Особенности формирования композиционно-модулированных пленочных материалов в условиях современной гальваностегии

Измерение микротвердости гальванических осадков проводили на латунных образцах, твердость которых не уступала твердости наложенных слоев или была ниже ее, при помощи микротвердомера ПМТ-3М.

С увеличением концентрации УДА  в электролите с 0 до 10 г/л наблюдается  рост микротвердости с 2500 до 3800 МПа. Дальнейшее повышение содержания УДА приводит к росту твердости до ~4000 МПа (рисунок 2). Рост плотности тока приводит к увеличению твердости при 6-10 А/дм² до 3800-4000 МПа и практически не изменяется при дальнейшем увеличении плотности тока (рисунок 3).

Электроосаждение на периодических токах приводит к росту твердости композиционно-модулированных пленочных материалов, содержащих ультрадисперсные агрегаты углерода в металлической матрице.

Поскольку на импульсных токах процесс  электролиза совершается за короткий промежуток времени действия импульса тока, то в сравнительно небольших  по размерам кристаллах образуется достаточно большое количество дислокаций. Благоприятно сориентированные дислокации разных знаков при встречном движении будут  аннигилировать и способствовать образованию более совершенной кристаллической структуры. В то же время дислокации одного знака за счет динамики импульсного электролиза и сил взаимного отталкивания начнут двигаться от центра к периферии кристалла и могут выйти на поверхность с образованием ямок выхода дислокаций. Однако большая часть дислокаций при своем движении к поверхности кристалла будет заблокирована. Скопление их у препятствий вызовет эффект упрочнения, повышения микротвердости, снижения пластичности.

Рисунок 2 – Зависимость микротвердости КЭП никель-УДА от концентрации УДА в электролите

 

Рисунок 3 – Зависимость микротвердости КЭП никель-УДА от плотности тока

 

Осаждение КЭП никель-УДА на импульсном токе приводит к повышению микротвердости до 6500-8000 МПа, причем ее значение слабо зависит от частоты импульсов в диапазоне 1-25 Гц (таблицы 1-2, рисунок 4).

 

 

Таблица 1 - Влияние параметров импульсного тока на микротвердость КП

τп, мс	HV, МПа	τи, мс	HV, МПа
20	3670	20	3670
40	4320	40	4230
60	4800	60	5390
100	5090	100	5160
140	4730	140	5130
200	3890	200	4440

 

Таблица 2 - Влияние скважности импульсного тока на микротвердость покрытия

Режим электролиза, tи: tп, мс	HV, МПа
80:20	5030
60:40	4080
40:40	4290
40:60	4920
20:80	5020

 

 

Рисунок 4 – Влияние импульсного тока на микротвердость КЭП (t_и=20 мс, i_кср=6 А/дм²)

 

С увеличением  длительности импульса от 20 до 100 мс при  постоянной длительности паузы 20 мс происходит рост микротвердости с 3670 до 5400 МПа с дальнейшим снижением его до ~4400 МПа при увеличении τ_u до 200 мс. Увеличение длительности паузы с 20 до 100 мс позволяет повысить микротвердость с 3700 МПа до 5090 МПа, затем происходит ее уменьшение до 3890 МПа с ростом τ_u до 200 мс при длительности импульса 20 мс. Такой сложный характер зависимости микротвердости от скважности может быть обусловлен, с одной стороны, уменьшением размера зерна осадка и, с другой стороны, снижением содержания примесей, в том числе дисперсной фазы. Уменьшение частоты импульсного тока сопровождается некоторым уменьшением твердости покрытий.

Микротвердость осадков  никель-УДА, полученных на реверсированном токе, составляет 4000-5000 МПа и снижается с увеличением длительности прямого импульса (таблица 3)

 

Таблица 3 - Влияние реверсированного тока на микротвердость КЭП

Режим электролиза, tпр: tобр, мс	HV, МПа
1000:200	4580
5000:1000	4120
60:20	4900
200:20	4350

 

 

3.2 Триботехнические свойства

 

Механические свойства твердых  тел определяют их износостойкость. Износ покрытий зависит от многочисленных внешних факторов: удельных нагрузок, скоростей скольжения, температурного режима, эффективности смазочного материала, антифрикционных характеристик  и др.

Исследование износостойкости  проводили на устройстве, обеспечивающем возвратно-поступательное движение стальной сферы по поверхности образца со скоростью 5 мм/сек, при нагрузке 1 Н, с последующим измерением ширины и глубины дорожки трения и определением объемного износа за 1 цикл и среднего значения коэффициента трения.

Износостойкость покрытий резко  возрастает с увеличением содержания ультрадисперсных агрегатов углерода в электролите (таблица 4).

 

Таблица 4 – Влияние условий электролиза на триботехнические свойства КЭП никель-УДА

Режим электролиза	Без смазки		Со смазкой
	W, ´10-6мкм3	k	W, ´10-6мкм3	k
Никель	8,8	0,6	1,9	0,2
2 г/л УДА	6,5	0,25	1,6	0,16
10 г/л УДА	3,1	0,25-0,32	1,3	0,15
ИТ, τи:τп=20:80 мс	1,9	0,3	0,5	0,2
ИТ, τи:τп=40:40 мс	2,6	0,2	1,8	0,15-0,2
ИТ, τи:τп=80:20 мс	2,3	0,18	1,4	0,12-0,16
ИТ, τи:τп=20:60 мс	2,1	0,15	0,8	0,12
РТ, τпр:τоб=100:20 мс	2,5	0,25	1,6	0,15
РТ, τпр:τоб=5000:1000 мс	2,7	0,25	1,1	0,12-0,15
РТ, τпр:τоб=60:20 мс	5	0,35	1,1	0,15
РТ, τпр:τоб=1000:200 мс	1,9	0,25	0,9	0,15

 

В условиях трения на воздухе  без смазочного материала наблюдается  снижение коэффициента трения  с 0,6 (для никеля) до 0,18-0,28 для КЭП (рисунок 5). Значение коэффициента трения увеличивается с ростом плотности тока и скважности  импульсов. Покрытия, полученные при различных параметрах  реверсированного тока, имеют коэффициент трения равный 0,2. Таким образом, при трении без смазочного материала смазочные свойства ультрадисперсных агрегатов углерода даже в небольшом количестве (0,1-0,7 масс.%) существенно уменьшают коэффициент трения, так как в этом случае твердые частицы и контртело разделены мягкой смазочной пленкой, т.е. включение дисперсной фазы обеспечивает КЭП высокие антифрикционные свойства.

Применение смазочного материала  приводит к снижению объемного износа в 1,5-5 раз, причем коэффициент трения композиционных покрытий никель-УДА снижается с 0,5-0,3 до 0,12-0,2, в то время как для никелевых покрытий он уменьшается с 0,6 до 0,24 (рисунок 6).

При использовании КЭП  в узлах трения частот требуется  обеспечить хорошую адгезию покрытия к подложке, высокую износостойкость  среднего слоя и сравнительно мягкий приработочный слой, т.е. необходимы определенные механические и антифрикционные свойства по толщине покрытия. В принципе, эту задачу можно решить использованием в узлах трения поликомпозиционных покрытий: изменением объемной доли твердых частиц по толщине покрытия можно регулировать механические свойства, а изменение доли смазочного материала – антифрикционные свойства. Однако реализация поставленной задачи в настоящее время сложна. Наибольшую прочность сцепления покрытия с деталью можно обеспечить нанесением подслоя чистого покрытия или плавным выведением ванны на рабочий режим при отключенных средствах транспортирования частиц к катоду. Требуемые свойства для зон истирания и приработки можно обеспечить только программным изменением режима электроосаждения.

1 - ПТ, никель ; 2 – ПТ;  3 – ИТ, τ_и: τ_п=20:60 мс;  4 - РТ, τ_пр:τ_об =1000:200 мс

 

Рисунок 5 – Влияние состава электролита и режима электролиза на величину коэффициента трения (без смазочного материала) КЭП никель-УДА (С_УДА=10 г/л; Т=50°С; i_{k ср}=6 А/дм²)

1 - ПТ, никель ; 2 – ПТ; 3 – ИТ, τ_и: τ_п=20:60 мс; 4 - РТ, τ_пр:τ_об =1000:200 мс

Рисунок 6 – Влияние состава электролита и режима электролиза на величину коэффициента трения (в присутствии смазочного материала) КЭП никель-УДА (С_УДА=10 г/л; Т=50°С; i_{k ср}=6 А/дм²)

 

заключение

 

Исследовано влияние  условий электролиза, природы компонентов, концентрации ультрадисперсных частиц алмаза физико-механические свойства композиционных покрытий. Установлено, что введение в никелевый осадок ультрадисперсных агрегатов углерода и использование нестационарных режимов электролиза позволяет  повысить микротвердость осадков с 2500 (для Ni) до 8000 МПа, износостойкость – в 2-5 раз, снизить коэффициент трения в 1,5-1,8 раза без ухудшения контактного электросопротивления.

 

список использованных источников

 

1. Матулис Ю.Ю. Современные проблемы в развитии гальванотехники // Химическая физика и катализ. Физическая химия. Электрохимия: Тез. докл. XII Менделеевский съезд по общей и прикладной химии, Ленинград, 1981. – М.: Наука, 1981. – С. 274-275.
2. Сайфуллин Р.С. Неорганические композиционные материалы. - М: Химия. 1983. - 304 с.
3. Ажогин Ф.Ф., Беленький М.А., Галь И.Е. Гальванотехника: Справ. изд. – М.: Металлургия,1987. - 736 с.
4. Киффер Р., Бенезовский Ф. Твердые материалы. - М.: Металлургия - 1968. – 384 с.
5. Самсонов Г.В., Артамонов А.Я., Безыкорнов А.И. Выбор новых абразивных материалов на основе тугоплавких соединений // Порошковая металлургия. - Т. 66, № 6. - 1968. – С. 86-94.
6. Антропов Л.И., Лебединский Ю. Н. Композиционные электрохимические покрытия и материалы. – Киев: Технiка, 1986. – 200 с.
7. Гурьянов Г.В. Электроосаждение износостойких композиций. - Кишинёв: Штиинца, 1985. - 238 с.
8. Гурьянов Г.В. Закономерности осаждения композиционных электрохимических покрытий из электролитов-суспензий // Электронная обработка материалов. - 1982. - № 4. - С. 28-33.
9. Бородин И.Н. Порошковая гальванотехника. - М.: Машиностроение, 1990. – 240 с.
10. Кудрявцев Н.Т. Электрохимические покрытия металлами. - М. Химия. 1979. 352 с.
11. Беленький М.А., Иванов А.Ф.. Электроосаждение металлических покрытий: Справ. изд. – М.: Металлургия, 1985. - 288 с.
12. Гальванические покрытия в машиностроении: Справочник. Т. 1 / Под ред. М.А. Шлугера. - М.: Машиностроение, 1985. - 240 с.
13. Костин Н.А., Кублановский В.С., Заблудовский А.В. Импульсный электролиз. – Киев: Наук. думка, 1989. - 169 с.
14. Кошкин Б.В., Дрибийский А.В., Луковцев В.П., Давыдов А.Д. Защитные свойства гальванических покрытий с чередующимися слоями // Защита металлов. -1996. - Т. 32, № 5. - С. 465-467.
15. Пат. 2046094, МКИ 6 C 01 B 31/04. Синтетический углеродный алмазосодержащий материал / Т.М. Губаревич, В.Ю. Долматов, В.Ф. Пятериков, В.А. Марчуков, В.Г. Сущев. - № 93026920/26; Заявл. 26.05.1993; Опубл. 20.10.1995. – 1995. - С. 6.
16. Пат. 2100063, МКИ 6 В 01 J 3/08. Способ получения алмаза в детонационной волне / Б.А. Выскубенко, В.Ф. Герасименко, Л.Е. Колегов, В.А. Мазанов, А.П. Толочко, В.П. Соловьев, А.В. Певницкий. - № 94010129/25; Заявл. 18.03.1994; Опубл. 27.12.1997. – 1997. - С. 3.
17. Сакович Г.В., Брыляков П.М., Губаревич В.Д. и др Получение алмазных кластеров и их практическое использование // ЖВХО им. Д.И. Менделеева. - 1990. - Т. 35, № 5. - С. 600 – 602.
18. Лещик С.Д., Гайдук Н.Б.. Исследование строения композиционных покрытий на основе электролитического хрома методом сканирующей зондовой микроскопии // ФКС: Тез.докл. VI РНК студентов и аспирантов, Гродно, 22-24 апр. 1998 г. - Гродно, ГрГУ, 1998. - С. 142-144.
19. Курмашев В.И., Тимошков Ю.В., Данилюк А.Л. и др. Свойства никелевых композиционных покрытий с различными типами ультрадисперсных алмазов // Известия Белорусской инженерной академии. - 1997. - № 1(3)/3. - С. 33-35.
20. Кушнер Л.К., Исакович М.В.. Исследование процесса композиционного золочения на периодических токах / Под ред. В.А. Лиопо. – Гродно: ГрГУ. 2002. –376с.
21. Кушнер Л.К., Апенько О.Г. Электроосаждение композиционных покрытий на основе хрома на периодических токах // Физика конденсированного состояния: Тез. докл. Х Респ. науч. конф. студентов, магистрантов и аспирантов «Физика конденсированного состояния». / Под ред. В.А. Лиопо. – Гродно: ГрГУ. 2002. –376с.
22. Кушнер Л.К., Хмыль А.А. Исследование закономерностей соосаждения золота и УДА // Известия Белорусской инженерной академии, №1(11)/3, Мн.-2001 г., с.102-104.
23. Тимошков Ю.В., Губаревич Т.М., Ореховская Т.И. и др. Свойства композиционных никелевых покрытий с различными типами ультрадисперсных алмазных частиц // Гальванотехника и обработка поверхности. - 1999. - Т. 7. № 2. - С. 20-26.
24. Долматов В.Ю. Ультрадисперсные алмазы детонационного синтеза: свойства и применение // Успехи химии. – 2001. - Т. 70. № 7. – С. 1-22.
25. Буркат Г.К., Долматов В.Ю. Гальванические покрытия на основе ультрадисперсных алмазов детонационного синтеза // Электрохимия, гальванотехника и обработка поверхности: Тез. докл. междунар. конф., Москва, 4-8 июн. 2001. – М., 2001. – С. 14.
26. Пат. 2107115, МКИ C 25 D 3/46. Электролит для нанесения хромалмазных покрытий / Е.В. Никитин, А.В. Корытников, О.Н. Бреусов, Т.Н. Зайцева, С.Я. Слюсарев, Н.Б. Грищук. - № 95111396/02, Заявл. 23.06.1995; Опубл. 20.03.1998. – 1998.- С. 6.
27. Обзор материалов конференции ВНПК "Гальванотехника и обработка поверхности" // Гальванотехника и обработка поверхности. - 1999. - Т. 7, № 2. - С. 53.
28. Лукашев Е.А. Исследование состава и кинетики осаждения алмазосодержащих композиционных электролитических покрытий на основе никеля // Электрохимия. - 1994. - Т. 30. № 1. - С. 93 – 97.
29. Курмашёв В.И. Электрохимические методы формирования плёнок металлов, сплавов и композиционных материалов в производстве изделий электронной техники: Дисс. на соиск. уч. степ. д-ра технич. наук: 05.27.01 - Минск, 1990. – 529 с.
30. Новоторцева И.Г., Гаевская Т.В.. О свойствах композиционных покрытий на основе никеля // Журнал прикладной химии. - 1999. - Т. 72, № 5. - С. 789-791.
31. Пат. 2048573, МКИ 6 C 22 С 19/03. Композиционное электрохимическое покрытие / Л.А. Дегтярь, Ф.И. Кукоз, И.Д. Кудрявцева, Г.Н. Сысоев. - № 5020525/02, Заявл. 03.01.1992; Опубл. 20.11.1995; НКИ 204/43. — 2 с.
32. Пат. № 4205, МКИ 7 C 25D 3/46. Способ нанесения покрытий на основе серебра / А.П. Корженевский, А.П. Достанко, Л.К. Кушнер, А.А. Хмыль, Т.М. Губаревич. - № 950139, Заявл. 16.03.1995; Опубл. 12.07.2001; НКИ 204/43. — 2 с.
33. Пат. 2156838, МКИ 7 C 25 D 15/00. Способ получения композиционных металлоалмазных покрытий / Е.В. Никитин, Л.А. Поляков, Н.А. Калугин. - № 99108896/02, Заявл. 21.04.1999; Опубл. 27.09.2000. – 2000. – 6 с.
34. Тимошков Ю.А., Молчан И.С., Ореховская Т.И., Курмашёв В.И. Механизм формирования электролитических композиционных покрытий содержащих ультрадисперсные частицы // Известия Белорусской инженерной академии. - 1998. - № 2(6)/2. - С. 184-187.