Rysunek 2. Zależność naprężeń własnych od grubości warstwy. Powłoki kompozytowe Ni-B osadzane bez i w obecności składników dodatkowych. Zawartość boru w kąpieli 5 g/dm3.
Naprężenia własne osadzanych powłok kompozytowych w dużym stopniu zależały od dodatku do kąpieli składników dodatkowych. Powłoka kompozytowa osadzana z kąpieli niskostężeniowej bez dodatków organicznych miała naprężenia rozciągające w całym zakresie grubości (rys. 2). Sacharyna wpływała korzystnie na naprężenia własne powstałych powłok kompozytowych Ni-B, gdyż powłoka miała naprężenia ściskające. Butyndiol powodował niewielkie zmniejszenie naprężeń własnych w stosunku do powłok osadzanych z kąpieli bez dodatków. Dodając do kąpieli oba składniki dodatkowe, otrzymano naprężenia ściskające powłoki w całym zakresie grubości. Te różnice w naprężeniach własnych powłok kompozytowych zależą w dużym stopniu od zawartości i rozmiarów wbudowanych cząstek dyspersyjnych a także od rozmiarów krystalitów niklowych [111]. Wyniki pomiarów wielkości krystalitów niklowych [111], mikrotwardości i chropowatości powłok Ni-B przedstawiono w tabeli 1.
Tabela 1. Wyniki pomiarów średnich wymiarów krystalitów niklowych [111], mikrotwardości i chropowatości powłok kompozytowych Ni-B.
Rozmiary krystalitów niklowych [111] w powłokach Ni-B wynosiły od 17 do 50 nm (tab. 1). Wpływ sacharyny zaznaczył się rozdrobnieniem krystalitów niklowych. Dodatek butyndiolu do kąpieli powodował, że krystality niklowe [111] miały duże rozmiary, zwłaszcza przy wysokiej zawartości B. Oba składniki dodatkowe użyte jednocześnie powodowały, że we wszystkich powłokach zmniejszały się rozmiary krystalitów niklowych [111] i miały one najmniejsze rozmiary ze wszystkich badanych powłok. Obecność nanocząstek w osnowie metalowej może powodować zmiany w strukturze krystalicznej [7,8]. Statystyczne analizy (program Statistica StatSoft) danych otrzymanych z pomiarów dyfrakcyjnych D111 [nm] z wynikami badań mikrotwardości HV [GPa] (tab. 1) pokazały, że istnieją zależności między tymi wielkościami. Mikrotwardość powłok Ni-B zwiększała się ze zmniejszaniem rozmiarów krystalitów niklowych [111] zgodnie z prawem Halla – Petcha:
Przedstawiona zależność pozwala stwierdzić, że struktura tych powłok wpływa znacząco na ich mikrotwardość. Stosując odpowiedni skład kąpieli, można osadzać powłoki kompozytowe o wybranych i wymaganych właściwościach. Chropowatość zmniejsza się przez dodanie zarówno sacharyny, jak i butyndiolu (dla wszystkich użytych zawartości boru) (tab. 1). Oba dodatki użyte jednocześnie w kąpieli wpływały na jeszcze większe zmniejszenie chropowatości.
Wyniki pomiarów zużycia na maszynie Amslera i chwilowego współczynnika tarcia przedstawia rysunek 3.
Rysunek 3. Zużycie wagowe (lewa oś i rosnące krzywe) i wartości chwilowego współczynnika tarcia (prawa oś i malejące krzywe) powłok Ni-B w czasie trwania próby.
Badania zużycia kompozytowych powłok Ni-B wykazały różnice w odporności na zużycie w procesie tarcia tych warstw. Powłoki osadzone z kąpieli zawierającej 2 i 5 g/dm3 boru oraz 5 mM butyndiolu wykazały lepszą odporność na zużycie od powłoki osadzonej z kąpieli zawierającej 10 g/dm3 boru, 15 mM SA i 5 mM BD (Rys. 3). Te powłoki charakteryzowały się niewielką mikrotwardością, co wskazuje, że wzrost odporności na zużycie nie zawsze koreluje ze wzrostem twardości. Biorąc pod uwagę korelację mikrotwardości z rozmiarami ziaren niklowych wykazaną powyżej, można przypuszczać, że zmniejszanie rozmiarów krystalitów nie poprawia odporności na zużycie powłok kompozytowych. Wartości współczynnika tarcia wszystkich testowanych w badanym skojarzeniu ślizgowym powłok były bardzo małe i zmniejszały się w czasie próby (rys. 3).
Podsumowanie
1. Cząstki dyspersyjne i składniki dodatkowe użyte w kąpieli wpływały na skład i strukturę elektroosadzanej warstwy.
2. Zmiana składu i struktury powłok kompozytowych pociągała za sobą zmianę ich właściwości, takich jak: mikrotwardość, chropowatość czy odporność na zużycie.
3. Poprzez modyfikację składu kąpieli jest możliwe takie modyfikowanie składu powłoki kompozytowej, w wyniku którego będzie możliwa poprawa właściwości wytworzonych warstw.
LITERATURA
[1] M. El-Sherif, U. Erb, Plat. Surf. Finish., 1995, 82, 85.
[2] N.V. Myung, M. Schwartz, K. Nobe, Plat. Surf. Finish., 2000, 87, 76.
[3] A. Wolkenberg, A. Tokarz, A. Bochenek, Z. Nitkiewicz, A. Banaszkiewicz, H. Wrzesińska, A. Kudła, Problemy Eksploatacji, 2000, 2, 487.
[4] W. Schwarzacher, D.S. Lashmore, IEEE Trans. Magnetics, 1996, 32, 3133.
[5] N.V. Myung, K. Nobe, Plat. Surf. Finish., 2000, 87, 125.
[6] L. Benea, P.L. Bonora, A. Borello, S. Martelli, F. Wenger, P. Ponthiaux, J. Galland, J. Electrochem. Soc., 2001, 148, C461.
[7] C.T.J. Low, R.G.A. Wills, F.C. Walsh, Surf. Coatings Technol. 2006, 201, 371.
[8] S. Steinhauser, B. Wielage, T. Lampke, Physico Chem. Mech. Mater., 2004, 4, 489
[9] M. Trzaska, M. Kowalewska, A. Wyszynska, Rev. Adv. Mater. Sci., 2004, 8, 195.
[10] G .W. Khaldeev, W. Koskov, L.M. Jagodina, Zascita Metallov., 1982, 18(5), 719.
[11] Robertson, U. Erb, G. Palumbo, NanoStructured Mater., 1999, 12, 1035.
Anna Gajewska-Midziałek
Benigna Szeptycka
Instytut Mechaniki Precyzyjnej, Warszawa
