Влияние параметров электрохимического осаждения на структуру и фазовый состав покрытия сплавом Ni-Р Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

106

Труды БГТУ, 2016, № 6, с. 106-109

УДК 540.120

В. В. Чаевский1, В. В. Жилинский1, O. Чернашей2

1 Белорусский государственный технологический университет 2Вильнюсский технический университет имени Гедиминаса

ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ОСАЖДЕНИЯ НА СТРУКТУРУ И ФАЗОВЫЙ СОСТАВ ПОКРЫТИЯ СПЛАВОМ Ni-Р

Определены параметры электролитического синтеза из сульфатно-хлоридных электролитов Ni-P-покрытий на стальную поверхность лезвий ножей дереворежущего инструмента.

Фазовый состав полученных покрытий зависит от плотности тока в электролите. Сплавы Ni-P состоят из отдельных фаз Ni3P и Ni или представляют собой твердый раствор внедрения на базе ГЦК решетки Ni при осаждении из электролита при плотности тока свыше 7 А/дм2.

Наличие углерода способствует образованию микротрещин на поверхности покрытий. При плотности тока более 5 А/дм2 на поверхности покрытий формируются сплошные глобулярные образования, которые имеют смешанную аморфно-кристаллическую структуру с фазой Ni3P. С увеличением содержания фосфора возрастает размер глобул, уменьшающих контактную площадь, в результате чего увеличивается износостойкость покрытия сплавом Ni-P.

Ключевые слова: покрытия, электролит, сплав, никель, углерод.

V. V. Chayeuski1, V. V. Zhylinskiy1, O. Cernashejus2

1Belarusian State Technological University 2Vilnius Gediminas Technical University

THE INFLUENCE OF ELECTROCHEMICAL DEPOSITION PARAMETERS ON THE STRUCTURE AND PHASE COMPOSITION OF PLATING

BY THE Ni-Р ALLOY

The parameters of electrolytic synthesis of Ni-P coatings on steel surface of the edges of knives of woodcutting tools from sulfate-chloride electrolyte have been determinated.

The phase composition of obtained coatings depends on the current density in the electrolyte. The Ni-P alloys consist of separate phases of Ni and Ni3P and solid solution of implementation on the basis of the FCC Ni lattice, when it was deposited from the electrolyte at current density to be more than 7 A/dm2.

Presence of carbon favors the formation of microcracks on the coatings surface. The surface coatings is a dense globular formation at a current density greater than 5 A/dm2. The globular formations have a mixed amorphous-crystalline structure with Ni3P phase. Globules size increases with phosphorus content, reducing the contact area, thereby improving wear resistance of the coating by the Ni-P alloy.

Key words: coatings, electrolyte, alloy, nickel, carbon.

Введение. В настоящее время в машиностроении для повышения функциональных свойств деталей из конструкционных сталей: коррозионной стойкости, твердости, износостойкости - широко используются гальванические железные покрытия, покрытия сплавами железа и Ni-P [11. Установлено, что осаждение гальванических покрытий из хлоридных электролитов на поверхность деталей применяется для восстановления размеров изношенных деталей или получения специальных свойств поверхностного слоя деталей (антифрикционных, магнитных и т. д.). Интерес к электрохимическим и химическим покрытиям Ni-P вызван уникальным комплексом присущих этим материалам физико-химических и механических свойств. Кроме того, покрытия Ni-P обладают электрокаталитической активностью. Вместе с тем в литературе отсутствуют систематические

данные о зависимости фазового состава №-Р покрытий, их микроструктуры и физико-механических свойств от условий синтеза. Недостаточно изучена кинетика осаждения покрытий, дисперсность частиц твердой фазы и процессы, протекающие на межфазной границе. Поэтому целью данной работы было сформировать гальванические покрытия сплавом №-Р на поверхности двухлезвийных стальных (Р6М5) ножей хвостовых фрез дереворежущего инструмента и исследовать структуру и фазовый состав полученных покрытий.

Основная часть. Гальванические покрытия сплавом №-Р наносили на кафедре химии, технологии электрохимических производств и материалов электронной техники (Х,ТЭПиМЭТ) БГТУ на подготовленную поверхность лезвий ножей на экспериментальной установке с применением источника постоянного тока марки

В. В. Чаевскии, В. В. Жилинскии, О. Чернашеи

DC POWER SUPPLY HY3005-3 при средней катодной плотности тока 2 А/дм2 из электролитов, состав которых представлен в таблице.

Состав исследуемых электролитов

Состав электролита Количество, г/л

Электролит № 1 (рН = 3,0)

NÍSO4 • 7H2O 200

NaCl 20

H3BO3 20

Na2H2PO2 25

H2SO4 15

Электролит № 2 (рН = 2,2)

NÍSO4 • 7H2O 140

HCl 2

NH2CH2COOH 15

NaH2PO2 4,5

Сахарин 2

Лаурилсульфат натрия 0,1

Время электролиза составляло 10 мин. Кислотность (рН) электролита измерялась рН-метром рН-150 с точностью ±0,05%. Уровень рН до нужного значения корректировался концентрированным раствором серной кислоты. Перед осаждением покрытий проводилась подготовка образцов, которая представляла собой химическое обезжиривание при температуре 60-80°C на протяжении 5-10 мин, промывку в горячей (при температуре 40-60°C в течение 0,5-1,0 мин) и холодной (при температуре 18-25°C на протяжении 1-2 мин) воде, травление (в растворе H2SO4 (100-300 г/л) с ингибитором КИ-1 (5-7 г/л) при температуре 18-25°C в течение 1-3 мин) и холодную промывку, активацию, промывку. Тол -щина покрытий не превышала 10 мкм.

Фазовый состав полученных покрытий исследовался методом рентгеноструктурного анализа (РСА) при помощи дифрактометра Ultima IV (Rugaku, Япония) в Cu-Ka излучении.

Морфология поверхности образцов исследовалась с помощью оптического микроскопа Leica DFC Camera CD Release Notes V6.4.1 при увеличении 400x, методами растровой электронной микроскопии (РЭМ) и сканирующей электронной микроскопии ^ЭМ) с использованием микроскопа LEO-1455 VP, который также применялся для определения элементного состава полученных покрытий методами СЭМ и рентгеноспектрального микроанализа (РСМА).

Покрытия подвергались также термообработке в муфельной печи при 400°С в течение 1 ч. Поверхность полученных покрытий отличалась от гладкой и характеризовалась трещиновато-стью и наличием включений, расположенных в основном вдоль границ трещин (рис. 1).

107

Рис. 1. РЭМ-снимок поверхности покрытий сплавом Ni-P

Известно, что получаемые из исходного раствора химического никелирования №-Р-покры-тия обладают высокими внутренними напряжениями растяжения, которые тем выше, чем меньше содержание фосфора в покрытиях, что вызывает образование микротрещин в покрытиях [2].

Исследования морфологии поверхности покрытий сплавом №-Р (рис. 2) с помощью СЭМ и РСМА методов показали повышенную концентрацию углерода в включениях вдоль границ трещин (рис. 2, б) и значительное преобладание содержания никеля в сплаве по сравнению с фосфором (рис. 2, в).

В соответствии с рис. 3, а рентгенограммы сформированных покрытий сплавом №-Р, полученных при различных плотностях тока (7 и 9 А/дм2), показывают широкое галло в области углов 20 = 35-54° и наличие отдельных пиков никеля при плотности тока 7 А/дм2. Это свидетельствует о том, что сплавы №-Р, полученные при плотности тока до 7 А/дм2, состоят из отдельных фаз №зР и N1, тем самым подтверждая данные РСМА о значительном преобладании содержания никеля в сплаве по сравнению с фосфором. Сплавы №-Р, сформированные при плотности тока I = 7 А/дм2, представляют собой метастабильный однородный твердый раствор внедрения фосфора на базе ГЦК решетки N1, образование которого подтверждается литературными источниками [3]. В покрытиях, сформированных при плотностях тока I > 7 А/дм2, регистрируется образование аморфной структуры (рис. 3, а).

После термообработки сплава №-Р твердый раствор фосфора в ГЦК решетке никеля обедняется фосфором при формировании соединений №зР и №2Р. В результате на рентгенограммах наблюдаются фазы интерметаллических соединений (фосфидов №зР и №2Р) и фазы фосфора (рис. 3, б).

108

Влияние параметров электрохимического осаждения на структуру и фазовый состав покрытия

Н Суммарный спектр по лини и

¡1 Вес.% а

N1 6 ЗА 0.3

С 242 0.3

Р 7,0 0,1

Ре 2.9 0,1

О 24 0,1

^ А1 0,1 0,0

ЬА_

■ ■ ■ ■ I.........I.........I

10 15 кзВ

в

Рис. 2. СЭМ-снимок поверхности сплава №-Р (а), распределение интенсивностей характеристического рентгеновского излучения элементов (Р, Бе, N1, С, О) (б) и спектр элементного состава (в) при сканировании вдоль линии профиля

2000

.п

м и

Л

н о о

и «

в

о

и

<и к

к

1000

№3Р 1 |

N1 ' \ № № №

V .

1

а-Бе

3000

20 40 60 80 100 Угол дифракции, 2©, град

.п

м и

,ь т с о н в и с н е

нте

К

120

2000-

1000

30 35 40 45 50 55 Угол дифракции, 2©, град

б

60

Рис. 3. Рентгенограммы покрытий №-Р, полученных при I = 9 А/дм2 (1) и I = 7 А/дм2 (2) до термообработки (а), и покрытий №-Р, полученных при 1 = 9 А/дм2 (3) и 1 = 7 А/дм2 (4) после термообработки (б)

Показано, что при плотностях тока 1 > 5 А/дм в связи с увеличением содержания фосфора в осадке формируется сплошное глобулярное покрытие, которое имеет смешанную аморфно-

кристаллическую структуру с фазой М3Р. С возрастанием размера глобул уменьшается контактная площадь, в результате чего увеличивается износостойкость покрытия сплавом М-Р.

0

0

а

В. В. Чаевский, В. В. Жилинский, О. Чернашей

109

Заключение. Подобраны режимы осаждения и получены №-Р гальванические покрытия на ножах фрезерного инструмента. Наличие углерода в слое №-Р влияет на гетерогенность поверхности и увеличивает число границ между никелем и другими частицами в композите, способствуя образованию микротрещин на поверхности покрытий, так как формирование электро-осажденных композитов сопровождается разви-

тием дислокационной структуры вблизи внедренных частиц и образованием эффективных барьеров (location walls), предотвращающих движение дислокаций [4]. Исследования показали, что покрытия Ni-P имеют глобулярные образования на поверхности, мелкокристалличны и частично аморфны, следовательно, обладают большой площадью межзеренных границ и большим количеством дефектов решетки.

Литература

1. Функциональные покрытия на основе сплавов железа / С. С. Попова [и др.] // Гальванотехника и обработка поверхности. 2001. Т. 9, № 1. С. 34-39.

2. Кузнецов В. В., Петухов И. В., Кузнецова Е. В. Морфология и структура электроосажденных пленок Ni-P // Металлы. 1987. № 5. С. 186-188.

3. Кукареко В. А., Ганавати Б., Кононов А. Г. Структура и дюрометрические свойства покрытий Ni-P, подвергнутых низкотемпературному отжигу // Механика машин, механизмов и материалов. 2014. № 3 (28). С. 59-63.

4. Скорость реакции выделения водорода на N^P-сплавах, модифицированных углеродными частицами разной природы / О. В. Долгих [и др.] // Конденсированные среды и межфазные границы. 2011. Т. 13, № 1. С. 49-55.

References

1. Popova S. S., Tseluikina G. V., Solovieva N. D., Tseluikin V. N. Functional coatings based on iron alloys. Gal'vanotekhnika i obrabotka poverkhnosti [Electroplating and Surface Treatment], 2001, vol. 9, no. 1, pp. 34-39 (In Russian).

2. Kuznetsov V. V., Petukhov I. V., Kuznetsova E. V. Morphology and structure of electrodeposited Ni-P films. Metally [Russian Metallurgy (Metally)], 1987, no. 5, рр. 186-188 (In Russian).

3. Kukareko V. A., Ganavati B., Kononov A. G. Structure and dyurometric properties of Ni-P coatings exposed to low temperature annealing. Mekhanika mashin, mekhanizmov i materialov [Mechanics of Machines, Mechanisms and Materials], 2014, no. 3 (28), pp. 59-63 (In Russian).

4. Dolgikh O. V., Sapronova L. V., Sotskaya N. V., Vigdorovich V. I. The rate of hydrogen evolution reaction on the Ni,P-coatings modified by carbon particles of different nature. Kondensirovannyye sredy i mezhfaznyye granitsy [Condensed Matter and Interphases], 2011, vol. 13, no. 1, pp. 49-55 (In Russian).

Информация об авторах

Чаевский Вадим Витальевич - кандидат физико-математических наук, доцент, доцент кафедры физики. Белорусский государственный технологический университет (220006, г. Минск, ул. Свердлова, 13а, Республика Беларусь). E-mail: tchaievsky@tut.by

Жилинский Валерий Викторович - кандидат химических наук, старший преподаватель кафедры химии, технологии электрохимических производств и материалов электронной техники. Белорусский государственный технологический университет (220006, г. Минск, ул. Свердлова, 13а, Республика Беларусь). E-mail: zhilinski@yandex.ru

Чернашей Олег - кандидат технических наук, доцент, заместитель декана факультета механики. Вильнюсский технический университет имени Гедиминаса (03224, г. Вильнюс, ул. Басанави-чяюса, 28, Литовская Республика). E-mail: olecer@vgtu.lt

Information about the authors

Chayeuski Vadzim Vitalievich - PhD (Physics and Mathematics), Assistant Professor, Assistant Professor, the Department of Fhysics. Belarusian State Technological University (13а, Sverdlova str., 220006, Minsk, Republic of Belarus). E-mail: chayeuski@belstu.by

Zhylinskiy Valeriy Viktorovich - PhD (Chemistry), Senior Lecturer, the Department of Chemistry, Electrochemical Production Technology and Materials for Electronic Equipment. Belarusian State Technological University (13а, Sverdlova str., 220006, Minsk, Republic of Belarus). E-mail: zhilinski@yandex.ru

Cernashejus Oleg - PhD (Engineering), Assistant Professor, Vice-Dean of the Faculty of Mechanics. Vilnius Gediminas Technical University (28, Basanaviciaus str., 03224, Vilnius, Republic of Lithuania). E-mail: olecer@vgtu.lt

Поступила 10.03.2016