Σύνθετες επικαλύψεις μήτρας Νi-P με ηλεκτρολυτική συναπόθεση σωματιδίων SiC και WC σε συνθήκες παλμικού ρεύματος
Authors: Ζωίκης-Καραθανάσης Αλέξανδρος 
Published: January 2014

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετήθηκε αφενός η ηλεκτρολυτική παρασκευή απλών επικαλύψεων Ni-P και αφετέρου η συναπόθεση σωματιδίων SiC και WC (μέσης διαμέτρου 1 μm και 200 nm, αντίστοιχα) σε μήτρα Ni-P, από τροποποιημένο λουτρό Watts απουσία οργανικών προσθέτων με χρήση ηλεκτροδίου περιστρεφόμενου δίσκου και την εφαρμογή τόσο συνεχούς όσο και παλμικού ρεύματος σταθερής φοράς. Σκοπός της εργασίας ήταν η μελέτη της επίδρασης διαφόρων παραμέτρων της ηλεκτρόλυσης στη δομή, στη μορφολογία και στο ποσοστό εγκλεισμού των σωματιδίων των παραγόμενων επικαλύψεων, καθώς και η μελέτη των μηχανικών ιδιοτήτων τους και κυρίως της σκληρότητας και της τριβολογικής τους συμπεριφοράς. Επιπλέον, έγινε συσχέτιση των δομικών χαρακτηριστικών με τις μηχανικές ιδιότητες των επικαλύψεων. Στις απλές επικαλύψεις Ni-P διαπιστώθηκε εξάρτηση του ποσοστού φωσφόρου στο κράμα από τις επιβαλλόμενες συνθήκες παλμικού ρεύματος (δηλαδή της τιμής του duty cycle και της συχνότητας των παλμών). Οι επικαλύψεις χαρακτηρίστηκαν ως άμορφες ενώ κάτω από ιδιαίτερα έντονες συνθήκες παλμικού ρεύματος (χαμηλές τιμές duty cycle, υψηλές συχνότητες παλμών) έγινε εφικτή η παρασκευή της κρυσταλλικής φάσης Ni12P5 για πρώτη φορά. Όσον αφορά στις σύνθετες επικαλύψεις Ni-P/SiC και Ni-P/WC η επιβολή παλμικών ρευμάτων οδήγησε σε σημαντικά υψηλότερα ποσοστά απόθεσης των ενισχυτικών σωματιδίων, καθώς και σε πιο ομοιόμορφη διασπορά τους στη μήτρα. Σημειώνεται ότι η συναπόθεση Ni-P/WC πραγματοποιήθηκε για πρώτη φορά. Διαπιστώθηκε ότι η συναπόθεση μικροσωματιδίων SiC επηρεάζει το ποσοστό φωσφόρου στη μήτρα Ni-P μειώνοντάς το, ενώ αντίθετα τα νανοσωματίδια WC δεν παρουσιάζουν αντίστοιχη επίδραση. Παρόλα αυτά, η μήτρα Ni-P στις σύνθετες επικαλύψεις χαρακτηρίστηκε επίσης ως άμορφη. Μετά τη θερμική κατεργασία των αποθεμάτων, διαπιστώθηκε κρυστάλλωση της άμορφης φάσης Ni-P στις φάσεις Ni, Ni3P και Ni2P. Επίσης κατά τη θερμική κατεργασία διαπιστώθηκαν φαινόμενα διάχυσης καθώς και χημικών αντιδράσεων στις διεπιφάνειες υποστρώματος - επικάλυψης και μήτρας - ενισχυτικών σωματιδίων. Η σκληρότητα των επικαλύψεων Ni-P κυμαίνεται στα 4,5-5.5 GPa, σημαντικά μεγαλύτερη από τις επικαλύψεις Ni, λόγω του σχηματισμού του στερεού διαλύματος νικελίου - φωσφόρου. Μετά τη θερμική κατεργασία τους η σκληρότητα αυξάνεται σημαντικά λόγω του σχηματισμού του κρυσταλλικού Ni, και κυρίως των κατακρημνισμάτων Ni3P, και φτάνει τα 12 GPa. Αντίστοιχα οι σκληρότητες των σύνθετων επικαλύψεων Ni-P/SiC και Ni-P/WC κυμαίνονται στα 5-7 GPa πριν τη θερμική τους κατεργασία, ενώ μετά από αυτή διαπιστώνεται αύξηση και είναι μεταξύ 12 και 18,5 GPa. Τέλος, η μελέτη της τριβολογική συμπεριφοράς των επικαλύψεων έδειξε ότι κυρίαρχοι μηχανισμοί φθοράς είναι η άροση και η πρόσφυση, ενώ σε ορισμένες περιπτώσεις επικαλύψεων Ni-P διαπιστώθηκε και η κόπωση. Σε γενικές γραμμές η επιβολή παλμικών ρευμάτων, η συναπόθεση σωματιδίων και η θερμική κατεργασία ενισχύουν την αντίσταση σε φθορά λόγω τριβής των επικαλύψεων. Αξίζει να αναφερθεί ότι οι σύνθετες επικαλύψεις Ni-P/WC παρουσίασαν ιδιαίτερα αυξημένη αντοχή στη φθορά λόγω τριβής.