ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ МЕЛКОДИСПЕРСНЫХ СВЕРХТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ НА ИЗМЕНЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ

TO INVESTIGATE THE INFLUENCE OF ULTRAFINE SUPERHARD INCLUSIONS ON CHANGE OF MECHANICAL PROPERTIES OF ELECTROLYTIC COATINGS

Irina Shcherenkova

candidate of Science , LLC “Technomet”,

Russia, Tula

Vladimir Gadalov

doctor of Science, professor of South West State University,

Russia, Kursk

АННОТАЦИЯ

Работа посвящена изучению влияния дисперсных частиц кремнезёма (SiO₂), ультрадисперсного алмаза (УДА) и вюрцитоподобного нитрида бора (ВНБ) на повышение эксплуатационных свойств покрытий на основе меди и хрома. Методами измерения механических свойств установлено, что добавление твердых частиц повышает такие свойства покрытий, как микротвердость и износостойкость. Выявлено, что более значимое повышение механических свойств происходит у покрытий на основе меди. Показано, что частицы УДА в покрытии способствуют большему повышению свойств, чем остальные наполнители.

ABSTRACT

The article studies the influence of ultradisperse silica (SiO₂), diamond inclusions and wurtzite boron nitride on increasing the service properties of copper-based and chromium-based electrochemical coatings. It is determined via mechanical properties measuring methods that addition of superhard inclusions increases the microhardness and wear-resistance of coatings. It is shown that copper-based coatings have more significant rise of mechanical properties. The article shows that coatings with ultrafine diamond particles as their components have better mechanical properties than coatings with silica and wurtzite boron nitride particles.

Ключевые слова: ультрадисперсный алмаз, вюрцитоподобный нитрид бора, оксид кремния, кремнезем, износостойкость, износостойкие покрытия, композиционные покрытия, электрохимические покрытия.

Keywords: ultradisperse diamond, ultrafine diamond, wurtzite boron nitride, silica, silicon dioxide, wear-resistance, wear-resistant coatings, composite chromium-based electrochemical coatings.

Одной из важнейших задач, решаемых в настоящее время отечественной промышленностью, является повышение качества и срока службы ответственных деталей, работающих в условиях трения (плиты кристаллизаторов УНРС, ножи для резки металла, литейные металлические формы (кокиль) и т. д.). Повышение механических характеристик поверхности инструментов достигается нанесением на них электролитических покрытий (Cu, Fe, Cr, Ni и т. д.). Однако широкого распространения такие технологии не получили, что связано с недостаточной стойкостью таких покрытий. Значительно увеличить стойкость деталей можно с помощью формирования композиционных электрохимических покрытий путем соосаждением основного металла (Ni, Cr, Cu др.) и твёрдых дисперсных частиц. В процессе совместного осаждения металла матрицы покрытия и частиц второй фазы создаются особые условия кристаллизации формирующихся покрытий, при которых диспергируется кристаллическая структура, а микрочастицы придают покрытию высокую твёрдость и износостойкость [2; 3].

Особый интерес представляют изучения покрытий на основе хрома и меди как наиболее распространенных материалов, использующихся для нанесения покрытий. Повышение твердости и износостойкости инструменту могут придать добавление частиц, относящихся к классу сверхтвердых, такие как ультрадисперсный алмаз (УДА) и вюрцитоподобный нитрид бора (ВНБ), а также оксид кремния (или кремнезем) SiO₂ [3; 5]. Таким образом, в настоящей работы изучалось влияние дисперсных твердых наполнителей на изменение механических свойств электрохимических покрытий на основе меди и хрома.

Алмазный порошок и вюрцитоподобный нитрида бора получались методом детонационного синтеза [5; 8; 9]. Рентгенографическим анализом было установлено, что наряду с основной массой в порошке УДА присутствует неалмазный углерод.

Электрохимические покрытия наносились на плоские образцы из низкоуглеродистой стали размером 22 х 22 мм и толщиной 15 мм. Для получения покрытий использовался универсальный саморегулирующийся электролит сульфатного типа. Во избежание агрегатирования частиц в электролите, сжатым воздухом производилось перемешивание электролита. Толщина покрытий составила 50 мкм. Концентрация наполнителей в электролите составляла: 20 г/л УДА, 50 г/л ВНБ, 50 г/л SiO₂.

Сформированные композиционные электрохимические покрытия на основе меди имели равномерную толщину при отсутствии трещин и видимых пор. Изучение распределения размера включений в КЭП производилось на электронном просвечивающем микроскопе ЭМВ-100БР с помощью экстракционных угольных реплик [11]. Исследования показали равномерное распределение частиц всех видов (УДА, ВНБ, SiO₂) в основах (рис. 1, 2).

Рисунок 1. Частицы в покрытии на основе меди: а) реплика КЭП с частицами УДА; б) реплика КЭП с частицами ВНБ; в) реплика КЭП с частицами SiO₂

Рисунок 2. Частицы в покрытии на основе хрома: а) реплика КЭП с частицами УДА; б) реплика КЭП с частицами ВНБ; в) реплика КЭП с частицами SiO₂

Средний размер частиц, средняя плотность распределения в зависимости от вида частиц второй фазы и вида покрытия представлен в таблице 1.

Таблица 1.

Характеристика распределения частиц в покрытиях на основе меди и хрома

Полученные результаты представлены в виде гистограмм (рис. 3):

Рисунок 3. Распределение включений по размерам в медном и хромовом покрытиях: а) частицы УДА в медном; б) частицы ВНБ и SiO₂ в медном; в) частицы УДА в хромовом; г) частицы ВНБ и SiO₂ в хромовом

Уменьшение количества трещин и пор в покрытиях можно объяснить уменьшением размеров кристаллитов металла основы при внедрении мелкодисперсных частиц. Происходит это из-за торможения растущих зерен металла основы адсорбирующимися на них частицами. В данном случае, частицы становятся центрами кристаллизации для вновь образующихся кристаллитов. Эти процессы способствуют получению практически беспористого покрытия [1; 2; 7]. В целом можно заключить, что внедрение мелкого нанонаполнителя УДА происходит интенсивнее, чем захват растущей матрицей более крупных частиц кварцита и нитрида бора. Кроме того, видно, что мелкие частицы более эффективно попадают в слой металла, по сравнению с крупными частицами того же вида [3; 10].

Измерения механических свойств (микротвердости и износостойкости) покрытий изучались на приборе ПМТ-3 с нагрузкой 1Н для стальной основы и хромовых покрытий и с нагрузкой 0,5 Н для медных покрытий. и на установке «Шлиф–2» при нагрузке 7 Н и линейной скоростью вращения контртел из электрокорунда (для хромовых покрытий) и углеродистой стали (для медных покрытий) 5,5 м/с. Определение износостойкости проходило путем измерения потери массы за пройденное расстояние. Проведённые исследование дали следующие результаты (рисунок 4).

Видно, что присутствие дисперсных частиц в металлической основе повышает исследуемые характеристики покрытия во всех случаях. Микротвёрдость покрытий на основе меди возросла в 2,86–3,86 раза. Увеличение микротвердости покрытий на хромовой основе повысилась в 1,1–1,4 раза. Менее резкое увеличение микротвердости в данном случае связано с меньшей разницей между исходной твердостью матрицы зеркального электролитического хрома (Н_µ = 790 кгс/мм²) и твердостью наполнителей. На повышение микротвёрдости при введении частиц второй фазы влияет зернограничное упрочнение (измельчение кристаллитов хрома) и дисперсионное упрочнение (торможение дислокаций дисперсными частицами).

Рисунок 4. Измерение микротвердости и износостойкости КЭП на основе меди и хрома: а) микротвердость; б) износостойкость

Испытания на износ также показали тенденцию к увеличению стойкости покрытий против абразивного износа вне зависимости от основного металла покрытия. Максимальным сопротивлением к износу обладают образцы с включениями ультрадисперсного алмаза в матрице. Резкое повышение кривой чистой меди (рисунок 4б) связан с развитием третьей стадии износа.

В заключение проведённых исследований можно сделать вывод, что добавление дисперсных частиц твердых материалов способствует повышению механических свойств электрохимических покрытий. Этот эффект более проявляется у покрытий с матрицей из мягких металлов (в частности, меди). Максимальная твердость и износостойкость наблюдается у покрытий с добавлением наноразмерных частиц УДА, так как они более эффективно измельчают кристаллиты металла основы покрытия.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16-38-50152 мол_нр».

Список литературы:

1. Аджиев Б.У. Влияние структуры и физико-механических свойств хрома на износостойкость хромовых покрытий // Гальванотехника и обработка поверхности. – 1992. – Т. 1, № 1-2. – С. 28–31.
2. Антропов Л.И. Композиционные электрохимические покрытия и материалы / Л.И. Антропов, Ю.Н. Лебединский. – К.: Техника, 1986. – 200 с.
3. Бородин И.Н. Упрочнение деталей композиционными покрытиями. / И.Н. Бородин. – М.: Машиностроение, 1982 – 141 с.
4. Буркат Г. К.Ультрадисперсные алмазы в гальванотехнике // Физика твёрдого тела. – 2004. – Т. 46. – вып. 4. – С. 685–692.
5. Долматов В.Ю. Наноалмазы // Сверхтвёрдые материалы. – 2001. № 6. – С. 34–41.
6. Долматов В.Ю. Ультрадисперсные алмазы детонационного синтеза. Получение, свойства, применение // Успехи химии. – 2001. – Т. 70, № 7. – С. 687–708.
7. Мандич Н.В. Соосаждение ультрадисперсных частиц алмаза с хромом // Гальванотехника и обработка поверхности. – 2002. – Т. 10, № 1. – С. 17–19.
8. Пат. 2046094 (1995), Российская Федерация // МПК C01B31/04, C01B31/06. № 93026920/26.
9. Пат. 2109683 (1998) Российская Федерация // МПК C01B31/06. № 96103974/25.
10. Сакович Г.В., Петров Е.А., Брыляков П.М. // Доклады ДАН СССР. 1990. Т. 313. № 4. С. 862.
11. Электронная микроскопия в металловедении. Справочник [под ред. А.В. Смирновой] – М.: Металлургия, 1985. – 192 с.