CC BY
56
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дшпропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2013, вип. 5 (47)
МАТЕР1АЛОЗНАВСТВО
УДК 669.248.058.7
В. О. ЗАБЛУДОВСЬКИЙ1, В. В. ДУДК1НА1*, Е. П. ШТАПЕНКО1
1Каф. «Ф1зика», Дшпропетровський нацюнальний ушверситет затзничного транспорту iMeHi академжа В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дшпропетровськ, Укра1на, 49010, тел. +38 (056) 373 15 23, +38 (056) 373 15 86, ел. пошта shtapenko@rambler.ru
1 Каф. <^зика», Днiпропeтровський нацюнальний ушверситет залiзничного транспорту iмeнi академжа В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дшпропетровськ, Укра!на, 49010, тел. +38 (056) 373 15 23, +38 (056) 373 15 86, ел. пошта dudkina2@ukr.net
ВПЛИВ ЛАЗЕРНОГО ВИПРОМ1НЮВАННЯ НА СТРУКТУРУ Й МЕХАН1ЧН1 ВЛАСТИВОСТ1 КОМПОЗИЦ1ЙНИХ ЕЛЕКТРОЛ1ТИЧНИХ Н1КЕЛЕВИХ ПОКРИТТ1В
Мета. Дослвдження впливу лазерного випромшювання на структуру й мехашчш властивосп електрооса-джених композицшних шкелевих покритпв, що м1стять ультрадисперсш алмази. Методика. Електрооса-дження пл1вок шкелю здшснювали з1 стандартного розчину з додаванням ультрадисперсних алмаз1в (УДА) на лазерно-електролтшчнш установщ, побудованш на баз1 газорозрядного СО2-лазера. Мехашчш випробу-вання покритпв на зносостшшсть виконувалися на машиш 1з зворотно-поступальним рухом зразшв в умо-вах сухого тертя об сталь. Спектральний м1кроанал1з елементного складу границ розд1лу пл1вка-шдкладка здшснювався на растровому електронному мжроскош РЕММА-102-02. Результата. Дослщження шкелевих покритпв, модифжованих ультрадисперсними алмазами й електроосаджених в умовах зовшшньо! стимуляцп лазерним випромшюванням, показали залежшсть структури й мехашчних властивостей композицшних електролггачних покритпв, а також як1сного й шльшсного розпод1лу сшвосадженого наноалмазу ввд способу електроосадження. Наукова новизна. Встановлено вплив лазерного випромшювання на процес сшвосадження УДА, що тдвищуе м1кротверд1сть 1 зносостшшсть електрол1тичних шкеле-вих покритпв. Практична значимiсть. Лазерно-стимульоване електроосадження композицшних електроль тичних шкелевих покритпв е ефективним методом локального шдвищення зносостшкосл металевих покритпв, що забезпечуе довгов1чшсть збереження експлуатацшних (функцюнальних) властивостей поверхш.
Ключовi слова: композицшш електролггичш покриття; ультрадисперсш алмази; лазерне випром1нюван-ня; структура; мехашчш властивосп
Вступ
1снуе безл1ч способ1в змщнення поверхш з метою збшьшення ресурсу роботи механ1зм1в, деталей та пар тертя, зокрема х1м1ко-терм1чна обробка або р1зн1 методи нанесення покритпв. Один з вщомих способ1в покращення мехашч-них властивостей поверхш - !! електрол1тична модифшащя осадженням металево! пл1вки з необхщними експлуатацшними параметрами, найбшьш важливими з яких е твердють та зно-состшюсть. Однак пл1вки метатв i сплав1в за
сво!ми фiзико-хiмiчними властивостями часто не вiдповiдають шдвищеним вимогам сучасно! тeхнiки. Вирiшити проблему змщнення повер-хнi можливо за допомогою модифшаци металево! матриц частинками дисперсно! фази з отриманням композицшних електрол^ичних покриттiв (КЕП). Вщомо, що введення твердих дисперсних частинок (ультрадисперсних алма-зiв (УДА)) в електролггичш покриття пiдвищуе !х м^ротвердють i зносостшюсть. Причини цього - зменшення розмГрГв кристалiв осаджу-
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2013, вип. 5 (47)
ваного металу 1 наявн1сть у покритп надтвер-дих частинок [1-3, 15].
Анатз наукових праць [10, 12-16] показав, що методами впливу на процес сшвосадження металевих пл1вок з УДА е застосування в про-цес електроосадження ультразвукового або мехашчного перемшування розчину електрол1-ту. Внаслщок тако! активаци процесу електроосадження тверд1 дисперсш частинки, яю ма-ють масу 1 швидюсть, що зумовлеш перемшу-ванням розчину електрол1ту, у про-цес сшво-садження забезпечують бшьшу кшь-юсть центр1в кристал1заци 1 др1бнозернисту структуру покритпв.
У цш статп розглядаеться лазерно-стимульований метод електроосадження (ЛСЕО) композицшних шкелевих електрол1ти-чних покритпв.
Мета
Мета роботи полягала в дослщженш впливу лазерного випромшювання на структуру й ме-хашчш властивосп електроосаджених композицшних шкелевих покритпв, що мютять ульт-радисперсш алмази.
Методика
Для дослщження використовували стандар-тний сульфатний електрол1т такого складу: N12804 - 300 г/л, Н3ВО3 - 30 г/л, N2804 -50 г/л, рН - 5. Концентращю (п) УДА у водному розчиш електрол1ту змшювали в д1апазош вщ 2 до 15 г/л. Електроосадження композицшних шкелевих покритпв виконували за потен-щостатичного режиму (при постшному задано-му значенш катодного потенщалу Е = - 1,06 В) 1 зовшшнього впливу випромшювання газороз-рядного СО2-лазера, що генеруе в безперервно-му режим1 на довжиш хвит р1внш 10,6 мкм при потужносп 25 Вт. Для пор1вняння оса-дження покритпв також виконували за допомо-гою постшного струму густиною вщ 100 до 300 А/м2. Характерною властивютю водного розчину електрол1ту шкелювання е низька се-диментацшна стшкють, що призводить до нерь вном1рного розподшу частинок наноалмазу в металевш матрищ. Для виршення ще! про-блеми в процес електроосадження покритпв за допомогою постшного струму було застосова-но мехашчне перемшування водного розчину
електрол1ту. Металограф1чш дослщження виконували за допомогою оптичного мшроскопа М1М-8М. Мшротвердють покриття вим1рювали на мшротвердом1р1 ПМТ-3. Елементний склад поверхш покриття визначали мшрорентгенос-пектральним анал1зом за допомогою растрового електронного мшроскопа РЕММА-102-02 з роздшьною здатнютю 5 нм. Вмют { розподш ультрадисперсного алмазу визначали за лшями вуглецю (С) характеристичного рентгешвсько-го випромшювання. Для дослщження фазового складу й структури пл1вок шкелю використовували рентгешвське обладнання - дифракто-метр ДР0Н-2.0 1з застосуванням сцинтиляцш-но! реестрацп рентгешвських промешв. Зйомка на фазовий склад шкелевих пл1вок здшснюва-лася в монохроматизованому Си Ка-випро-мшюванш. Мехашчш випробування покритпв на зносостшкють виконувалися на машиш 1з зворотно-поступальним рухом зразюв при швидкосп 0,32 м/с в умовах сухого тертя об сталь 45 за ДСТУ 1050-74 при навантаженш 177 г за ДСТУ 23.204-78.
Результати
Дослщження зразюв шкелевих покритпв, що мютять алмази, показали залежнють структури осаджуваного покриття вщ складу елект-рол1ту й режиму електроосадження. Щд час металограф1чних дослщжень шкелевих покритпв з додаванням УДА, осаджених за допомогою постшного струму без перемшування водного розчину електрол1ту, спостершаеться утворення розвиненого рельефу ¡з слщами по-верхневих дефекпв (штингу) (рис. 1, а; 2, а).
Використання мехашчного перемшування водного розчину електрол1ту при незмшних режимах електроосадження й концентраци УДА дозволило отримати композицшш елект-рол1тичш шкелев1 покриття з меншою кшькю-тю поверхневих дефекпв, для яких характерне утворення однорщно! 1 р1вном1рно! по всш поверхш зразка структури (рис. 1, б; 2, б).
При потенщостатичному лазерно-стиму-льованому режим1 осадження композицшних шкелевих покритпв вщбуваеться подр1бнення зерен покриття, в обласп опромшення покриття мае згладжену поверхню (рис. 3, а). При переход1 вщ зони опромшення до неопромшю-вано! обласп зразка шорсткють поверхш зб1-льшуеться (рис. 3, б).
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дшпропетровського нацюнального ушверситету затзничного транспорту, 2013, вип. 5 (47)
Рис. 1. Морфолопя поверхш композицшних електролггачних шкелевих покритпв, осаджених при } = 100 А/м2, п(УДА) = 2 г/л: а - без перемшування розчину; б - з перемшуванням розчину (X 900)
а
б
Рис. 2. Морфолопя поверхш композицшних електролггачних шкелевих покритпв, осаджених при } = 300 А/м2, п(УДА) = 15 г/л: а - без перемшування розчину; б - з перемшуванням розчину (X 900)
б
Рис. 3. Морфолопя поверхш композицшних електролггачних шкелевих покритпв, осаджених при лазерно-стимульованому режиму «(УДА) = 15 г/л: а - у зош опромшювання; б - поза зоною опромшювання (X 900)
На рис. 4, а наведено дифрактограму порошку УДА, на якш наявш дифракцшш макси-муми алмазно! фази вуглецю без домшок. Анатз рентгенограм композицшних електрол> тичних шкелевих покритпв (рис. 4, б-д) свщ-чить про те, що дифракцшш максимуми, як вщповщають алмазнш фаз! вуглецю, наклада-ються на лшп, що в!дпов!дають кристал!чн!й фаз! електрол!тичного н!келю, а це ускладнюе визначення сшввщношення наноалмазу й шке-лю в покритт! ! визначае необхщнють досл1-джень елементного складу. У покриттях з чистого шкелю спостершаеться переважна ор1ен-тац!я кристалтв у напрямку (111) (рис. 4, б)
! формуеться акс1альна текстура росту ¿з крис-талограф1чними ¿ндексами [111]. Уведення УДА не привело до змши фазового складу КЕП (рис. 4, в-д), але на дифрактограмах спостерша-еться перерозподш штенсивносп лшш, що св1-дчить про формування в покриттях, електро-осаджених з водного розчину електрол1ту за допомогою постшного струму, подвшно! акс1а-льно! текстури: [111] + [100] при «(УДА) = 2 г/л (рис. 4, в) { [111] + [110] при «(УДА) = 15 г/л (рис. 4, г). При потенцюстатичному лазерно-стимульованому режим1 електроосадження в пл1вках шкелю, що мютять ультрадисперсш алмази, формуеться подвшна акс1альна текстура: [110] + [111] (рис. 4, д).
Металограф1чш дослщження композицшних шкелевих електрол1тичних покритпв з дода-ванням УДА показали, що за вщсутност руху частинок УДА, який забезпечуеться перемшуванням розчину електрол1ту, структура покриття формуеться бшьш крупнокристатчною (рис. 5, а). У результат! перемшування водного розчину електрол1ту спостершаеться зменшен-ня розм1ру зерна (рис. 5, б), що пояснюеться швидшим шдведенням юшв до поверхш катода, внаслщок чого утворюеться бшьша кшь-юсть центр1в кристал1заци. При лазерно-стимульованому потенцюстатичному режим1 електроосадження вщбуваеться збшьшення гу-стини струму, значення якого при нормуванш на режим осадження при постшному струм1 без лазерного випромшювання вщповщае бшьш вщ'емному значенню катодного потенщалу (Е = - 1,12 В). Кр1м того, згщно з роботами [4-9, 11] тверд1 дисперсш частинки, як перебу-вають у товщ1 рщини й мають пор1вняно з роз-чином електролпу бшьший показник залом-лення та змщеш щодо св1тлового пучка, руха-ються не тшьки в напрямку променя, але також за напрямом до центру променя, де штенсив-шсть св1тла е максимальною. Звщси можна зробити висновок, що юнуе не тшьки сила, спрямована вздовж променя, але й поперечна сила, яка спрямовуе частинки до центру св1тло-вого променя, що пояснюе збшьшення швидко-ст зародкоутворення й формування бшьш др> бнокристал1чно! структури (рис. 5, в).
б
а
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету зашзничного транспорту, 2013, вип. 5 (47)
1 0 20
С-А(220
70 8 0
Рис. 4. Дифрактограми:
а - УДА; постшний струм: б - N1; в - N1 + УДА (п = 2 г/л); г - N1 + УДА (п = 15 г/л); лазерно-стимульований режим: д - N1 + УДА (п = 15 г/л)
Рис. 5. Композицшш електролггичш ткелев1 покриття, осаджеш: при постшному струм1 (I = 300 А/м2): а - п(УДА) = 2 г/л без перемшування водного розчину електролту; б - п(УДА) = 15 г/л з перем1шуванням водного розчину електролту; при лазерно-стимульованому режима в - X = 10,6 мкм, Е = - 1,06 В, п(УДА) = 15 г/л
Пор1вняння результапв мшрорентгеноспек-трального анал1зу зразюв, отриманих за допомогою постшного струму без лазерного випромшювання (рис. 6, а, б), показали, що найбшь-ший вмют вуглецю (наноалмазу) вщм1чений в зразках, електроосаджених при катоднш гус-тиш струму 300 А/м2 з додаванням УДА конце-нтращею 15 г/л 1з застосуванням мехашчного перемшування водного розчину електролпу в процес електроосадження (рис. 6, б). У цих зразках також спостершаеться бшьш однорщ-ний по поверхш розподш вуглецю, проте його кшькюний вмют не перевищуе 0,14 ат. %, але е окрем1 д1лянки, як збагачеш вуглецем до 0,31 ат. % (табл. 1). Мшрорентгеноспектраль-ний анал1з елементного складу КЕП, отриманих при лазерно-стимульованому режим1 електроосадження (рис. 6, в), показав локальне тдви-щення вмюту вуглецю (наноалмазу) в област поверхш плвки, що вщповщае зош опромшю-вання, вщ 0,14 до 0,84 ат. % (див. табл. 1).
Збшьшення концентраци у водному розчиш електролпу частинок дисперсно! фази { вмюту вуглецю в покритп вщповщно, отриманому при лазерно-стимульованому режиш, приводить до формування др1бнокристал1чних бшьш щшьноупакованих покритпв, що визначило шдвищення мехашчних характеристик КЕП.
а
а
I 1Шр/5
С-А(111)
2 е
б
в
г
д
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2013, вип. 5 (47)
При формуванш нiкелевих покриттiв, яю мю-тять алмази, при катоднш густинi струму 100 А/м2 iз збiльшенням концентраци УДА у водному розчиш електролiту вiд 2 до 15 г/л мшротвердють покриттiв зростае вiд 1 800 до 2 200 МПа. Зростання густини струму вщ 100 до 300 А/м2 приводить до збшьшення мш-ротвердосп покриттiв шкель-УДА вiд 2 200 до 2 700 МПа.
Таблиця 1
Залежшсть елементного складу поверхш композицшних електролiтичних нiкелевих покритпв вiд режкимпв осаджеммя i концентраци УДА у водному розчимi електрол^у (/ = 300 А/м2)
Режим осадження Мехашчне перемь шування и(УДА), г/л Вмгст, ат. %
Ni C Si S
Пост. струм - 2 99,55 0,10 0,35 -
+ 15 99,48 0,14 0,378 -
98,08* 0,31* 0,79* 0,82*
ЛСЕО - 79,68 0,84 18,98 0,70
Дшянки, збагачен вуглецем.
Необхiдно зауважити, що в результатi бiльш однорiдного розподшу вуглецю по поверхнi зразкiв, електроосаджених при катоднiй густинi струму 300 А/м2 з додаванням УДА концентра-цieю 15 г/л iз застосуванням механiчного пере-мiшування водного розчину електролiту в про-цесi електроосадження, приводить до бшьш постiйного по поверхш зразюв значення мшро-твердосп покриття, про що свiдчать результати залежност мiкротвердостi при скануваннi поверхш композицшних нiкелевих електрол^ич-них покритпв з кроком 2 мм (рис. 7, крива 2). При лазерно-стимульованому режимi електроосадження спостершаеться локальне шдвищен-ня мiкротвердостi плiвок нiкелю (рис. 7, крива 1), що пояснюеться збiльшенням вмiсту наноалмазу в покриттi (табл. 1).
2500
2000
i,—!
V
/ v
■ '
/ " N
\„
10 x, мм
20
Рис. 6. Мжрорентгеноспектральний анал1з композицшних електролггачних шкелевих покритпв, осаджених: при постшному струм1 (/ = 300 А/м2) а - «(УДА) = 2 г/л без перемшування водного розчину електролиу; б - «(УДА) = 15 г/л з перем1шуванням водного розчину електролиу; при лазерно-стимульованому режима в - X = 10,6 мкм, Е = - 1,06 В, «(УДА) = 15 г/л
Рис. 7. Залежносп мжротвердосп композицшних шкелевих електролггичних покриттiв, осаджених: при постшному CTpyMi j = 300 А/м2, «(УДА) = 15 г/л: 1 - без перемшування розчину; 2 - з перемшуван-ням розчину; при лазерно-стимульованому режима 3 - I = 10,6 мкм, Е = - 1,06 В, «(УДА) = 15 г/л
Збшьшення вмюту УДА в пл1вках шкелю сприяе шдвищенню зносостшкосп покритпв (табл. 2). Покриття шкелю, електроосаджеш з1 стандартного сульфатного електролиу без додавання УДА, за 5 годин зносу на машиш з1 зворотно-поступальним рухом зразюв в умо-вах сухого тертя об сталь 45 за ДСТУ 1050-74 при навантаженш 177 г втрачае 10 % свое! ма-си, при додаванш в розчин електролпу УДА концентращею 2 г/л - 6... 8 %, концентращею 15 г/л - 3...5 %, а покриття, отримаш при ЛСЕО, - 1.2 %.
0
5
15
а
б
в
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету зашзничного транспорту, 2013, вип. 5 (47)
Таблиця 2
Залежшсть зносу поверхш композицшних елект-ролiтичних нiкелевих покритпв в1д режимпв оса-дження i концентраци УДА у водному розчинi електролiту при навантаженш 177 г
Режим осадження Серед. знос, мг/год
I, А/м2 Мехашчне перемшу-вання п(УДА), г/л
Пост. 300 - 2 1,8
струм 300 + 15 1,0
ЛСЕО 300-700 - 0,4
Таким чином, дослщження шкелевих покритпв, модифшованих ультрадисперсними алмазами, показали залежшсть структури й мехашчних властивостей КЕП, а також яюсного й кшьюсного розподшу сшвосадженого наноалмазу вщ способу електроосадження.
Наукова новизна та практична значимкть
Встановлено вплив лазерного випромшювання на процес сшвосадження УДА, що шд-вищуе мшротвердють { зносостшюсть електро-лпичних шкелевих покритпв.
Лазерно-стимульоване електроосадження композицшних електрол1тичних шкелевих покритпв е ефективним методом локального шдвищення зносостшкосн металевих покритпв, що забезпечуе довгов1чшсть збереження екс-плуатацшних (функцюнальних) властивостей поверхш.
Висновки
Зпдно з результатами мшрорентген-спектрального анал1зу та дослщжень мехашч-них властивостей композицшних електрол1тич-них шкелевих покритпв застосування лазерного випромшювання в процес електроосадження забезпечуе суттеве шдвищення експлуата-цшних (функцюнальних) властивостей поверхш. Так, уведення УДА в розчин електро-лпу при лазерно-стимульованому режим1 електроосадження привело до отримання покритпв з бшьшою концентращею УДА у 2,7 разу. Збшьшення вмюту вуглецю (наноалмазу) в по-
критп, отриманому при лазерно-стимульова-ному режиму привело до формування др1бно-кристал1чних бшьш щшьноупакованих покритпв, що визначило шдвищення мехашчних характеристик КЕП: мшротвердють зросла у 1,7 разу, знос зменшився у 1,6 разу.
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Буркат, Г. К. Ультрадисперсные алмазы в гальванотехнике / Г. К. Буркат, В. Ю. Долматов // Физика твердого тела. - 2004. - № 4. -С. 685-692.
2. Долматов, В. Ю. Ультрадисперсные алмазы детонационного синтеза как основа нового класса композиционных металл-алмазных гальванических покрытий / В. Ю. Долматов, Г. К. Буркат // Сверхтвердые материалы. -2000. - № 1. - С. 84-95.
3. Долматов, В. Ю. Ультрадисперсные алмазы детонационного синтеза / В. Ю. Долматов. -СПб : Изд-во СПБГПУ, 2003. - 344 с.
4. Дудкина, В. В. Адгезионная прочность никелевых и цинковых покрытий с медной основой, электроосажденных в условиях внешней стимуляции лазерным излучением / В. В. Дудкина // Наука та прогрес трансп. Вюн. Дншропетр. нац. ун-ту 1м. акад. В. Лазаряна. - 2013. -№ 2 (44). - С. 83-90.
5. Дудкина, В. В. Локальное лазерно-стимулированное электроосаждение никеля / В. В. Дудкина, В. А. Заблудовский // Вюн. Дншропетр. нац. ун-ту 1м. акад. В. Лазаряна. -Д., 2010. - Вип. 31. - С. 262-265.
6. Дудкша, В. В. Вплив лазерного випром1ню-вання на процес електроосадження пл1вок т-келю / В. В. Дудкша, В. О. Заблудовський, Е. П. Штапенко // Ф1зика 1 х1м1я твердого тша. - 2011. - № 2. - С. 332-336.
7. Заблудовский, В. А. Скорости образования и роста поверхностных зародышей при лазер-но-стимулированной электрокристаллизации никелевых покрытий / В. А. Заблудовский, В. В. Дудкина // Металлофизика и новейшие технологии. - 2010. - № 6. - С. 757-763.
8. Заблудовский, В. А. Структура и свойства никелевых пленок электроосажденных при лазе-рно-стимулированном потенциостатическом режиме / В. А. Заблудовский, В. В. Дудкина // Металлофизика и новейшие технологии. -2012. - № 1. - С. 77-86.
9. Заблудовський, В. О. Вплив лазерного випро-мшювання на шнетику процесу електрокрис-тал1зацп пл1вок шкелю 1 цинку / В. О. Заблудовський, В. В. Дудкша // Ф1зика 1 х1м1я твердого тша. - 2013. - № 4. - С. 898-902.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2013, вип. 5 (47)
10. Исследование свойств хром-алмазных покрытий на основе детонационных наноалмазов различных производителей / Г. К. Буркат,
B. Ю. Долматов, E. Osawa, Е. А. Орлова // Сверхтвердые материалы. - 2010. - № 2. -
C. 43-59.
11. Эшкин, А. Давление лазерного излучения / А. Эшкин // Успехи физ. наук. - 1973. - Т. 110, вып. 1. - С. 101-116.
12. Chiganova, G. A. Effect of nanodiamond modification on the characteristics of diamond-containing nickel coatings / G. A. Chiganova, L. E. Mordvinova // Inorganic materials. - 2011. -Vol. 47, № 7. - Р. 717-721.
13. Codeposition mechanism of nanodiamond with electrolessly plated nickel films / Matsubara Hiroshi, Abe Yoshihiro, Chiba Yoshiyuki et al. // Electrochimica Acta. - 2007. - № 52 (9). -Р. 3047-3052.
14. Effects of nano-diamond particles on the structure and tribological property of Ni-matrix nanocomposite coatings / Wang Liping, Yan Gao, Xue Qunji et al. // Materials Science and Engineering: A. - 2005. - Vol. 390, iss. 1-2. -P. 313-318.
15. Preparation and Investigation of Ni-Diamond Composite Coatings by Electrodeposition / He Xiangzhu, Wang Yongxiu, Sun Xin et al. // Nanoscience and Nanotechnologies Letters. -2012. - Vol. 4, № 1. - P. 48-52.
16. Preparation of composite electrochemical nickeldiamond and iron-diamond coatings in the presence of detonation synthesis nanodiamonds / G. K. Burkat, T. Fujimura, V. Yu. Dolmatov et al. // Diamond and related materials. - 2005. -Vol. 14, № 8. - P. 1761-1764.
В. А. ЗАБЛУДОВСКИЙ1, В. В. ДУДКИНА1*, Э. Ф. ШТАПЕНКО1
'Каф. «Физика», Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днепропетровск, Украина, 49010, тел. +38 (056) 373 15 23, +38 (056) 373 15 86, эл. почта shtapenko@rambler.ru
1 Каф. «Физика», Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днепропетровск, Украина, 49010, тел. +38 (056) 373 15 23, + 38 (056) 373 15 86, эл. почта dudkina2@ukr.net
ВЛИЯНИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА СТРУКТУРУ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИХ НИКЕЛЕВЫХ ПОКРЫТИЙ
Цель. Исследование влияния лазерного излучения на структуру и механические свойства электроосаж-денных композиционных никелевых покрытий, содержащих ультрадисперсные алмазы. Методика. Электроосаждение пленок никеля проводили из стандартного раствора с добавкой ультрадисперсных алмазов (УДА) на лазерно-электролитической установке, построенной на базе газоразрядного СО2-лазера. Механические испытания покрытий на износостойкость выполнялись на машине с возвратно-поступательным движением образцов в условиях сухого трения о сталь. Спектральный микроанализ элементного состава границы раздела пленка-подложка выполнялся на растровом электронном микроскопе РЕММА-102-02. Результаты. Исследование никелевых покрытий, модифицированных ультрадисперсными алмазами и элек-троосажденных в условиях внешней стимуляции лазерным излучением, показали зависимость структуры и механических свойств композиционных электролитических покрытий, а также качественного и количественного распределения соосажденного наноалмаза от способа электроосаждения. Научная новизна. Установлено влияние лазерного излучения на процесс соосаждения УДА, что повышает микротвердость и износостойкость электролитических никелевых покрытий. Практическая значимость. Лазерно-стиму-лированное электроосаждение композиционных электролитических никелевых покрытий является эффективным методом локального повышения износостойкости металлических покрытий, который обеспечивает долговечность сохранения эксплуатационных (функциональных) свойств поверхности.
Ключевые слова: композиционные электролитические покрытия; ультрадисперсные алмазы; лазерное излучение; структура; механические свойства
HayKa Ta nporpec TpaHcnopTy. BicHHK ^mnponeTpoBctKoro Ha^oH&ntHoro ymBepcureTy 3&ri3HHHHoro TpaHcnopTy, 2013, Bun. 5 (47)
V. A. ZABLUDOVSKYI1, V. V. DUDKINA1*, E. Ph. SHTAPENKO1
1Dep. «Physics», Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryan St., 2, Dnipropetrovsk, Ukraine, 49010, tel. +38 (056) 373 15 23, +38 (056) 373 15 86, e-mail shtapenko@rambler.ru 1 Dep. «Physics», Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryan St., 2, Dnipropetrovsk, Ukraine, 49010, tel. +38 (056) 373 15 23, +38 (056) 373 15 86, e-mail dudkina2@ukr.net
THE INVESTIGATION OF INFLUENCE OF LASER RADIATION ON THE STRUCTURE AND MECHANICAL PROPERTIES OF COMPOSITE ELECTROLYTIC NICKEL COATING
Purpose. Investigation of laser radiation effect on the structure and mechanical properties of electrodeposited nickel composite coatings containing ultrafine diamonds. Methodology. Electrodeposition of nickel films was carried out with the addition of a standard solution of ultrafine diamonds (UFD) on laser-electrolytic installation, built on the basis of the gas-discharge CO2 laser. Mechanical testing the durability of coatings were performed on a machine with reciprocating samples in conditions of dry friction against steel. The spectral microanalysis of the elemental composition of the film - substrate was performed on REMMA-102-02. Findings. Research of nickel coatings and modified ultrafine diamond electrodeposited under external stimulation laser demonstrated the dependence of the structure and mechanical properties of composite electrolytic coating (CEC), and the qualitative and quantitative distribution of nanodiamond coprecipitated from an electrodeposition method. Originality. The effect of laser light on the process of co-precipitation of the UFD, which increases the micro-hardness and wear resistance of electrolytic nickel coatings was determined. Practical value. The test method of laser-stimulated composite electrolytic nickel electrodeposition coating is an effective method of local increase in wear resistance of metal coatings, which provides durability save performance (functional) properties of the surface.
Keywords: electrolytic composite coating; ultrafine diamonds; laser radiation; structure; mechanical properties
REFERENCES
1. Burkat G.K., Dolmatov V.Yu. Ultradispersnyye almazy v galvanotekhnike [The ultra-dispersed diamonds in electroplating]. Fizika tverdogo tela - Solid State Physics, 2004, vol. 46, no. 4, pp. 685-692.
2. Dolmatov V.Yu., Burkat G.K. Ultradispersnyye almazy detonatsionnogo sinteza kak osnova novogo klassa kompozitsionnykh metal-almaznykh galvanicheskikh pokrytiy [The ultra-dispersed diamonds of detonation synthesis as a basis for a new class of composite metal diamond plating coatings]. Sverkhtverdyye materialy -Superhard materials, 2000, no. 1, pp.84-95.
3. Dolmatov V.Yu. Ultradispersnyye almazy detonatsionnogo sinteza [The ultra-dispersed diamonds of detonation synthesis]. Saint Petersburg, SPBGPU Publ., 2003. 344 p.
4. Dudkina V.V. Adgezionnaya prochnost nikelevykh i tsinkovykh pokrytiy s mednoy osnovoy, elek-troosazhdennykh v usloviyakh vneshney stimulyatsii lazernym izlucheniyem [Adhesive strength nickel and zinc coatings with copper base electrodeposited under external stimulation by laser radiation]. Nauka ta prohres transportu. Visnyk Dnipropetrovskoho natsionalnoho universytetu zaliznychnoho transportu imeni akademika V. Lazariana - Science and Transport Progress. Bulletin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, 2013, no. 2 (44), pp. 83-90.
5. Dudkina V.V., Zabludovskiy V.A. Lokalnoye lazerno-stimulirovannoye elektroosazhdeniye nikelya [Local laser-stimulated electrodeposition of nickel]. Visnyk Dnipropetrovskoho natsionalnoho universytetu zal-iznychnoho transportu imeni akademika V. Lazariana [Bulletin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan], 2010, issue 31, pp. 262-265.
6. Dudkina V.V., Zabludovskyi V.O., Shtapenko E.P. Vplyv lazernoho vyprominiuvannia na protses elek-troosadzhennia plivok nikeliu [The effect of laser radiation on the process of electrodeposition of nickel films]. Fizyka i khimiia tverdoho tila - Physics and Chemistry of Solids, 2011, vol. 12, no. 2, pp. 332-336.
7. Zabludovskiy V.O., Dudkina V.V. Skorosti obrazovaniya i rosta poverkhnostnykh zarodyshey pri lazerno-stimulirovannoy elektrokristallizatsii nikelevykh pokrytiy [Formation and growth rate of surface nucleation in laser-stimulated electrocrystallisation nickel coatings]. Metallofizika i noveyshiye tekhnologii - Physics of Metals and the Advanced Technologies, 2010, vol. 32, no. 6, pp. 757-763.
8. Zabludovskiy V.O., Dudkina V.V. Struktura i svoystva nikelevykh plenok elektroosazhdennykh pri lazerno-stimulirovannom potentsiostaticheskom rezhime [The structure and properties of electrodeposited nickel films
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2013, вип. 5 (47)
in laser-stimulated potentiostatic mode]. Metallofizika i noveyshiye tekhnologii - Physics of Metals and the Advanced Technologies, 2012, vol. 34, no. 1, pp. 77-86.
9. Zabludovskyi V.O., Dudkina V.V. Vplyv lazernoho vyprominiuvannia na kinetyku protsesu elektrokrystalizat-sii plivok nikeliu i tsynku [The effect of laser radiation on the kinetics of the process electrocrystallisation films of nickel and zinc]. Fizyka i khimiia tverdoho tila - Physics and Chemistry of Solids, 2013, vol. 13, no. 4, pp. 898-902.
10. Burkat G.K., Dolmatov V.Yu., Osawa E., Orlova E.A. Issledovaniye svoystv khrom-almaznykh pokrytiy na osnove detonatsionnykh nanoalmazov razlichnykh proizvoditeley [Investigation of properties of chromium-diamond coatings based on detonation nanodiamonds of different manufacturers]. Sverkhtverdyye materialy -Superhard materials, 2010, no. 2, pp. 43-59.
11. Eshkin A. Davleniye lazernogo izlucheniya [Pressure laser]. Uspekhi fizicheskikh nauk - Advances of Physical Sciences, 1973, vol. 110, issue 1, pp. 101-116.
12. Chiganova G.A., Mordvinova L.E. Effect of nanodiamond modification on the characteristics of diamond containing nickel coatings. Inorganic materials, 2011, vol. 47, no. 7, pp. 717-721.
13. Matsubara Hiroshi, Abe Yoshihiro, Chiba Yoshiyuki, Nishiyama Hiroshi, Saito Nobuo, Hodouchi Kazunori, Inoue Yasunobu . Electrochimica Acta, 2007, no. 52 (9), pp. 3047-3052.
14. Wanga Liping, Gao Yan, Xue Qunji, Liu Huiwen, Xu Tao. Effects of nano-diamond particles on the structure and tribological property of Ni-matrix nanocomposite coatings. Materials Science and Engineering: A, 2005, vol. 390, issue 1-2, pp. 313-318.
15. He Xiangzhu, Wang Yongxiu, Sun Xin, Huang Liyong. Preparation and Investigation of Ni-Diamond Composite Coatings by Electrodeposition. Nanoscience and Nanotechnologies Letters, 2012, vol. 4, no. 1, pp. 48-52.
16. Burkat G.K., Fujimura T., Dolmatov V.Yu., Orlova E.A., Veretennikova M.V. Preparation of composite electrochemical nickel-diamond and iron-diamond coatings in the presence of detonation synthesis nanodiamonds. Diamond and related materials, 2005, vol. 14, no. 8, pp. 1761-1764.
Стаття рекомендована до публтацп д.т.н., проф. I. О. Вакуленком (Украта); д.фiз.-мат.н.,
проф. В. В. Клименком (Украта)
Надшшла до редколегп 20.08.2013
Прийнята до друку 06.09.2013
