Физико-химические свойства композиционных электрохимических покрытий никель-сульфат бария

УДК 540. 185; 621. 793

Г. Г. Мингазова, Ч. И. Гаянова, Р. Е. Фомина,

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

КОМПОЗИЦИОННЫХ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ НИКЕЛЬ-СУЛЬФАТ БАРИЯ

Ключевые слова: композиционные электрохимические покрытия (КЭП) с матрицей из никеля, сульфат бария, дисперсность,

пористость, коррозионная стойкость, микротвердость.

Представлены результаты по получению Ni-КЭП с дисперсной фазой сульфата бария. Установлено влияние дисперсности частиц сульфата бария на физико-химические свойства КЭП. Показано, что частицы BaSO4 изменяют свойства никелевых покрытий. Присутствие частиц в покрытие повышает их коррозионную стойкость в 3%-номрастворе NaCl, микротвердость в 2раза по сравнению с контрольным никелевым покрытием.

Keywords: composite electrochemical coatings (CEC) with an array of nickel, barium sulfate, size ofparticle, porosity, corrosion resistance.

Presents results on the Ni-CEC with dispersed phase barium sulfate. The effect of dispersion of the particles of barium sulfate on the physicochemical properties of the CEC. It has been shown that modify the properties of BaSO4 particles nickel coatings. The presence of particles in the coating improves the corrosion resistance of a 3% solution of NaCl, microhardness twice as compared with a control coating of nickel.

Введение

Важную роль в решении задачи по повышению срока службы металлопродукции играют защитные покрытия, использование которых позволяет увеличить стойкость и долговечность изделий. Одним из наиболее применяемым защитно-декоротивным покрытием является никель. Однако никель способен защитить сталь лишь при условии его беспористости. Для модифицирования никелевой матрицы могут быть внедрены дисперсные частицы различной природы [1,3]. При совместном осаждении металла и дисперсной частицы получают композиционные электрохимические покрытия (КЭП). КЭП на основе никеля характеризуется высокой твердостью, износостойкостью, устойчивостью в различных средах и хорошим внешним видом [1, 5]. Особенно хорошими свойствами отличаются покрытия, в которых в качестве ДФ используются высокодисперсные частицы [2, 6].

Перспективным дисперсным материалом служит сульфат бария, который обладает многими достоинствами (малой растворимостью, различной дисперсностью). Высокодисперсные частицы сульфата бария позволяют получить компактные и равномерные покрытия. Наличие BaSO4 в никелевых (медных) покрытиях способствуют сохранению их гладкости, предупреждает сваривание движущихся контактов и облегчает скольжение [2]. Частицы сульфата бария могут быть моделью для изучения процесса образования и свойств КЭП на основе меди и других металлов в электролитах.

Целью работы является исследование возможности получение композиционных электрохимических покрытий с матрицей из никеля с частицами сульфата бария различной дисперсности.

Экспериментальная часть

Методика эксперимента

Для получения КЭП с матрицей из никеля использовали электролит следующего состава, г/дм3: NiSO4•7H2O - 75; №^0410Н20 - 50; Н3В03 - 25;

№С1 - 7; рН 5,7, плотность тока 2 А/дм , температура электролита 20-250С.

Покрытия наносили на подготовленные стальные пластины площадью 4 см2, толщина покрытий составляла 20 мкм. Анодом служили никелевые пластины. Использовали постоянное перемешивание магнитной мешалкой. Количество включений дисперсной фазы определяли косвенным методом [2]. Пористость определяли согласно ГОСТ 9.30285. Метод основан на взаимодействии основы металла или неметалла с реагентом в местах пор с образованием окрашенных соединений. Скорость коррозии покрытий определяли согласно ГОСТ 9.90885 в 3%-ном растворе №С1 по изменению массы, при выдержке покрытий в течение 7 суток без доступа воздуха. Микротвердость покрытий определяли по ГОСТу 9450 - 76. Допускаемая нагрузка подбирается таким образом, чтобы толщина образца была больше диагонали отпечатка в 1,5 раза.

В качестве ДФ использовали образцы сульфата бария различной дисперсности в количестве 5 - 20 г/л. Образец №1- сульфат бария по ГОСТ 3158-75, основная масса частиц имеет размер 1-10 мкм. Образец №2-сульфат бария полученный в лабораторных условиях с добавлением диспергатора пиро-фосфата натрия, 84% массы частиц с размером менее 1 мкм, и грубодисперсные частицы до 100 мкм в количестве 16% всей массы. Образец №3-сульфат бария с частицами менее 1 мкм, до 50% частицами 1-100 мкм. Образец под номером 1 вводили в электролит в виде порошка в количестве 5-20 г/л, образцы №2, 3 в виде суспензии в количестве 10-40 мл.

Результаты и их обсуждение

Все полученные КЭП имели темно-серый цвет с белым налетом, который не смывался с водой. Количество включений сульфата бария определяли косвенным методом. Как видно из результатов, образцы сульфата бария включались в матрицу неоднозначно при одинаковых концентрациях. В наибольшем количестве включились в матрицу частицы образца сульфата бария №1, от 1,2 до 4 мас.

% при концентрации электролите-суспензии 5-20 г/л. У образцов под номерами 2,3 количество включений было одинаковое от 0,77 до 1,7 мас. %, при изученных концентрациях. Из литературы [2] известно, что на долю включений частиц в покрытиях влияет дисперсность порошка. Высокодисперсные порошки обладают большой свободной энергией и сильнее взаимодействуют с электродом, чем более крупные, и это имеет прямую связь с их включением. Частицы сульфата бария в виде порошка и суспензии, полученные в лаборатории полидисперсные, и, видимо, это одна из причин небольшого количества включений.

Из литературы [1] известно, что покрытия содержащие частицы, особенно микропорядка имеют на поверхности множества дефектов, приводящих к образованию пористых осадков. КЭП, образованное различными образцами сульфата бария имеет различное количество пор. Данные представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Пористость никелевых покрытий в зависимости от концентрации и образца BaSO4

Образцы Концентрация частиц в электролите-

BaSO4 суспензии, г/л

0 5 10 15 20

№1 9 5 5 3 2

№2 9 6 5 4 3

№3 9 21 20 11 6

Пористость контрольного никелевого покрытия составляет 9 пор/см2. Наименьшее количество пор содержится в КЭП, в котором в качестве ДФ использовался образец №1 и 2. Следует отметить, что в никелевых покрытиях количество пор уменьшается с увеличением концентрации ДФ в электролите-суспензии. Это может быть связано с тем, что получаемые покрытия становятся более компактными.

Образование КЭП с высокодисперсными частицами должно обеспечивать более значительное улучшение эксплуатационных характеристик покрытий благодаря их равномерному распределению в матрице.

С целью выяснения коррозионного поведения покрытий их испытывали в растворе 3% №С1. Полученные покрытия выдерживали в растворах в течение 7 суток без доступа воздуха. По изменению массы образцов оценивали стойкость покрытий в растворе. Данные представлены на рисунке 1.

После того как покрытия вынимали из раствора на их поверхности имелись черные и рыжие пятна. Затем их промывали водой до смывания продуктов коррозии. После этого на поверхности покрытия оставались черные точки. Раствор хлорида натрия после опыта становится желтоватым, и появляются хлопья рыжего цвета, в некоторых случаях наблюдается появление черных осадков, видимо, происходит образования различных соединений никеля, в частности это может быть №(ОН)2 [4].

Из рис. 1 видно, что показатель коррозии контрольного никелевого покрытия составляет 0,035 г/м2ч. Наилучшие результаты показателя коррозии имели никелевые покрытия полученные с использо-

ванием в качестве ДФ образца №1 (0,015 г/м ч) и образца №2 (0,018 г/м2ч). Видимо, понижение значения показателя скорости коррозии покрытий Ni-BaSO4 по сравнению с контрольным никелевым покрытием связано с уменьшением их пористости (табл.1) .

г 0,05

л Г 1 .3 0,04

н о о с- 0,03

о э у*. 0,02

и О 0,01

о к 0

нв:

5 Г/Л

1

Юг/л 15 г/л I 20 г/л

1 - Контрольное никелевое покрытие, 2 - КЭП №1, 3 - КЭП №2,4 - КЭП №3

Рис. 1 - Показатель коррозии никелевых покрытий в зависимости от концентрации и вида частиц BaSO4

Используя частицы ДФ различных размеров при получении КЭП можно модифицировать матрицу для различных целей, в частности для повышения их прочности.

Было проведено определение микротвердости на приборе ПМТ-3. Допускаемая нагрузка подбиралась так, что толщина образца должна быть больше диагонали отпечатка в 1,5 раза и составляла 20г. Микротвердость контрольного никелевого покрытия составляет 1712 МПа. Значение микротвердости покрытий на никелевой основе, полученных в электролитах, содержащих сульфат бария приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Микротвердость никелевых покрытий от концентрации и образца сульфата бария в электролите- суспензии

Микротвердость КЭП, МПа Концентрация частиц ВаSO4, г/л

10 15 20

КЭП с ДФ образцом №1 2762 2364 2487

КЭП с ДФ образцом №2 2363 3272 1952

КЭП с ДФ образцом №3 2249 2249 1953

Из таблицы 2 видно, что величина микротвердости покрытий изменяется не однозначно в зависимости от концентрации и образца сульфата бария. Микротвердость покрытий, полученных в присутствии сульфата бария, превышает значение микротвердости контрольного никелевого покрытия в 1,52 раза. Это является подтверждением образованием гетерофазной системы и оказываемого частицами упрочняющего действия на матрицу.

Выводы

Таким образом, частицы сульфата бария включаются в матрицу из никеля не зависимо от концентрации и вида. Коррозионная устойчивость, микротвердость композиционных покрытий с включением частиц сульфата бария повышается 1,5-2 раза по сравнению с контрольным никелевым покрытием.

Литература

1. Сайфуллин Р. С. Композиционные покрытия и материалы / Р. С. Сайфуллин.- М.: Химия, 1977. - 272 с. 2 Сайфуллин Р. С. Физикохимия неорганических полимерных и композиционных материалов / Р. С. Сайфуллин. - М.: Химия, 1990. - 240 с.

3 Глиберг А. Н. Гальванотехника / А. Н. Глиберг, Л. Л. Кравченко. - М.:Металлургия, 1987.- 736 с.

4. Паршутин В. В. Влияние среды на коррозионное и электрохимическое поведение никеля / В. В. Паршутин, Н. Л. Богдашкина, Г. П. Чернова // Защита металлов. -2007.- Т.43, №1. - С. 64-70

5. Глиберг А. Н. Гальванотехника / А. Н. Глиберг, Л. Л. Кравченко. - М.:Металлургия, 1987.- 736 с.

6. Мамаев В. И. Функциональная гальванотехника / В. И. Мамаев// Киров : ФГБОУ ВПО «ВятГУ», 2013. - 208 с.

© Г. Г. Мингазова - канд. хим. наук, доц. каф. технологии неорганических веществ и материалов КНИТУ, mingazova_gg@mail.ru; Ч. И. Гаянова - магистрант той же кафедры, chulpan1994@mail.ru; Р. Е. Фомина - канд. хим. наук, доц. той же кафедры.

© G. G. Mingazova - cand. chem. Sciences, Docent cathedra technology of inorganic substances and materials, KNRTU, mingazova_gg@mail.ru; Ch. I. Gayanova - master student of cathedra technology of inorganic substances and materials, KNRTU, chulpan1994@mail.ru; R. E. Fomina - cand. chem. Sciences, Docent cathedra technology of inorganic substances and materials, KNRTU.