CC BY
96
УДК 621.357.7, 539.21
ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ КОМПОЗИЦИОННЫХ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ, УПРОЧНЕННЫХ УГЛЕРОДНЫМИ НАНОМАТЕРИАЛАМИ
О.Д. Козенков, Т.В. Пташкина, А.Т. Косилов, Д.Г. Жиляков
Исследована износостойкость композиционных электрохимических покрытий с никелевой матрицей, упрочненных углеродными нанотрубками или ультрадисперсными алмазами. Покрытия были получены в процессе электролитического осаждения из соответствующих суспензий углеродных наноматериалов в диспергирующей среде на основе электролита никелирования. Установлено, что при увеличении концентрации наночастиц в суспензии износостойкость композиционных электрохимических покрытий сначала увеличивается в 2-3 раза пропорционально концентрации, достигает максимального значения, затем плавно незначительно снижается. Экспериментальные результаты обсуждены в рамках модели дисперсного упрочнения. Более низкие значения износостойкости, полученные для КЭП, никелевая матрица УНТ связаны с геометрией дисперсных частиц углеродных наноматериалов
Ключевые слова: композиционные электрохимические покрытия, никелевая матрица, углеродные наноматериа-лы, углеродные нанотрубки, ультрадисперсные алмазы, суспензии углеродных наноматериалов, износ, износостойкость, дисперсное упрочнение
Развитие современной науки, техники и технологии требует создания новых материалов, с особыми, наперед заданными свойствами, превосходящими обычные механические свойства традиционных конструкционных материалов. Актуальной задачей для различных отраслей промышленности является повышение износостойкости деталей нанесением на их поверхность композиционных электрохимических покрытий (КЭП). Такие материалы находят все большее применение в авиастроении, космической технике и прочих отраслях машиностроения [1].
Проблеме повышения эксплуатационных характеристик материалов в том числе и композиционных электрохимических покрытий уделяется достаточно много внимания. Однако, в большинстве случаев, если говорить о композиционных электрохимических покрытиях, из рассмотрения выпадает процесс формирования КЭП в связи с состоянием суспензии, технологическими параметрами нанесения КЭП и их свойствами. Изучение нанострукту-рированных композиционных материалов в связи с технологическими параметрами их получения необходимо, для понимания элементарных стадий, сопровождающих процесс создания КЭП, и управления их свойствами.
В данной работе проведено изучение износостойкости КЭП с никелевой матрицей, содержащих ультрадисперсные алмазы (УДА) или углеродные нанотрубки (УНТ). КЭП были получены в процессе электрохимического осаждения из суспензий УДА или УНТ созданных в диспергирующей среде на основе водного раствора электролита никелирования.
Козенков Олег Дмитриевич - ВГТУ, канд. физ.-мат. наук, доцент, e-mail: [email protected] Пташкина Татьяна Владимировна - ВГТУ, инженер-исследователь, e-mail: [email protected] Косилов Александр Тимофеевич - ВГТУ, д-р физ.-мат. наук, профессор, тел. 8(473) 2466647 Жиляков Дмитрий Геннадьевич - ВГТУ, канд. физ.-мат. наук, доцент, тел. 8(473)246-66-47
Изнашивание можно рассматривать как разновидность усталостного разрушения, то есть как разрушение и отделение частиц материала с поверхности твердого тела в результате накопления остаточной деформации при трении, проявляющееся в постепенном изменении размеров и (или) формы тела. Износ - это результат изнашивания, а износостойкость - способность материала сопротивляться изнашиванию, оцениваемая величиной, обратной скорости износа или интенсивности изнашивания [2].
Механизмы, величина и интенсивность износа определяются большим числом различных факторов, на пример:
- внешние механические воздействия:
характер движения контактирующих тел (трение, удары, течение), величина нагрузки, скорость перемещения, локальное повышение температуры в месте контакта;
- физико-химическое воздействие среды;
- свойства материалов пар трения.
Виды изнашивания можно классифицировать следующим образом:
- допустимое (нормальное изнашивание):
нормальное окислительное изнашивание; нормальное изнашивание некислородного происхождения; окислительное абразивное изнашивание;
- недопустимое (повреждаемость):
схватывание I рода - холодный задир; схватывание II рода - горячий задир; фретинг-процесс; абразивная повреждаемость; контактная усталость -накопление повреждений и разрушение поверхности под действием циклических контактных нагрузок; коррозия, кавитация, эрозия, смятие и др.
Методы испытаний на износ, которые обычно моделируют реальные условия эксплуатации детали или механизма, многочисленны. Результаты испытаний разными методами по этой причине обычно несопоставимы между собой, поскольку в них чаще всего реализуются разные механизмы изнашивания, используются разные механические воздействия и рабочие среды.
Испытания, проведенные в данной работе, относятся к нормальному окислительному абразивному изнашиванию.
Введение в металлическую матрицу мелкодисперсных твердых частиц УДА или УНТ повышает твердость материала КЭП. Но износ - это сложный физико-химический процесс и сведение увеличения износостойкости только к повышению твердости материала было бы не правильно. В процессе износа важен комплекс физико-химических характеристик материала, таких как: концентрация частиц в металлической матрице, наличие или отсутствие взаимодействия частиц с металлической матрицей, изменение структуры КЭП, прежде всего размеров кристаллитов и пористости покрытия, изменение механических свойств КЭП из-за ведения частиц в металлическую матрицу (упрочнение, разупрочнение, охрупчивание и т.п.).
Образцы никелевых КЭП с углеродными на-ночастицами готовились в процессе гальванического осаждения покрытия из электролита никелирования, представляющего собой суспензию УДА или УНТ в диспергирующей среде на основе водного раствора электролита. Для создания суспензии использовался сернокислый электролит никелирования с добавлением дисперсных частиц УДА или УНТ, концентрация которых составляла С = 0-5 г/л. Для получения качественных суспензий электролит с навеской УДА или УНТ подвергался ультразвуковому воздействию в течение 10 мин. В качестве источника ультразвуковых колебаний использовалась ультразвуковая ванна марки YX 9050. В процессе приготовления суспензий поддерживалась постоянная температура тающего льда 0 °С для предотвращения ее разогрева и возможной коагуляции. Методика приготовления суспензий УДА и УНТ и используемые материалы подробно описаны в работах [3, 4].
Никелевые КЭП наносились на стальные подложки в процессе электролитического осаждения из подготовленных суспензий при плотностях тока j = 2-6 А/дм2.
Для оценки механических свойств КЭП с никелевой матрицей и частицами УДА или УНТ были проведены испытания на износостойкость покрытий.
Испытания проводились на шлифовально-полировальном станке МР-2В при постоянной нагрузке Р = 200 г и фиксированной линейной скорости движения абразива относительно образца. Схема испытаний на износ показана на рис. 1.
Для проведения эксперимента использовалась наждачная бумага Р 2500. Радиус круга, на котором проводились испытания, R = 10 см. Частота вращения круга V = 0,5 Гц. Все образцы подвергались истиранию в течение 35 минут. Замер изменения толщины производился через 2, 4, 6, 8, 10, 15, 20, 25, 30 и 35 минут. Концентрация УДА или УНТ в суспензии на основе электролита никелирования составляла: 0 г/л, 0,5 г/л, 1 г/л, 3 г/л и 5 г/л.
На рис. 2, 3 представлены экспериментальные результаты определения износостойкости никелевых
КЭП с УДА и УНТ в зависимости от технологических условий их получения.
На рис. 2 показана экспериментальная зависимость износостойкости никелевого КЭП от концентрации частиц УДА или УНТ в суспензии на основе водного раствора электролита никелирования.
Рис. 1. Схема испытаний КЭП на износ. Р - постоянная по величине нагрузка, 1 - образец, 2 - шлифовальный круг
На рис. 3 показана экспериментальная зависимость износостойкости никелевых КЭП от концентрации частиц УДА или УНТ в покрытии.
Как видно характер зависимости на рис. 3 коррелирует с данными представленными на рис. 2. Кроме того, отсутствует прямая пропорциональная зависимость между концентрацией частиц УДА или УНТ в КЭП и износостойкостью.
Как видно из рис. 2 а, износостойкость КЭП с УДА растет в интервале концентраций УДА в электролите от 0 до 2 г/л и при концентрации ~ 2 г/л достигает максимального значения.
При концентрациях частиц УДА в КЭП от 2 до 4 об. % в зависимости от плотности тока износостойкость максимальна (рис. 3 а).
При повышении концентрации частиц УНТ в суспензии износостойкость сначала повышается в интервале концентраций от 0 до 1 г/л (в зависимости от плотности тока), затем незначительно снижается (рис. 2 б).
Максимальная износостойкость достигается при плотности тока 2 - 4 А/дм2 и концентрации частиц УНТ в водной суспензии на основе никелевого электролита до 2 г/л, что соответствует 4 об. % частиц в покрытии (рис. 3 б).
Как следует из экспериментальных результатов износостойкость КЭП никелевая матрица с дисперсными частицами УДА существенно выше, чем КЭП никелевая матрица с УНТ. Это может быть связано с различной геометрией дисперсных частиц УДА и УНТ. Частицы УДА - это равноосные кристаллы алмазов, а частицы УНТ - вытянутые в одном направлении образования, которые зачастую переплетены между собой и могут образовывать достаточно крупные агломераты.
„ 1100
s 1000
?
о У00
л S00
H
CJ 700
и
и « 600
о F- 500
о
О 400
и
о 300
-
со S 200
100
°v
4 5
С, г/л
а
а
б
б
Рис. 2. Зависимость износостойкости КЭП с никелевой матрицей от концентрации частиц в суспензии при различных плотностях тока: 1 - 2 А/дм2, 2 - 4 А/дм2, 3 - 6 А/дм2. а - Ni-УДА, б - Ni-УНТ
По мере роста концентрации частиц УДА или УНТ в никелевой матрице износостойкость растет, что связано с увеличением концентрации прочных дисперсных частиц углеродных наноматериалов в никелевой матрице. Некоторое снижение износостойкости, при дальнейшем повышении концентрации дисперсных частиц в никелевой матрице, может быть связано с объединением отдельных частиц в агломераты. В таких агломератах отдельные частицы УДА или УНТ не связаны между собой и их скопления, по сути, представляют собой поры в металлической матрице, из которых упрочняющие частицы легко выкрашиваются при приложении истирающей нагрузки. Кроме того, снижение износостойкости при повышении концентрации частиц УДА и УНТ в никелевой матрице может быть связано с огрублением структуры покрытия при внедрении в металлическую матрицу крупных агломератов
Рис. 3. Зависимость износостойкости КЭП с никелевой матрицей от концентрации частиц в покрытии при различных плотностях тока: 1 - 2 А/дм2, 2 - 4 А/дм2, 3 - 6 А/дм2. а - Ni-УДА, б - Ni-УНТ
углеродных материалов с одновременным увеличением пористости КЭП.
Увеличение плотности тока, которое прямо пропорционально скорости роста покрытия, всегда приводило к снижению качества КЭП и к снижению его износостойкости. С увеличением скорости роста покрытия падает его качество и возрастает вероятность включения в КЭП крупных агломератов частиц углеродных материалов.
Известно, что никель хорошо взаимодействует с углеродом. Растворимость углерода в никеле при комнатной температуре достаточно высокая. Кроме того, никель при повышенных температурах вступает во взаимодействие с углеродом с образованием химических соединений [5]. Такое повышенное сродство углерода и никеля обеспечивает дополнительное взаимодействие между дисперсными частицами углеродных наноматериалов и никелевой мат-
рицей, что приводит к дополнительному повышению износостойкости КЭП.
Результаты, полученные в работе, позволяют сделать следующие выводы:
- отработана лабораторная технология получения КЭП с никелевой матрицей и дисперсными частицами УДА или УНТ, позволяющая получать композиционные покрытия в процессе электрохимического осаждения с высоким качеством, и хорошей адгезией;
- исследована зависимость износостойкости никелевых КЭП с УДА или УНТ в зависимости от концентрации дисперсных частиц углеродных наноматериалов в суспензии и в покрытии. Износостойкость КЭП с УДА или УНТ увеличивается с увеличением концентрации частиц в суспензии или в покрытии и с увеличением плотности тока осаждения, но при концентрации частиц в суспензии свыше 2 г/л незначительно снижается.
Экспериментальные результаты, полученные в работе, могут быть полезны при разработке промышленной технологии нанесения на поверхность деталей, работающих в условиях трения, износостойких КЭП на основе металлической матрицы с использованием углеродных наноматериалов в качестве дисперсных упрочняющих частиц.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки в рамках государственного задания на НИР в ФГБОУ ВПО Воронежский государственный технический университет на 2014 г.
Литература
1. Сайфуллин Р.С. Неорганические композиционные материалы. М.: Химия, 1983. 304 с.
2. ГОСТ 23.002-78. Обеспечение износостойкости изделий. Трение, изнашивание и смазка. Термины и определения
3. Козенков, О.Д. Разработка водных суспензий углеродных наноматериалов для электролитов. [Текст] / О.Д. Козенков, В.А.Юрьев, Т.В. Пташкина // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2011. - Т. 7, № 10. - С. 21-24.
4. Козенков, О.Д. Исследование суспензий ультрадисперсных алмазов в диспергирующей среде на основе водных растворов электролитов [Текст] / О.Д. Козенков, Т.В. Пташкина, А.Т. Косилов // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2012. - Т. 8, №. 7.1. - С. 65-69.
5. Кубрак П.Б. Электрохимическое осаждение и свойства композиционных никелевых покрытий, содержащих углеродные наноматериалы [Текст] / П.Б. Кубрак, В.Б. Дроздович, И.М. Жарский и др. // Гальванотехника и обработка поверхностей. - 2012. - Т. XX. - С. 43-49.
Воронежский государственный технический университет
WEAR RESISTANCE COMPOSITE ELECTROCHEMICAL COATINGS HARDENING OF CARBON NANOMATERIALS
O.D. Kozenkov, T.V. Ptashkina, A.T. Kosilov, D.G. Zhilyakov
Studied the wear resistance of composite electrochemical coatings with the nickel matrix, hardened-tion of carbon nano-tubes or ultrafine diamonds. Coatings were prepared in-matic electrolytic deposition of the respective suspensions of carbon nanomaterials in a dispersive medium based on nickel electrolyte. It is found that increasing the concentration of nanoparticles in suspension wear-bone composite electrochemical coating initially increases 2-3 times in proportion to the concentration-tion, reaches a maximum and then gradually decreases slightly. Experimental results on-destined by the model of dispersion hardening. Lower values obtained for the wear resistance of the CEP nor the CNT-nikcel matrix associated with the geometry of the dispersed particles of carbon nanomaterials
Key words: composite electrochemical coatings, nickel matrix nanomaterial carbon, carbon nanotubes, ultra diamonds, suspensions of carbon nanomaterials, wear, wear-bone, dispersion strengthening
