Композиционные никелевые слои с углеродной фазой

Размещено на http://www.allbest.ru/

Композиционные никелевые слои с углеродной фазой

Хайбиева Венера Шавкатовна

Фомина Раиса Евгеньевна

Мингазова Гульфия Гайнутдиновна

Кафедра технологии неорганических веществ и материалов

Казанский национальный исследовательский технологический университет г. Казань Республика Татарстан. Россия

Аннотация

Получены композиционные электрохимические покрытия (КЭП) с матрицей из никеля, содержащие частицы углеродной фазы. Исследовано влияние концентрации частиц углерода на составы КЭП и растворимой добавки NaF на качество покрытий. Показано, что частицы углеродной фазы ускоряют разряд ионов основного метала. Установлено повышение коррозионной стойкости КЭП никель-углерод по сравнению с контрольным никелевым покрытием. Изучена морфология поверхности никелевых покрытий и их микротвердость.

Ключевые слова: КЭП с матрицей из никеля, аммиачный электролит никелирования, дисперсная фаза, углерод технический, коррозионная стойкость, поляризационные кривые, микротвердость.

Введение

В настоящее время важное значение имеет создание новых видов покрытий, обладающих улучшенными эксплуатационными свойствами, таких как: повышенная твердость, износостойкость, коррозионная стойкость и так далее. Во время эксплуатации деталей машин при трении происходит износ конструкционных материалов, что является главным фактором снижения надежности и срока службы деталей. Износ приводит к большим затратам на ремонт, изготовлению запасных деталей, простою оборудования во время ремонта. В связи с этим необходимо создание материалов, обладающих не только высокой износо- и коррозионной стойкостью, но и низким коэффициентом трения.

Модифицирование электролита дисперсной фазой (ДФ) приводит к получению КЭП с улучшенными физико-химическими свойствами. Эффективность использования КЭП во многом определяется природой дисперсной фазы [1, 2]. В качестве материалов для модифицирования могут выступать различные вещества: нитриды, карбиды, бориды, оксиды, а также порошки металлов и неметаллов. Одним их таких металлов является углерод. Углеродные частицы обладают стойкостью к высоким температурам, хорошей электропроводимостью и химической стойкостью практически к любым агрессивным водным растворам. Согласно литературным данным [3], благодаря этим свойствам углерод находит свое применение в различных отраслях промышленности. Наиболее распространенными являются антифрикционные покрытия, где углеродные частицы применяются в качестве твердого смазочного материала. Антифрикционные покрытия, содержащие углерод, значительно снижают износ и повышают надежность работы узлов и механизмов. Частицы сажи обладают слоистой структурой. Параллельные слои связаны более слабыми межмолекулярными Ван-дер-Вааль-совыми силами, поэтому графит мягок и легко расслаивается [4], за счет чего и увеличиваются его смазочные свойства.

Экспериментальная часть

Методика эксперимента. Использовали аммиачный электролит никелирования состава (г/л): NiSO4·7H2О - 80-150; (NH4)2SO4 - 2.5-4.5; NH4Cl - 3.25-6. Для формирования КЭП на основе никеля, в качестве второй фазы в электролит вводили частицы углерода технического как отдельно, так и совместно с растворимой добавкой фторида натрия. Углерод технический (сажа) - это порошок чёрного цвета, размером частиц 8-40 нм, в его состав входят (вес в %): углерод 89-99; водород 0.3-0.5; кислород 0.1-10; сера 0.1-1.1; минеральные вещества до 0.5. Частицы дисперсной фазы не смачивались электролитом, поэтому их обрабатывали в спиртовой суспензии. Концентрация частиц дисперсной фазы (ДФ) составляла: С (г/л) - 3, 5, 15, 25; NaF (моль/л) - 10-2, 10-3. Формирование катодного покрытия толщиной 20 мкм проводилось при плотности тока 2 A/дм2 на стальной подложке площадью 8·10-4 м2. рН и температура электролита поддерживались в пределах от 4.5 до 6.4 и от 25 до 30 ?C, соответственно. Использовали непрерывное перемешивание магнитной мешалкой с частотой вращения 60 об/мин. В качестве анодов служили никелевые пластины. Катоды и аноды подготавливали известными методами [5]. Количество включений дисперсной фазы в покрытиях определяли косвенным методом по изменению массы катодов [6].

При определении микротвердости в соответствии с ГОСТом 9450-76 в испытываемый образец под действием нагрузки Р = 5-200 г вводится алмазный наконечник, имеющий форму пирамиды (в плоскости квадрат), после чего на поверхности остается отпечаток в виде пирамиды с квадратным основанием и измеряется диагональ отпечатка.

Коррозионная стойкость покрытий определялась массовым методом в соответствии с ГОСТом 9.908-85. Покрытия выдерживались в 3%-м растворе NaCl в течение одной недели.

Поляризационные кривые снимали на приборе потенциостатгальваностат IPC-2000 в прижимной трехэлектродной ячейке при ступенчатом изменении потенциала через 1 мВ в катодную область. Поляризационные кривые электровосстановления никеля в присутствии второй фазы снимали на свежеосажденном никеле толщиной ? = 2 мкм при плотности тока 2 A/дм2.

Морфологию поверхности никелевых покрытий изучали на основании микрофотографий, выполненных с помощью микроскопа АЛЬТАМИ МЕТ-15.

композиционный электрохимический покрытие никель

Результаты и их обсуждение

Рис. 1. Выход никеля по току в зависимости от концентрации ДФ в электролите

Образование КЭП из аммиачного электролита никелирования проводили при плотности тока 2 А/дм2, так как согласно работе [7] выход по току никеля при этом был максимальным (92.5%) и наблюдалось образование качественных покрытий.

При введении в электролит частиц сажи с увеличением концентрации второй фазы выход по току (ВТ) никеля падает (рис. 1). Было определено, что при 25 г/л углерода ВТ составил 85.5%, тогда как у чистого Ni ВТ = 92.5%.

Изучение влияния концентрации частиц второй фазы на составы КЭП проводили при концентрациях углерода 3, 5, 15, 25 г/л и плотности тока 2 А/дм2. Толщина покрытия составляла 20 мкм.

Рис. 2. Показатель стойкости никелевых покрытий в зависимости от концентрации ДФ и содержания растворимой добавки NaF (10-3 моль/л) в 3% растворе NaCl. Концентрация частиц составляет, г/л: 1 - 0; 2 - 3; 3 - 5; 4 - 15; 5 - 25.

С изменением концентрации частиц углерода технического в ЭС от 3 до 25 г/л количество включений ДФ колеблется от 0.1 до 0.4 % масс. Максимальное содержание включений сажи в покрытиях приходится на концентрацию 15 г/л и составляет 0.4 % масс.

Покрытия при этом получаются качественными, темно-серого цвета, в отличие от образцов, полученных при концентрации 3 г/л. В данном случае происходит неравномерное осаждение частиц по подложке. Введение в электролит-суспензию растворимой добавки NaF концентрацией 10-2, 10-3 моль/л приводит к устранению неравномерного осаждения ДФ.

Покрытия получаются ровного темно-серого цвета, наблюдается более плотное распределение углерода в никелевой матрице, исчезает светлая полоса по центру подложки.

С целью выявления механизма электрокристаллизации никеля были сняты катодные поляризационные кривые из электролитов никелирования различного состава. Из рис. 4, 5 видно, что в присутствии частиц сажи процесс электровосстановления никеля идет с деполяризацией, причем, чем выше концентрация второй фазы, тем с большей скоростью идёт восстановление никеля.

В случае исследования влияния растворимой добавки фторида натрия на процесс поляризации (рис. 6, 7) было выявлено, что с увеличением концентрации NaF скорость процесса выделения никеля затрудняется при низких значениях тока. Можно предположить, что фтор ион адсорбируется на поверхности катода и закрывает его активные центры, замедляя тем самым процесс разряда никеля и его кристаллизацию.

С целью определения коррозионной стойкости покрытий, их испытывали в 3%-м растворе NaCl без доступа воздуха. Коррозионные испытания проводили в течение одной недели. Затем покрытия вынимали из раствора и оценивали их состояние визуально. На поверхности покрытия образовывался налет рыжего цвета. Продуктами коррозии являются основные соединения Fe(II), Fe(III), которые снимали с покрытия механическим путем, затем образцы промывали водой, высушивали в сушильном шкафу при T = 100 С и взвешивали. По изменению массы образцов оценивали стойкость покрытий. Результаты испытаний покрытий представлены на рис. 2. Из рисунка видно, что показатель коррозионной стойкости покрытий при концентрации ДФ в электролите 15 г/л в 5 раз выше стойкости контрольного образца

Микрофотографии поверхности исследуемых образцов, полученных из «чистого» электролита, а также из электролитов-суспензий, модифицированных ДФ углерода технического и добавлением растворимой добавки NaF, представлены на рис. 7. Дисперсная фаза углерода оказывает существенное влияние на свойства никелевых покрытий. Из рисунка видно, что происходит изменение морфологии поверхности образцов от столбчатой структуры к высокодисперсной, «зернистой», содержащей дефекты в виде пор с включениями частиц сажи. Из микрофотографий также видно, что растворимая добавка NaF вносит незначительные изменения в структуру «чистого» никелевого покрытия.

Рис. 3. Катодные поляризационные кривые в электролите никелирования в зависимости от концентрации ДФ в электролите-суспензии. Концентрация ДФ, г/л: 0, 3, 5, 15, 25

Рис. 4. Катодные поляризационные кривые в электролите никелирования (начальная область электровосстановления никеля) в зависимости от концентрации ДФ в электролите-суспензии. Концентрация ДФ, г/л: 0, 3, 5, 15, 25

Рис. 5. Катодные поляризационные кривые в электролите никелирования в зависимости от наличия растворимой добавки NaF. Концентрация растворимой добавки NaF, моль/л: 10-2 , 10-3

Рис. 6. Катодные поляризационные кривые в электролите никелирования (начальная область электровосстановления никеля) в зависимости от наличия растворимой добавки. Концентрация растворимой добавки NaF, моль/л: 10-2, 10-3.

а) б) в)

г) д) е)

Рис. 7. Микроскопические фотографии поверхности никелевых покрытий в зависимости от концентрации ДФ в электролите-суспензии и наличия растворимой добавки: а - Ni-C (0г/л); б - Ni-C (3г/л); в - Ni-C (5г/л); г - Ni-C (15г/л); д - Ni-C (25г/л); е - Ni-NaF (10-3 моль/л)

Из рисунка видно, что происходит изменение морфологии поверхности образцов от столбчатой структуры к высокодисперсной, «зернистой», содержащей дефекты в виде пор с включениями частиц сажи. Из микрофотографий также видно, что растворимая добавка NaF вносит незначительные изменения в структуру «чистого» никелевого покрытия.

Таблица. Микротвердость Ni-КЭП в зависимости от концентрации частиц углерода технического

Анализ микрофотографий показал, что при концентрации 15 г/л ДФ, структура покрытия становится наиболее высокодисперсной, что и приводит к незначительному увеличению микротвердости при данной концентрации.

Согласно таблицы, микротвердость покрытий Ni-углерод технический при концентрациях 3; 5 г/л ниже, чем значение микротвердости контрольного никелевого образца. Повышение концентрации ДФ в электролите до 15 г/л приводит к незначительному увеличению микротвердости покрытия до 5%.

Выводы

1. Получены композиционные электрохимические покрытия с матрицей из никеля, содержащие частицы углеродной фазы от 0.1 до 0.4 % масс. при концентрациях их в электролите от 3-25 г/л.

2. Показано, что введение в электролит частиц углеродной фазы облегчает процесс электровосстановления никеля. Дисперсная фаза влияет на морфологию никелевых покрытий и частицы сажи предотвращают образование крупнокристаллической столбчатой структуры покрытия.

3. Показатель коррозионной стойкости композиционных электрохимических покрытий Ni-C при концентрации дисперсной фазы в электролите 15 г/л в 5 раз выше стойкости контрольного образца.

Литература

1. Сайфуллин Р.С. Композиционные покрытия и материалы. Химия. Москва. 1977. 272с.

2. Мингазова Г.Г., Фомина Р.Е., Водопьянова С.В. Влияние частиц различной природы на свойства покрытий никелем. Вестник КГТУ. 2011. №12. С.157-161.

3. Тарасевич М.Р. Электрохимия углеродных материалов. Наука. Москва. 1984. 253с.

4. Кламанн Д. Смазки и родственные продукты. Синтез. Свойства. Применение. Международные стандарты.: Пер. с англ. Под ред. Ю.С. Заславского. М.: Химия. 1988. 488с.

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

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

7. Фомина Р.Е., Мингазова Г.Г., Водопьянова С.В., Хайбиева В.Ш., Сайфуллин Р.С. Никелевые покрытия с высокодисперсной фазой технического углерода. Вестник КГТУ. 2013. Т.16. №21. С.306.

Размещено на Allbest.ru