Физико-химические свойства никелевых композиционных покрытий

Г. Г. Мингазова, Р. Е. Фомина, С. В. Водопьянова, Р. С. Сайфуллин, В. В. Жиляков

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НИКЕЛЕВЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ

Ключевые слова: композиционные электрохимические покрытия, никель, дисперсная фаза, износостойкость, микротвердость.

Приводятся результаты исследований по получению композиционных электрохимических покрытий (КЭП) с металлической матрицей. В качестве дисперсной фазы (ДФ) использовались частицы веществ различной химической природы. Определены эксплуатационные свойства никелевых покрытий с частицами различной природы. Показано, что эти частицы улучшают эксплуатационные характеристики покрытий.

Keywords: composite electrochemical composite coatings, nickel dispersion phase, wear resistance, microhardness.

The results of research on the production of electrochemical composite coatings (ECC) of metal matrix. As the dispersed phase (DPh) were used particles of substances of different chemical nature. Defined performance properties of nickel coatings with particles of different nature. It is

ТЕХНОЛОГИЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

УДК540.185; 621.793

Введение

Создание композиционных электрохимических покрытий (КЭП) является одним из актуальных направлений современной гальванотехники. Принцип получения КЭП основан на том, что вместе с металлами из электролитов-суспензий соосаждают-ся дисперсные частицы различных размеров и видов. Хорошо известно, что структура и морфология, а соответственно, и механические свойства композиционных материалов зависят от количества и вида частиц, внедрившихся в металлическую матрицу [1]. Включаясь в покрытия, частицы существенно улучшают их эксплуатационные свойства (твердость, износостойкость, коррозионную устойчивость) и придают им новые качества (антифрикционные, магнитные, каталитические). Благодаря этому КЭП находят широкое применение в различных отраслях промышленности, а разработка новых видов композиционных покрытий и поиск путей управления их свойствами является важной научно-технической задачей.

Целью данной работы являлось определение износостойкости композиционных электрохимических никелевых покрытий.

Износостойкость КЭП иногда в несколько раз выше, чем износостойкость чистых покрытий [2, 9]. Оптимальные размеры и концентрация твердых частиц в покрытии оказывают благоприятные условия на создание износостойких вторичных структур на поверхности трения. Известно, что повышение твердости гальванических покрытий на 10 - 20% часто приводит к многократному повышению их износостойкости. Однако увеличение твердости иногда сопровождается повышением хрупкости или внутренних напряжений покрытий [2].

Экспериментальная часть

Методика эксперимента

Для исследования процесса нанесения КЭП с матрицей из никеля использовали два электролита

следующего состава, г/дм3: 1. Ы1804-7Н20 70-75; №2804-10Н20 40-50; Н3В03 20-25; №С! 5-7; pH 5,8; 2. 1\Н804-7Н20 - 150; (1\1Н4)2804- 4,5; 1\1Н4С! - 6.

В качестве ДФ использовали нанопоро-шок А!203. Он изготовлен в соответствии ТУ 1791-002-36280340-2005: 8уд = 21 м2/г; средний размер частиц составляет 30 нм; В (бор)-аморфный порошок серовато-черного цвета, состав (масс.%): В - 99,9; 8Ю (ТУ-40-18ПТ-0003-88, хим. состав: 81С

- 91,8 %масс, Ссвоб. - 0,42 %, 81своб - 3,5 %, 8Ю2

- 4,1 %, фазовый состав, %масс: р-8Ю - 58, а-81С -42, удельная поверхность, м2/г 20,8). Концентрация ДФ составляла 3-50 г/дм3.

КЭП получали из электролита, модифицированного ДФ. Покрытия наносили на стальные пластины площадью 8 см2, подготовленные известными методами [3]. Анодом служили никелевые пластины. Использовали постоянное перемешивание магнитной мешалкой. Покрытия наносили при плотности тока 1,5 и 2 А/дм2. Толщина покрытий составляла 20 и 100 мкм. Массовое содержание частиц в покрытиях определяли гравиметрически (косвенным методом) [1].

Износостойкость покрытий определяли трением испытуемого и эталонного образцов о поверхность с закрепленными на ней абразивными частицами при статической нагрузке Р = 0,94 МПа и отсутствии нагревания, в соответствии с ГОСТом 17367-71.Эталоном служила никелированная поверхность.

Определение микротвердости покрытий производили в соответствии с ГОСТом 9450 - 76. Микротвердость определяли на приборе ПМТ-3. Допускаемая нагрузка подбиралась так, что толщина образца должна быть больше диагонали отпечатка в 1,5 раза. Испытание образцов проводилось под постоянной нагрузкой 20 г.

Результаты и их обсуждение

Образование КЭП с нанодисперсными частицами должно обеспечивать более значительное улучшение эксплуатационных характеристик по-

крытий даже при малых долях включения первых, благодаря их равномерному распределению в матрице. На количество включений частиц в никелевые покрытия влияет их предварительная обработка в различных средах [4].

Частицы оксида алюминия включаются в покрытия от 2-6 % масс при концентрации их в первом электролите 5-35 г/дм3. Количество включения частиц карбида кремния при указанной концентрации составляет 0,5-1,5 масс.%. С целью увеличения содержания включений карбида кремния в никелевой матрице необходимо модифицировать их поверхность. Это должно способствовать усилению адгезии порошка к электроду. В связи с этим частицы БЮ выдерживали в 3% растворе серной кислоты в течении двух часов при нагревании. Затем их отфильтровывали и промывали дистиллированной водой до ,рН промывных вод 6-7 ед. и высушивали в сушильном шкафу при температуре 200° С в течении двух часов. После обработки их вводили в электролит в количестве 3-50 г/дм3. Покрытия, полученные из электролитов-суспензий с модифицированными частицами, качественные с зеленоватым оттенком. Количество включений частиц при этом повышается в 2-3 раза в покрытии никелем.

Из литературы [5] известно, что частицы карбида кремния имеют отрицательный заряд, что тормозит их адгезию и одновременно их включение в покрытия. После обработки частиц БЮ в растворе серной кислоты, уменьшается отрицательный поверхностный заряд, и их доля в никелевом покрытии увеличивается. Кроме того, в порошке карбида кремния есть примеси БЮ2. [4] Возможно происходит адсорбция ионов водорода на поверхности БЮ2, что приводит к уменьшению отрицательного заряда поверхности и увеличению адгезии их на поверхности катода.

Используя частицы ДФ различной природы и размеров при получении КЭП можно модифицировать матрицу для различных целей, в частности повышение прочности покрытий. Упрочнение покрытий происходит лишь при концентрации частиц А!203 и БЮ 25 г/л в электролите-суспензии, их максимальный упрочняющий эффект равен 0,116 и 0,208 мкм, которые входят в требуемый предел.

Было проведено определение микротвердости на приборе ПМТ-3. Результаты представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Зависимость микротвердости никелевых покрытий, полученных из электролита-суспензии 1от природы и концентрации частиц

ДФ

Микротвердость, МПа

N1 2159

1\П-А!203 25 г/л 2996

N - БЮ 25 г/л 2087

Ы1- БЮ и А!203 25 г/л 2485

ЫнБЮ - 15 г/л и А!203 - 25 г/л 2448

1\П- БЮ - 25 г/л и А!203 - 15 г/л 2324

Как видно из таблицы 1, поликомпозиционные покрытия М1-БЮ-А!203 обладают повышенной микротвердостью по сравнению с контрольными никелевыми покрытиями и монокомпозиционными покрытиями N — БЮ. Повышение микротвердости, помимо упрочнения, обусловленного твердостью самой армирующей фазы, можно объяснить уменьшением размера зерна никеля.

Оценивали износостойкость по потере массы с поверхности образца. Результаты представлены в таблице 2.

Износостойкость контрольного никелевого покрытия составляет 19, 8 мг.

Таблица 2 - Износ никелевых покрытий, полученных из электролита-суспензии 1 в зависимости от концентрации и природы ДФ

Дт, мг

1\П-А!203 25 г/л 16,2

Ы- БЮ 25 г/л 14,4

Ын БЮ и А!203 25 г/л 15,8

ЫнБЮ - 15 г/л и А!203 - 25 г/л 13,1

1\П- БЮ - 25 г/л и А!203 - 15 г/л 17,2

Из таблицы 2 видно, что все покрытия с ДФ оказались более стойкими к износу по сравнению с контрольным никелевым покрытием. Возможно, увеличение износоустойчивости связано с тем, что сами частицы очень прочные и внедряются в границы по краям кристаллитов Ы1.

Содержание частиц бора в покрытиях, полученных из электролита 2, при концентрации 3 г/л составляет 2 % масс., при 5 и 10 г/л величина ат возрастает до 3,0- 4,0 % масс. Более качественные покрытия получаются при концентрации частиц бора в электролите 3 и 5 г/л. Покрытия имеют темно-серый цвет, без дендритов, поверхность шероховатая. Концентрация частиц бора 10 г/л приводит к получению покрытий с образованием дендри-тов по их краям. С ростом концентрации ДФ частицы более равномерно располагаются по поверхности. На микротвердость никелевых покрытий с включениями частиц бора воздействует

термообработка (рис.1).

14000 ..

12000 | _ £ 10000 -I

0000 | ^вЛ _Л

и и и И

О 3 5 10

Концентрация, г!п

: : 1 *? Я 3

Рис. 1 - Микротвердость никелевых покрытий, полученных их электролита 2 в зависимости от концентрации ДФ В (бора) и термообработки. Температура обжига, 0С: 1 - 0; 2 - 700; 3 - 1000

Из рис 1 видно, что повышение температуры обжига никелевого покрытия до 1000°С увеличивает микротвердость в 1,7 раза по сравнению с контрольными никелевыми

покрытиями. Известно из литературы [6-8], что при высоких температурах (1000-1050°С) образуются бориды никеля, которые, видимо, и оказывают влияние на микротвердость.

На рис. 2 представлены данные по износу никелевых покрытий.

о 3 5 ю

Концентрация, г/л

Рис. 2 - Износ никелевых покрытий, полученных их электролита 2 в зависимости от концентрации ДФ В (бора) и термообработки. Температура обжига, 0С: 1 - 0; 2 - 700; 3 - 1000

Из рисунка видно, что износостойкость КЭП №-Б без термообработки увеличивается почти от 6 до 4 раз по сравнению с износостойкостью контрольных никелевых покрытий. В то время как термообработка покрытий приводит к повышению их стойкости к износу при температуре 1000 0С и концентрации ДФ в электролите-суспензии 5 и 10 г/л в 2 раза по

сравнению с контрольными никелевыми покрытиями, что коррелируется со значениями микротвердости этих осадков.

Таким образом, частицы карбида кремния и бора способствуют повышению микротвердорсти и снижению износа никелевых покрытий.

Литература

1. Э. А Павлатоу. Н. Спиреллис , Электрохимия, 44, 6, 804-810

2. Р.С. Сайфуллин, Неорганические композиционные материалы. Химия, Москва 1983. 304 с.

3. А.И.Левин, А.В. Помосов. Лабораторный практикум по теоретической электрохимии. Металлургия, Москва, 1979. 311с.

4. Е.Р. Фомина, Р. С. Сайфуллин, Г. Г. Мингазова Вестник КГТУ, 5, 136-142

5 Д. К. Раманаускене, Н. С. Перене, Л. М. Слурукайте, Тр. АН Лит. ССР, 11, 17 - 21

6. А.Н Минкевич. Диффузионные боридные слои на металлах. Химия, Москва, 1961. 459с

7. Блок Н.И. Докл. АН СССР, 113, 811-813 (1951).

8. Н.И. Тимофеева, М.Х. Левинская, З.И. Крайнова Изв. АН СССР. Неорганические материалы. 6, 9, 1613-1615

9. Е.Р. Фомина, Р. С. Сайфуллин, Г. Г. Мингазова, С.В. Водопьянова, В.В. Жиляков Вестник КГТУ, 11, 249-251

© Г. Г. Мингазова - к.х.н., доц. каф. ТНВМ КНИТУ, Mingazova_gg@mail.ru; Р. Е. Фомина - к.х.н., доцент той же кафедры; С. В. Водопьянова - к.х.н., доцент той же кафедры; Р. С. Сайфуллин - д.т.н., профессор той же кафедры; В. В. Жиляков -к.т.н, доцент той же кафедры.