CC BY
33
УДК 621.793
С. В. Водопьянова, Р. С. Сайфуллин, А. С. Фахрутдинова, В. В. Жиляков
ВЛИЯНИЕ ДИСПЕРСНОСТИ Al2O3 НА СВОЙСТВА ПОКРЫТИЙ
С ХРОМОВОЙ МАТРИЦЕЙ
Ключевые слова: Композиционные электрохимические покрытия (КЭП) Cr-A!2O3, наночастицы оксида алюминия, микрочастицы оксида алюминия, толщина покрытий, выход хрома по току, твердость, средний износ покрытия.
Изучено влияние дисперсности частиц оксида алюминия на толщину покрытий, выход хрома по току, твердость и средний износ. Показано, что наночастицы в большей мере оказывают влияние на эти характеристики, чем микрочастицы.
Key words: Composite electrochemical coatings (СЕС) Cr-Cr2O3, aluminum oxide nanoparticles, microparticle aluminum oxide, coating thickness, the output current of chromium, hardness, wear of the coating medium.
The effect of dispersion of alumina particles in the coating thickness, the output current of chromium, hardness and average wear. It has been shown that nanoparticles increasingly affect these characteristics, than microparticles.
Введение
Известна возможность соосаждения инертных мелкодисперсные частиц с металлами при их электроосаждении с получением композиционных покрытий. Хром привлекателен в качестве металлической матрицы по целому ряду причин: в том числе хороших износостойкости и термостойкости. Однако хром из всех электроосажденных металлов обладает наименьшим сродством к веществам дисперсной фазы [1]. Значительный интерес для практики представляют композиции с оксидами и бори-дами, как высокотемпературными материалами.
Среди оксидов, используемых в качестве второй фазы наиболее используемыми являются А12О3, ТЮ2, менее используемый Сг2О3.
Одним из самых важных параметров со-осаждения является размер включаемых в покрытии частиц: чем меньше их размеры, тем равномернее они распределены по матрице и тем более совершенны физические свойства покрытия. Так, материалы с ультрадисперсной структурой, по сравнению с обычными материалами, имеют прочность в 2-3 раза выше. Микротвердость возрастает в несколько раз, растет вязкость разрушения [2].
В работах [3-4] представлены результаты по изучению влияния наночастиц А12О3, на возможность получения композиционных покрытий и их свойства. Показано, что наночастицы А1203 (при концентрации частиц 40, 60 и 80 г/л) оказывают влияние на процесс электровосстановления хрома из хроматного электролита и деполяризуют процесс в области неполного восстановления хрома и образования катодной пленки. Это существенно влияет на структуру получаемого покрытия, которая в свою очередь определяет их эксплуатационные свойства.
Целью данной работы являлось изучение влияния дисперсных частиц А12О3 различной фракции на формирование и свойства Сг-КЭП.
Экспериментальная часть
Покрытия получали из электролита состава, г/дм3 - СгО3 250, И2804 2,5.
В качестве частиц дисперсной фазы использовали А1203 различной дисперсности. Нанопоро-шок - изготовлен в соответствии ТУ 1791-00236280340-2005: 8уд = 21 м /г; средний размер частиц составляет 30 нм. Микропорошок — марки КО-7.
Эксперименты проводились в электролите-суспензии с концентрацией частиц 5 г/л и 10 г/л. До электролиза частицы выдерживались в электролите в течение 1 сут. Покрытия получали при плотности тока 30 А/дм , температурах 50оС и 60оС. Электролиз проводился в течение 1 ч., при постоянном перемешивании суспензии.
В качестве образцов были использованы стальные образцы размером 2x3 сантиметра.
Толщину покрытий определяли гравиметрическим методом в соответствии с ГОСТ 9.302-88.
Выход по току хрома измеряли по методике
[5].
Микротвердость покрытий определяли на приборе ПМТ-3 при нагрузке 50 г в соответствии с ГОСТом 9450-76.
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 1736771. Эталоном служила хромовая поверхность.
Результаты и обсуждение
С целью изучения влияния дисперсности оксида алюминия, были определены оптимальные условия получения КЭП Сг-А12О3.
С целью получения блестящих покрытий, обладающих наибольшей твердостью и износостойкостью процесс электроосаждения хрома проводили при температурах 50оС и 60оС.
Основным показателем этого процесса является выход по току металла. Процесс хромирования, как известно, характеризуется низким выходом хрома по току из-за преимущественного разряда ионов водорода.
В табл. 1 и 2 представлены результаты исследований толщины покрытий и выхода хрома по
току в зависимости от дисперсности частиц и температуры электролиза.
Таблица 1 - Свойства хромовых покрытий в зависимости от концентрации наночастиц в электролите и температуры
Температура, оС 50 60
Концентрация частиц в электролите, г/л 0 5 10 0 10
Толщина покрытий, мкм 16 18 19,5 16,5 22
Выход металла по току, % 12 13,6 15 16,4 18
Таблица 2 - Свойства хромовых покрытий в зависимости от концентрации микрочастиц в электролите и температуры
Температура, оС 50 60
Концентра-
ция частиц в 0 5 10 0 5 10
электролите, г/л
Толщина
покрытий, 16 16,2 16,3 16,5 16,6 16,6
мкм
Выход ме-
талла по то- 12 12 12,2 12,4 12,4 12,4
ку, %
Из табл. 1 и 2 видно, что на электроосаждение хрома оказывает влияние дисперсность частиц и температура получения покрытий.
Время получения покрытий составляло 1 час. Выбирали его с целью изучения влияния концентрации частиц на скорость осаждения и толщину получаемого КЭП. Видно, что наночастицы в большей мере увеличивают толщину по сравнению с микрочастицами. Особенно это заметно с ростом их концентрации. При температуре 50оС и концентрации ДФ 5 г/л толщина составляет 18 мкм, при 10 г/л
- 19,5 мкм по сравнению с контрольным покрытием
- 16 мкм. При повышении температуре до 60 оС и концентрации 10 г/л толщина покрытия увеличивается на 5 мкм.
Полученные результаты позволяют судить о скорость осаждения частиц, она больше с ростом концентрации ДФ и температуры. Известно, чем больше скорость осаждения и температура, тем выше выход металла по току.
Анализ приведенных данных показывает, что чем больше концентрация наночастиц и выше температура, тем выше выход хрома. Максимальный выход хрома по току достигается при концентрации 10 г/л при температуре 50оС - 15%, при температуре 60оС это значение 18%.
При получении покрытий из электролита-суспензии с микрочастицами выход хрома по току
оказывается практически уже независимым от условий процесса и составляет примерно 12%.
Было установлено, что частицы оксида алюминия оказывают влияние на качество получаемых покрытий.
ы
^ПС.нлнп 501 . .V и к ЬП ( НЭНО ШГ.микрп
Рис. 1 - Зависимость твердости покрытий от условий получения
Как известно, твердость покрытий определяется условиями электролиза. При увеличении температуры твердость снижается [6].
Из рис.1 следует, что с увеличение концентрации наночастиц твердость покрытий увеличивается. При 50оС максимальную твердость имеют КЭП, полученные при концентрации 10 г/л - 12,7 ГПа, у контрольных - 7,8 ГПа. Увеличение температуры до 60оС как уже указывалось, несколько снижает твердость, но она выше, чем у покрытий, полученных с микрочастицами оксида алюминия. Так наибольшая твердость при 60оС наблюдается у покрытий, полученных при концентрации наночастиц 10 г/л - 11 ГПа, а у покрытий с микрочастицами -7 ГПа.
Величину износа определяли по потере массы с поверхности образца. Перед испытанием образцы взвешивали на аналитических весах. Испытания проводили на лабораторной установке: образец остается неподвижным, а испытуемый слой истирается жестким диском, вращающимся с большой скоростью. После испытания образцы снова взвешивают. Для проведения опыта основания цилиндрических деталей покрывались хромом толщиной примерно 20 мкм при 50°С. Это условия осаждения блестящих покрытий. Время истирания 15 с.
На рис. 2 представлены результаты испытаний. Как следует из рис. 2, наиболее износостойкими покрытия получаются из электролитов с наноча-стицами. Причем, чем больше концентрация частиц, тем более износостойкие покрытия получаются. Средний износ КЭП с наночастицами при 10 г/л составляет 0,019 мг, с микрочастицами - 0,024 мг, у контрольного покрытия это значение 0,027 мг. Полученные покрытия относятся к блестящим покрытиям, а они, как известно, наиболее износостойкие.
Различия в полученных результатах, несомненно, связаны с дисперсностью частиц оксида алюминия. Чем меньше размеры частиц, тем равномернее они распределяются по матрице и тем более совершенны физические свойства покрытия. Дис-
персность частиц оказывает значительное влияние на процесс электровосстановления хрома, изменяя структуру матрицы.
Рис. 2 - Зависимость среднего износа покрытий в зависимости от дисперсности частиц
Выводы
1. КЭП с матрицей из хрома с наночасти-цами А1203 по эксплуатационным характеристикам превосходят контрольные покрытия и покрытия, полученные с микрочастицами.
2. Наночастицы в большей мере увеличивают толщину по сравнению с микрочастицами в среднем на 4-5 мкм.
3. Максимальный выход хрома по току достигается при концентрации наночастиц 10 г/л при температуре 50оС - 15%, при температуре 60оС
это значение 18%. При получении покрытий из электролита-суспензии с микрочастицами выход хрома по току оказывается практически уже независимым от условий процесса и составляет примерно 12%. о
4. При 50оС максимальную твердость имеют КЭП, полученные при концентрации наноча-стиц 10 г/л - 12,7 ГПа.
5. Средний износ КЭП с наночастицами при 10 г/л составляет 0,019 мг, что на 30% ниже, чем у контрольного покрытия.
Литература
1. Сайфуллин Р. С. Композиционные покрытия и материалы / Р. С. Сайфуллин. -М.: Химия, 1977.-272 с.
2. Тананаев И.В. Физикохимия ультрадисперсных систем / И.В.Тананаев. -М.: Наука, 1987. -230с.
3. Водопьянова С.В. Влияние органической добавки на процесс хромирования с наночастицами А12О3 /С.В. Водопьянова, Г.Г. Мингазова, Р.Е. Фомина. Вестник Казанского технологического университета, Казань, N 11, КГТУ, 2011, С.156-159.
4. Водопьянова С.В. Эксплуатационные характеристики хромовых покрытий с дисперсной фазой нанопорошка оксида алюминия. /С.В. Водопьянова, Р.Е. Фомина, Г.Г. Мингазова. Вестник Казанского технологического университета, Казань, N 12, КГТУ, 2011, С.144-150.
5. Левин А.И. Лабораторный практикум по теоретической электрохимии /А.И.Левин, А.В. Помосов. -М.: Металлургия, 1979. -311с.
6. Гальванические покрытия в машиностроении. Сравоч-ник. В 2-х томах /Под ред. М.А. Шлугера. -М.: Машиностроение, 1985 -Т.1. 1985. -240 с.
© С. В. Водопьянова - канд. хим. наук, доц. каф. технологии неорганических веществ и материалов КНИТУ, уо<1-sveta@yandex.ru; Р. С. Сайфуллин - д-р техн. наук, проф. той же кафедры, rsaif@kstu.ru; А. С. Фахрутдинова - магистр той же кафедры КНИТУ; В. В. Жиляков - канд. техн. наук, доц. каф. ТКМ КНИТУ.
© S. V. Vodop'ijanova - Cand. chem. Sciences, Docent, cathedra technology of inorganic substances and materials, KNRTU, vod-sveta@yandex.ru; R. S. Sayfullin - Prjfessor, Doctor of Science, cathedra technology of inorganic substances and materials, KNRTU; A.C. Fakhrutdinova - master cathedra technology of inorganic substances and materials, KNRTU; V. V. Zhilyakov - Cand. tech. Sciences, Docent, cathedra of Structural Materials, KNRTU.
