эксплуатации покрытой детали в менее эффективном режиме, можно нанести дополнительный верхний слой. Для CEN-покрытий достаточно дополнительного слоя стандартного химического никелевого покрытия толщиной всего около 5 микрон, чтобы покрыть композиционную поверхность и получить новую, более гладкую поверхность.

Связаться с нами

Готово, ваша заявка успешно отправлена.
Ошибка, попробуйте обновить страницу и попробовать снова.

Вам будет интересно

25-27 октября 2022 года пройдет выставка ExpoCoating Moscow
25-27 октября 2022 года пройдет выставка ExpoCoating Moscow
ExpoCoating Moscow - ключевая выставка материалов и оборудования для обработки поверхности, нанесения покрытий и гальванических…
03.10.2022
62
Какова толщина вашего покрытия?
Какова толщина вашего покрытия?
Начиная с цеха единичного производства и заканчивая роботизированной линией сборки, жизненно важно, чтобы продукт был…
Дел Уильямс
30.06.2020
444
Измерение толщины покрытия – это приоритетная задача
Измерение толщины покрытия – это приоритетная задача
Если толщина покрытия больше заданной, это влияет на внешний вид и долговечность покрытия.
Джозеф Субда
16.11.2020
384
Открыта регистрация на выставку ExpoCoating Moscow
Открыта регистрация на выставку ExpoCoating Moscow
25-27 октября 2022 года в МВЦ «Крокус Экспо» пройдет ключевая выставка материалов и оборудования для…
15.06.2022
1016