Научная статья на тему 'Влияние наночастиц диоксида алюминия на коррозионную стойкость никелевых покрытий'

Влияние наночастиц диоксида алюминия на коррозионную стойкость никелевых покрытий Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
353
136
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ПОКАЗАТЕЛЬ КОРРОЗИИ / НИКЕЛЬ / НАНЧАСТИЦЫ / ДИОКСИД АЛЮМИНИЯ / THE INDEX CORROSION / NICKEL / NANOPARTICLES / ALUMINUM DIOXIDE

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Сайфуллин Р. С., Фомина Р. Е., Мингазова Г. Г., Водопьянова С. В., Григорьева И. О.

Определены составы композиционных электрохимических покрытий. Исследованы коррозионные свойства покрытий, содержащих наночастицы Al2O3 (в сравнении с никелевыми) в 0,5 М HCl и 3 % растворе NaCl. Введение в состав покрытий наночастиц приводит к некоторому улучшению их коррозионных характеристик.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Сайфуллин Р. С., Фомина Р. Е., Мингазова Г. Г., Водопьянова С. В., Григорьева И. О.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Determined the compositions of composite electrochemical coatings. Investigated corrosion properties of coatings containing nanoparticles of Al2O3 (compared to nickel) in 0.5 M HCl and 3% NaCl solution. Introduction to the composition of the coatings of nanoparticles leads to some improvement in their corrosion characteristics.

Текст научной работы на тему «Влияние наночастиц диоксида алюминия на коррозионную стойкость никелевых покрытий»

ТЕХНОЛОГИЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

УДК: 540.185; 621.793

Р. С. Сайфуллин, Р. Е. Фомина, Г. Г. Мингазова,

С. В. Водопьянова, И. О. Григорьева, Р. К. Ксенофонтова

ВЛИЯНИЕ НАНОЧАСТИЦ ДИОКСИДА АЛЮМИНИЯ НА КОРРОЗИОННУЮ СТОЙКОСТЬ НИКЕЛЕВЫХ ПОКРЫТИЙ

Ключевые слова: показатель коррозии; никель; нанчастицы; диоксид алюминия.

Определены составы композиционных электрохимических покрытий. Исследованы коррозионные свойства покрытий, содержащих наночастицы AI2O3 (в сравнении с никелевыми) в 0,5 М HCI и 3 % растворе NaCI. Введение в состав покрытий наночастиц приводит к некоторому улучшению их коррозионных характеристик.

Keywords: the index corrosion, nickel, nanoparticles, aluminum dioxide.

Determined the compositions of composite electrochemical coatings. Investigated corrosion properties of coatings containing nanoparticles of AI2O3 (compared to nickel) in 0.5 M HCl and 3% NaCI solution. Introduction to the composition of the coatings of nanoparticles leads to some improvement in their corrosion characteristics.

Композиционные электрохимические покрытия (КЭП) на основе многих металлов находят широкое применение в технике. Использование частиц дисперсной фазы (ДФ) различной природы и размеров при образовании КЭП позволяет модифицировать металлическую матрицу для получения образцов с различными функциональными характеристиками [І]. Образование композиционных покрытий с нанодисперсными частицами должно обеспечивать более значительное улучшение эксплуатационных характеристик покрытий в сравнении с покрытиями, включающими микрочастицы, даже при малых долях включения первых, благодаря их равномерному распределению в матрице. С помощью диспергирования наночастиц в покрытии можно изменять его твердость, смазывающую способность, обеспечить получение многофункциональных покрытий с высокими эксплуатационными свойствами, работающих под нагрузкой в экстремальных условиях эксплуатации, с повышенными сплошностью, износостойкостью и жаростойкостью и меньшей шероховатостью, а также меньшим и более стабильным коэффициентом трения [2-5]. Особенностью поведения наночастиц в растворах электролитов является способность их образовывать коллоидные системы. Коллоидные частицы принимают непосредственное участие в образовании определенной структуры гальванического покрытия. Их осаждение на катоде приводит к существенному отличию свойств гальванических покрытий от металлических компактных металлов. Кристаллические структуры нанообласти отличаются от микрообласти тем, что обладают существенно большей площадью поверхности меж-фазных границ, благодаря чему возможно формирование материи с измененными свойствами. При равномерном распределении наночастиц по границам зерен можно значительно

улучшить коррозионную стойкость гальванических покрытий [6]. С помощью наночастиц можно осаждать покрытия с антиотражающей, антифрикционной и самоочищающейся поверхностью [7], а также изготовливать регулировочные шайбы и термостойкие изделия для автомобилей [8]. Особенно пригодны в качестве нанообьектов частицы из золота, которые не окисляются и не обладают магнитными свойствами. Наночастички алмаза улучшают микротвердость покрытий, оксид алюминия, оксид кремния - уменьшают пористость, увеличивает микротвердость и коррозионную стойкость покрытий [9,10].

Механизм включения различных дисперсных частиц при электроосаждении из суспензии имеет свои особенности. Образование КЭП основано на вращивании в катодновы-деляющийся металл частиц второй фазы размером от 1-10 нм до нескольких микрометров. Этот процесс зависит не только от условий электролиза: температуры, перемешивания, но и от дисперсности природы и количества частиц. Это позволяет варьировать физикохимические свойства композиционных покрытий [1]. Ранее отмечалось, что КЭП с матрицей из никеля отличаются повышенной твердостью, меньшей пористостью [12].

В данной работе изучали влияние наночастиц оксида алюминия на стойкость покрытий в различных растворах.

Данный порошок исследовался методом рентгенофазового анализа. Выявлено, что частицы диоксида алюминия содержат примеси тетроганальной и ромбоэдрической формы. Согласно [11], порошок А^Оз может содержать у- и 5- полиморфные модификации, соотношение между которыми зависит от условий получения.

В работе использовали два различных электролита никелирования: электролит 1 и 2. Содержание А^Оз в покрытиях никелем, полученных из электролита 1 составляет от 2 до 7 мас. % в зависимости от концентрации ДФ в электролите. Содержание ДФ в покрытиях определялись косвенным методом. Кроме того, для подтверждения составов КЭП Ы1-А12О3 использовали метод масс-спектроскопии в индуктивно связанной плазме (ГСР-МБ). Метод показал наличие алюминия в покрытиях никелем от 0,00994 до 0,254 мг/дм3 при концентрациях ДФ 15-35 г/дм3 в электролите [12]. С ростом концентрации частиц А^Оз до 35 г/дм3 из электролита-суспензии 2 величина ат возрастает до 6,6 %, при дальнейшем повышении концентрации частиц ДФ незначительно снижается до 6 %. После длительной проработки электролита 2, количество частиц в покрытие уменьшается до 3 % при концентрации А12О3 35 г/дм3. Возможно это связано с растворением оксида алюминия, с изменением состава электролита, что влияет на количество включений частиц в покрытия.

С целью выяснения коррозионного поведения покрытий их испытывали в 3 % растворе ЫаО! методом погружения.. Покрытия выдерживали в растворах в течение 7 суток без доступа воздуха. После их контакта с раствором на поверхности появлялись черные и коричневые пятна. Затем их промывали в большом количестве воды до смывания с поверхности продуктов коррозии, после чего на поверхности покрытий черные точки не исчезали. Из литературы [13] известно, что на поверхности покрытия происходит образование пассивной пленки, состоящей из ыю и Ы1(ОН)2. Раствор хлорида натрия после опыта становился желтоватым и на дне стакана появлялись хлопья рыжего цвета.

Показатель стойкости покрытий в зависимости от концентрации частиц в электролите-суспензии 1 определяли массовым методом . Данные представлены на рис. 1.

Повышение стойкости покрытий в 3 % растворе ЫаО! при толщине 40 мкм связано, видимо, с уменьшением количества пор до 3 пор/см2 и снижением показателя шероховатости (Ка) от 12 до 8 мм.

00 I

ода

о 10 20 30 40 50

САф г/дм

Рис. 1 - Показатель коррозии в зависимости от концентрации частиц в электролите-суспензии 1 и толщины покрытия 40 мкм

Коррозионная стойкость покрытий М—Д^Оэ, полученных из электролита 2, также определялась в 3% растворе ЫаО!. Показано, что стойкость полученных покрытий зависит от содержания в них ультрадисперсных частиц. Так, при содержании Д!2Оэ 6,6 % при концентрации ДФ в электролите-суспензии 35-50 г/дмэ в никелевой матрице коррозионная стойкость КЭП в 2,5 раза больше, чем коррозионная стойкость «чистого» никелевого покрытия (рис. 2).

Рис. 2 - Показатель коррозии в зависимости от концентрации частиц в электролите-суспензии 2: 1 - контрольные покрытия; 2 - ГЛ—А^Оз

Для объяснения коррозионной стойкости КЭП изучали пористость покрытий.

Выявлено, что количество пор при наличии ДФ снижается на 20 %. Возможно имеет

место питтинговая коррозия и в места различных деффектов защитного покрытия

проникает кислород и происходит окисление образца.

Стойкость никелевых покрытий оценивали также определением токов коррозии.

Были проведены расчеты токов коррозии в 0,5 М НО! методом экстраполяции и методом

поляризационного сопротивления. Данные представлены на рисунке 3 и 4

На рис. 3 показано, что частицы диоксида алюминия слегка уменьшают ток корро-э э

зии от 3,4-10" мА - для чистого никелевого покрытия до 0,8-10" мА - для КЭП в растворе

0,5 М НО!. Толщина покрытий составляет 20 мкм.

Рис. 3 - Анодные потенциодинамиче-ские кривые никелевых покрытий (1) и ГЛ-А!2О3 (2). Концентрация А!2О3 -50 г/дм3. Катод при электролизе расположен вертикально

Рис. 4 - Анодные потенциодинамиче-ские кривые никелевых покрытий (1) и ГЛ-А!2О3 (2). Концентрация А!2О3 -35 г/дм3. Катод при электролизе расположен горизонтально

Из литературы известно, что на процесс восстановления металлов и включение частиц в матрицу влияет расположение электрода во время электролиза [1]. Количество включений при концентрации частиц 35 г/дмэ составляет до 3 % .Ток коррозии понизился незначительно от 3,5-10"3 мА до 1,2-10"3 мА (рис.4).

Выводы

1. Выявлено, что состав КЭП зависит от концентрации частиц ДФ: величина ат возрастает до 6-7 % при концентрации ДФ 10-35 г/дмэ, при дальнейшем росте концентрации наблюдается снижение содержания частиц до 6 % при получении покрытий из электролита-суспензии 2.

2. Изучено химическое поведение покрытий Ы1-Д!2Оэ в растворе 3 % ЫаО! и 0,5 М НО!. Показано, что стойкость покрытий повышается в 2.5 раза по сравнению с чистыми никелевыми покрытиями при концентрации ДФ в электролитах 35-50 г/дм3 в растворе 3 % ЫаО! . Происходит незначительное уменьшение тока коррозии в 3,5-4 раза 0,5 М растворе НО!.

Методика эксперимента

Для исследования процесса нанесения КЭП с матрицей из никеля использовали два электролита следующего состава, г/дм3: электролит 1: Ы18О4-7Н2О 70-75; Ыа2ЗО4-10Н2О 40-50;

НэВОэ 20-25; ЫаО! 5-7; pH 5,6-5,8; электролит 2: 1\П8О4-7Н2О 210; НэВОэ 30; КО! 10; pH 3,4-3,8. В качестве ДФ использовали нанопорошок Д!2Оэ. Он изготовлен в соответствии ТУ 1791-00236280340-2005: Буд = 21 м2/г; средний размер частиц составляет 30 нм. Концентрация ДФ составляла 5-50 г/дмэ.

КЭП получали из электролита, модифицированного ДФ. Покрытия наносили на стальные пластины площадью 8 см2, подготовленные известными методами [14]. Анодом служили никелевые пластины. Использовали постоянное перемешивание магнитной мешалкой. Покрытия наносили при плотности тока 1,5 и 2 А/дм2. Толщина покрытий составляла 20 и 40 мкм. Массовое содержание частиц в покрытиях определяли гравиметрически (косвенным методом) [1].

Методом масс-спектроскопии в индуктивно связанной плазме (1СР-М8) были исследованы КЭП с наночастицами Д!2Оэ, полученные из электролита-суспензии с концентрациями 15, 25, 35 г/дмэ и с толщиной покрытий 20 и 40 мкм. Навеску образца получали механическим стиранием с

поверхности образца с помощью скальпеля. Затем ее растворяли в разбавленной азотной кислоте (2-5%), добавляли внутренний стандарт. В качестве внутреннего стандарта использовали индий -115In. Масс-спектрометр с индуктивно связанной плазмой ICP-MS Agilent 7500cx производства компании «Agilent Technologies» (США) - питание 220В / 50Гц, потребляемая мощность 1,5 Вт.

Показатель стойкости определяли в соответствии с ГОСТом 9.908-85 в растворе 3% NaCl по изменению массы покрытий в течение одной недели. Пористость покрытий определяли наложение фильтровальной бумаги, пропитанной железосинеродистым калием в соответствии с ГОСТ 9.302-85.

Работа выполнена по теме «Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров в области создания и обработки композиционных керамических материалов для машино-, авиастроения, химической промышленности и стройиндустрии», шифр заявки 2009-1.1-210-027-003.

Литература

1. Сайфуллин, Р.С. Комбинированные электрохимические покрытия и материалы / Р.С. Сайфул-лин. - М.: Химия, 1972. - 168с.

2. Пат 2301289 РФ, МПК С25Б15/00. Электролит никелирования / А.Д. Жирнов заявитель и патентообладатель ФГУП «ВИАМ». - №2005139708/02; заяв. 20.12.2005;опубл. 20.06.2007.

3. Нагаева, Л.В. Электроосаждение композиционных покрытий никелем -фуллерен/ Л.В. Нагаева // Защита металлов. - 2007. - Т.43. - №4. - С.418-420.

4. Fath, A.B. / Electrodeposition of nickel / A.B Fath // Metalloberflaeche. - 2004. - №9. - Р.46-50.

5. Dietz, A.R. Prospects in electroplating / A.R Dietz // Galvanotechnik. - 2007. - №9. - Р.1611-1617.

6. Kim, S.H. Improving the properties of coating / S.H.Kim // Plat. & Surf. Finishing. - 2004. - №5. -Р.68-70.

7. Zwinzcher, M.S. Nanoparticles in coating / M.S. Zwinzcher // Farbe & Lack. - 2004. - №5. - Р.84-94.

8. Frisch, F.A. Application of galvanic coating in mechanical engineering / F.A.Frisch // JOT 44. - 2004. - №9. - Р.56-61.

9. Vollrath, K.F. Effects of nanoparticles on the properties of coating / K.F. Vollrath // Metallober-flaeche. - 2004. - №5. - Р.12-13.

10. Коробов, Н.С. Электроосаждение хрома из сульфатно-оксалатных растворов, содержащих наночастицы оксида алюминия и карбида кремния / Н.С. Коробовов, Г.Ю. Юрков //Защита металлов. - 2007. - Т.43. №2. - С.199-201.

11. Котов, Ю.А. Характеристики нанопорошков оксида алюминия, полученных методом электрического взрыва проволоки. / Ю.А. Котов [и др.]// Российские нанотехнологии - 2007. - № 7-8. -С.109-115.

12. Фомина, Р.Е. Композиционные электрохимические покрытия с матрицей из никеля с включениями наночастиц Al203 / Р.Е.Фомина [и др.]// Вестник Казан. технол. ун-та. -2010. № 5.

13. Паршутин, В.В. Влияние среды на коррозионное и электрохимическое поведение никеля / В.В. Паршутин, Н.Л. Богдашкина, Г.П. Чернова // Защита металлов - 2007. - Т.43, № 1. - С.64-70.

14 Левин, А.И. Лабораторный практикум по теоретической электрохимии / А.И.Левин, А.В. Помо-сов. - М.: Металлургия, 1979. - 311с.

© Р. С. Сайфуллин - д-р техн. наук, проф. каф. технологии неорганических веществ и материалов КГТУ; Р. Е. Фомина - канд. хим. наук, доцент той же кафедры; Г. Г. Мингазова - канд. хим. наук, доцент той же кафедры, Mingazova_gg@mail.ru; С. В. Водопьянова - канд. хим. наук, доцент той же кафедры; И. О. Григорьева - канд. хим. наук, доц. каф. технологии электрохимических производств; Р. К. Ксенофонтова - студ. КГТУ.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.