Funkcjonalne elektrochemiczne kompozytowe powłoki Ni-B
Galwanotechnika, dziś jedna z przodujących technik w inżynierii powierzchni, znana jest od wielu lat. Początkowo stosowana głównie do srebrzenia i złocenia przedmiotów w celach dekoracyjnych, teraz stała się ważną dziedziną przemysłu i nauki, tworzącą całkiem nowe powłoki o różnorodnych zastosowaniach funkcjonalnych. Powłoki te charakteryzują się właściwościami spełniającymi określone wymagania techniczne właściwe dla danej grupy wyrobów.
Wstęp
Elektroosadzanie charakteryzuje się możliwością nakładania powłok w niskich (bliskich otoczenia) temperaturach, łatwością kontroli przebiegu procesu, zapewnia dobrą adhezję warstw do podłoża. Jest także bardzo efektywną metodą otrzymania nanokrystalicznych metali. Zapewnia możliwość łatwego otrzymania kompozytów o rozmiarach ziaren nawet do 10 nm, a także dużej liczby czystych metali i stopów. Nanokrystaliczne galwaniczne powłoki niklowe mają w stosunku do konwencjonalnych powłok gruboziarnistych szereg zalet, takich jak: podwyższona wytrzymałość, mikrotwardość, współczynnik dyfuzji, oporność elektryczna, ciepło właściwe, współczynnik rozszerzalności cieplnej, plastyczność, adhezja, odporność na korozję [1] i zużycie, zmniejszony moduł elastyczności, nadzwyczajne miękkie właściwości magnetyczne [2], [3], [4], [5], stabilność termiczna do temperatury 573 K. Postęp w elektroosadzaniu powłok nanokompozytowych [6] otwiera perspektywy dla otrzymywania powłok o wyjątkowych właściwościach. Inkluzje nanocząstek mogą powodować wzrost mikrotwardości i odporności na korozję, modyfikować wzrost formy nanokrystalicznej powłoki metalowej i przesuwać potencjał redukcji jonu metalu [7, 8, 9]. Obecność boru w powłoce niklowej zmniejsza dyfuzyjne przemieszczanie się atomów i wakancji w sieci kryształu, podwyższa odporność na deformację plastyczną i zmniejsza rozmiary krystalitów podczas elektrokrystalizacji oraz hamuje ich wzrost podczas rekrystalizacji a także umacnia osnowę niklową. Rozważa się możliwość zastosowania takich powłok do urządzeń pracujących z warunkach dużej ścieralności, gdyż są one 5 do 6 razy bardziej odporne na ścieranie od stali martenzytycznej [10]. Zainteresowanie elektroosadzanymi nanokrystalicznymi materiałami wzrasta gwałtownie ze względu na ich przewidywane nowe inżynieryjne zastosowania [11].
Rysunek 1. Zależność zawartości boru w powłoce kompozytowej Cp od jej zawartości w kąpieli Cv zawierającej wybrane dodatki związków organicznych, w układzie pojedynczym i podwójnym.
Wytwarzanie powłok kompozytowych Ni-B
Do elektroosadzania powłok niklowych użyto niskostężeniową kąpiel do niklowania (NS) o składzie: 0,45 M NiSO4•7H2O, 0,3 M NiCl2•6H2O, 0,85 M H3BO3. Jako składniki dodatkowe zastosowano: sól sodową imidu kwasu o-sulfobenzoesowego (sacharyna SA) w stężeniu 15 mM, butyn-2-diol-1,4 (BD) w stężeniu 5 mM, które użyto w kąpieli pojedynczo i razem. Zawartości amorficznego boru (prod. Aldrich) w kąpieli wynosiły 2-10 g/dm3. Powłoki kompozytowe osadzano przy pH 3,8, temp. 318 K i gęstości prądu 4 A/dm2 w czasie 30 minut, tak aby otrzymać warstwy o grubości co najmniej 20 μm. Stosowano mieszanie mieszadłem magnetycznym.
Pomiary właściwości wytworzonych powłok
Zawartość cząstek w powłokach kompozytowych oznaczano metodą grawimetryczną. Mikrotwardość osadzonych powłok mierzono metodą Vickersa przy użyciu mikrotwardościomierza Hannemana, stosując obciążenia 0,01 i 0,05 kG. Chropowatość wytworzonych warstw niklowych mierzono profilografem TR 100 prod. Elcometr Instruments Ltd. Pomiary rentgenowskie były wykonane na proszkowym dyfraktometrze Siemens D500 wyposażonym w półprzewodnikowy detektor Si[Li]. Użyto promieniowania KaCu. Naprężenia własne mierzono metodą dylatometryczną przy zastosowaniu przyrządu IS-meter prod. OMI Austria. Właściwości tribologiczne wytworzonych warstw kompozytowych mierzono na maszynie tarciowej Amslera A-135 przy stałym nacisku jednostkowym, stosując ślizgowy węzeł tarcia (ruch obrotowy). Warunki pomiarów były następujące: układ trący – klocek - krążek, zestawienie par ciernych – próbka powłoka kompozytowa - przeciwpróbka stal 40 H (ok. 35 HRC), prędkość obrotowa przeciwpróbki n = 200 obr./min, prędkość tarcia V = 0,35 m/s, obciążenie P = 25 daN, warunki współpracy powierzchni – smarowanie olejem Lux, przez jednokrotne zanurzenie. Pomiar zużycia prowadzono co 30 minut mikroskopowo i grawimetrycznie.
Wyniki pomiarów właściwości powłok Ni-B
Rysunek 1 przedstawia wyniki zawartości cząstek dyspersyjnych w powłokach.
Zwiększanie zawartości cząstek dyspersyjnych w kąpieli Cv powodowało wzrost ich zawartości w powłoce kompozytowej Cp (Rys. 1), natomiast związki organiczne dodawane do kąpieli wywierały zróżnicowany wpływ na zawartość boru wbudowywanego w powłokę. Użycie w kąpieli 15 mM samej sacharyny spowodowało zmniejszenie zawartości cząstek dyspersyjnych w powłokach kompozytowych w stosunku do powłok bez organicznych dodatków. Dodatek 5 mM butyndiolu do kąpieli miał wpływ katalizujący na wbudowywanie cząstek boru w powłokę kompozytową. Przy jednoczesnym użyciu sacharyny i butyndiolu zawartość cząstek w powłoce była większa niż dla samej sacharyny i mniejsza niż dla butyndiolu. Zawartość nanocząstek w kąpieli ma znaczący wpływ na ich zawartość w osnowie metalowej [7]. Zależności naprężeń własnych od grubości powłok kompozytowych Ni-B są przedstawione na rysunku 2.
