WARSTWY KOMPOZYTOWE Ni-GRAFIT WYTWARZANE METODĄ ELEKTROCHEMICZNĄ.PDF

Kompozyty 9: 1 (2009) 84-88

Maria Trzaska*, Marta Gostomska

Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Materiałowej, ul. Wołoska 141, 02-507 Warszawa, Poland

* Corresponding author. E-mail: marz@inmat.pw.edu.pl

Otrzymano (Received) 08.02.2009

WARSTWY KOMPOZYTOWE Ni/C grafit

WYTWARZANE METODĄ ELEKTROCHEMICZNĄ

Przedstawiono wyniki badań warstw kompozytowych z osłoną niklową i dyspersyjną fazą grafitową Ni/C grafit wytwarza-

nych metodą elektrochemiczną na podłożu stalowym. Omówiono wpływ parametrów procesu wytwarzania na strukturę ma-

teriału kompozytowego warstw. Wyznaczono charakterystykę dyspersyjnej fazy grafitowej oraz dokonano określenia wiel-

kości cząstek stosowanego proszku. Przedstawiono morfologię i topografię powierzchni wytworzonych warstw kompozyto-

wych o różnej zawartości dyspersyjnej fazy oraz rozmieszczenie cząstek grafitu w warstwie Ni/C grafit . Metodą komputerowej

analizy obrazu wyznaczono udział objętościowy proszku grafitowego w materiale kompozytowym. Zaprezentowano wy-

niki badań tribologicznych oraz mikrotwardości wytworzonych warstw niklowych i kompozytowych. Warstwy kompozy-

towe Ni/C grafit wykazują prawie trzykrotnie większą odporność na zużycie przez tarcie niż warstwy niklowe.

Słowa kluczowe: warstwa kompozytowa Ni/Cgrafit, grafitowa faza dyspersyjna, warstwa niklowa, metoda elektrochemiczna

COMPOSITE LAYERS Ni/C graphite PRODUCED ELECTROCHEMICALLY

Electrochemical method as a one of the process in surface engineering allowed to obtain materials with high used prope r-

ties to application in friction system and effective mechanical elements. Thanks to incorporation particles of different phase

into nikel matrix, selection composition of the electrolyte and technological parameters of the electrochemical process as cu r-

rent, temperature, the kind of stirring, it’s possibile to modification hard and corrosion resistant nikel layers. Graphite as

a dispersion phase has a good lubricating ability, low hardness and high thermal and electrical conductivity. Thanks to co n-

nection this materials it’s possibile to obtain a hard material with good used properties.

Composite layers with nickel matrix and C graphite disperse phase have been the subject of the present authors’ investiga-

tions. Composite layers was deposited on steel substrate (St3S) by electrochemical metod. Results of the characteristics initial

graphite powder are reported. The Ni-C graphite composite were electrodeposited in a sulfate Watt's bath of the following com-

position: nickel sulfate (NiSO 4 ·6H 2 O), nickel chloride (NiCl 2 ·6H 2 O), boric acid (H 3 BO 3 ) and with organic substantion Z 1 . In

this paper was presented the morphology, topography of Ni layers comparison with Ni/C graphite layers. The method computer

analysis of images was applied to determine the content of the dispersed chase of graphite in the composite material. These

investigations show that graphite powder in the whole volume of the composite layer is disposed uniformly and its introduc-

tion into the layer material causes considerable change of topography in comparison to Ni layer. The method of stirring

while electrodeposition process caused change of morphology and structure of produced layers. In the present paper applied

two kind of stirring: mechanical and ultrassound. The microhardness and tribology properties of nikel and composites layers

were also examined used wear test. Incorporation of graphite powder into Ni matrix caused improvement abrasion resistance

Ni/C graphite composites. The im of present research was to obtain composite materials with high tribology properties and com-

pact, tight Ni-C graphite layer.

Keywords: composite coating, disperse phase, nikel coating, electrochemical method

WPROWADZENIE

Warstwy powierzchniowe odgrywają istotną rolę

w modyfikowaniu wielu właściwości użytkowych po-

krywanych wyrobów, takich jak np. właściwości mecha-

niczne, tribologiczne, odporność na korozję. Jednym

z procesów inżynierii powierzchni stosowanych do

kształtowania właściwości wyrobów jest niklowanie

elektrochemiczne. Strukturę powierzchniowych warstw

niklowych, która decyduje o właściwościach materiału,

można kształtować w elektrochemicznym procesie ich

wytwarzania, poprzez odpowiedni dobór składu elektro-

litu oraz poprzez parametry technologiczne procesu, takie

jak: prąd, temperatura, mieszanie [1-3].

Jedną z bardziej efektywnych metod modyfikacji właś-

ciwości twardych i odpornych na korozję warstw niklo-

wych jest wbudowanie w warstwę cząstek innej fazy.

Poprzez odpowiedni dobór fazy dyspersyjnej, jej udzia-

Warstwy kompozytowe Ni/C grafit wytwarzane metodą elektrochemiczną

łu w warstwie oraz stopnia dyspersji i sposobu rozmiesz-

czenia jej cząstek możliwa jest modyfikacja właściwości

eksploatacyjnych wyrobów [4-7].

W pracy do modyfikacji właściwości warstw niklo-

wych osadzanych elektrochemicznie zastosowano fazę

dyspersyjną w postaci proszku grafitowego. Grafit, za-

stosowany jako faza dyspersyjna, charakteryzuje się

dobrymi właściwościami smarnymi, małą twardością

w jednym kierunku oraz zbliżonym do większości me-

tali przewodnictwem elektrycznym i cieplnym. Miękkie

cząstki grafitu wbudowane w plastyczną osnowę niklo-

wą stwarzają szerokie możliwości polepszenia smarow-

ności oraz zwiększenia przewodnictwa cieplnego i elek-

trycznego warstwy powierzchniowej.

w celu zachowania stałych nacisków jednostkowych.

Podstawą do wyznaczenia odporności na zużycie były

pomiary śladów wytarcia i obliczenie głębokości wy-

tarcia.

WYNIKI BADAŃ

Do wytwarzania warstw kompozytowych stosowano

polidyspersyjny proszek grafitowy o zróżnicowanym

wymiarze i kształcie cząstek. Cząstki proszku wykazują

dużą skłonność do aglomeracji zarówno w środowisku

suchym, jak i wodnym, co stanowiło pewne utrudnienie

w określeniu wielkości cząstek proszku. Zróżnicowanie

kształtu i wymiarów cząstek proszku grafitu, przedsta-

wione na rysunku 1, potwierdza również analiza wielko-

ści cząstek (rys. 2).

METODYKA I ZAKRES BADAŃ

Warstwy niklowe i kompozytowe wytwarzano w ką-

pieli Wattsa zawierającej: siarczan(IV) niklu(II), chlo-

rek niklu(II) i kwas borowy. Kąpiel podstawowa była

modyfikowana dodatkiem substancji organicznej Z1.

Proces osadzania warstw realizowano w kąpieli o tem-

peraturze 45°C przy gęstości prądu 3 A/dm 2 . Warstwy

kompozytowe wytwarzano w kąpieli o różnej zawartości

dyspersyjnej fazy grafitowej, a mianowicie: 0,1, 2, 4

i 6 g/dm 3 . W celu zapewnienia zwilżalności grafitu

umożliwiającej jego dyspersję w kąpieli stosowano ka-

tionowy środek powierzchniowo czynny Z2. Dla zapew-

nienia jednorodności zawiesiny proszku grafitowego

w całej objętości kąpieli oraz w celu uniknięcia jego se-

dymentacji stosowano dwa rodzaje mieszania zawiesiny

podczas osadzania warstw, a mianowicie: mieszanie me-

chaniczne z szybkością 400 obr/min oraz ultradźwięka-

mi. Charakterystyki dyspersyjnej fazy grafitowej doko-

nano na podstawie analizy granulometrycznej za pomo-

cą Laserowego Analizatora Wielkości Cząstek Horiba

LA - 950 oraz metodami elektronowej mikroskopii

skaningowej. Morfologię powierzchni wytworzonych

warstw, ich strukturę oraz rozmieszczenie cząstek grafi-

tu w objętości materiału oceniano na podstawie analizy

realizowanej za pomocą skaningowego mikroskopu

elektronowego S-3500 N firmy Hitachi. Stosując program

Micrometer oraz mikroskopię skaningową (mapping),

badano rozmieszczenie cząstek grafitu w warstwie kom-

pozytowej oraz wyznaczono udział objętościowy fazy

dyspersyjnej w warstwie. Badaniom mikrotwardości pod-

dano warstwy kompozytowe Ni/C grafit osadzone w ką-

pielach zawierających różne ilości proszku grafitowego,

(0,1; 2; 4; 6 g/dm 2 ) oraz w celach porównawczych war-

stwy Ni. Pomiar mikrotwardości wykonano metodą Vic-

kersa przy obciążeniu 20 G (HV0,02). Jednym z celów

wytworzenia warstw z dyspersyjną fazą grafitu było

zwiększenie odporności na ścieranie powłok. W tym

celu warstwy nilowe i kompozytowe poddano badaniom

tribologicznym za pomocą tribotestera T-04. Badanie

polegało na pomiarach śladów wytarcia na próbkach

w kolejnych etapach procesu oraz korekcji obciążenia

Rys. 1. Morfologia proszku grafitu

Fig 1. Morphology of graphite powder

Rys. 2. Wymiary cząstek stosowanego proszku grafitu

Fig. 2. Dimension analysis of applied graphite powder

Największy udział objętościowy proszku grafitowego

stanowią cząstki o wymiarach 15 20 µm. Jednorodność

zawiesiny proszku grafitowego w kąpieli do niklowania

decyduje o jakości warstw kompozytowych Ni/C grafit .

W celu uzyskania jednorodnej zawiesiny oraz ze wzglę-

du na jej niestabilność i skłonność cząstek grafitu za-

równo do sedymentacji, jak również do gromadzenia się

na powierzchni kąpieli podczas osadzania warstw, stoso-

M. Trzaska, M. Gostomska

wano dwa rodzaje mieszania: mechaniczne i ultradźwię-

kami. Wpływ rodzaju mieszania na topografię i morfolo-

gię powierzchni warstw niklowych ilustruje rysunek 3,

zaś kompozytowych rysunek 4.

Powierzchnie wytworzonych warstw Ni i Ni/C grafit wy-

raźnie różnią się. Duży wpływ na topografię i morfolo-

gię wytworzonych warstw ma zarówno sposób miesza-

nia podczas procesu osadzania elektrochemicznego, jak

również proszek grafitu zawarty w kąpieli.

W przypadku warstw kompozytowych wytworzo-

nych w zawiesinie mieszanej ultradźwiękami (rys. 4a)

nie obserwuje się cząstek grafitu na powierzchni warstw.

Grafit jako materiał przewodzący prąd elektryczny jest

natychmiast pokrywany cienką warstewką niklu. Nato-

miast cząstki grafitu obserwuje się na powierzchni warstw

kompozytowych wytworzonych w zawiesinie mieszanej

mechanicznie (rys. 4b). W tym przypadku na powierzchni

warstwy wyraźnie widoczne są cząstki grafitu niecałko-

wicie obudowane osnową niklową.

Wpływ sposobu mieszania na strukturę w przekroju

poprzecznym warstw kompozytowych wytworzonych

w kąpieli zawierającej 6 g/dm 3 grafitu przedstawiono na

rysunku 5.

Rys. 3 Morfologia warstw Ni wytworzonych elektrochemicznie z zasto-

sowaniem różnego rodzaju mieszania: a) mieszanie mechaniczne,

b) mieszanie ultradźwiękami

Fig. 3. Surface of Ni layer: a) mechanical stirring, b) ultrasound stirring

Rys. 5. Wpływ sposobu mieszania na strukturę warstw kompozytowych

Ni/C grafit w przekroju poprzecznym: a) mieszanie mechaniczne,

b) mieszanie ultradźwiękami

Fig. 5. Effect the kind of stirring on the composite Ni/C graphite layers

structure in cross section: a) mechanical stirring, b) ultrasound

stirring

Rys. 4. Morfologia warstw kompozytowych Ni/C grafit : a) mieszanie ultra-

dźwiękami, b) mieszanie mechaniczne

Fig. 4. Morphology of composite layers Ni/C graphite : a) ultrasound stirring,

b) mechanical stirring

Warstwy kompozytowe wytworzone w procesach, w któ-

rych zastosowano mieszanie ultradźwiękami, wykazują

mniejszy stopień rozwinięcia, a cząstki grafitu przy wię-

kszej jego zawartości układają się w warstwie w sposób

pasmowy równolegle do powierzchni (rys. 5a i b).

Warstwy kompozytowe Ni/C grafit wytwarzane metodą elektrochemiczną

wicie: 0,2, 2, 4 oraz 6 g/dm 2 . Zestawienie wyników po-

miaru mikrotwardości badanych warstw w zależności od

zawartości fazy dyspersyjnej w kąpieli i w wytworzonych

warstwach kompozytowych zamieszczono w tabeli 1.

Wbudowanie fazy dyspersyjnej grafitu w warstwę niklo-

wą powoduje zmniejszenie twardości materiału o 30%.

Badaniom tribologicznym zostały poddane warstwy

kompozytowe wytworzone w kąpieli o zawartości grafi-

tu 6 g/dm 2 oraz warstwy niklowe. Wyniki tych badań

przedstawione są na rysunku 7.

Rys. 6. Struktura warstw kompozytowych Ni/C grafit wytworzonych w ką-

pieli o różnej zawartości grafitu: a) 4 g/dm 3 , b) 2 g/dm 3

Fig. 6. Microstructures of composite layers Ni/C graphite produced with

different graphite contents: a) 4 g/dm 3 , b) 2 g/dm 3

Rys. 7. Zużycie ścierne warstw Ni oraz Ni/C grafit przy obciążeniu 50 MPa

Fig. 7. Diagram of abrasive wear Ni and Ni/C graphite layers with 50 MPa

loads

Analiza wyników badania zużycia przez tarcie wykazała,

że warstwy zawierające dyspersyjną fazę grafitu wyka-

zują prawie trzykrotnie większą odporność na zużycie

przez tarcie.

Obraz zniszczeń badanych warstw po przeprowadzo-

nej próbie ścierania przedstawiony jest na rysunkach 8

i 9.

Wpływ zawartości grafitu w kąpieli mieszanej mecha-

nicznie na jego zawartość w osadzanej warstwie prezen-

tują rysunki 6a i b.

Wyznaczona metodą komputerowej analizy obrazu

zawartość grafitu w wytworzonych warstwach kompozy-

towych Ni/C grafit przedstawiona jest w tabeli 1. Zwięk-

szenie zawartości dyspersyjnej fazy grafitowej w kąpieli

powoduje zwiększenie ilości wbudowanego grafitu w ma-

teriał wytworzonej warstwy kompozytowej.

TABELA 1. Zawartość grafitu w warstwach Ni/C grafit oraz ich

mikrotwardość

TABLE 1. Microhardness and graphite contents in Ni/C graphite

layers

Zawartość C grafit

Twardość

HV0,02

Warstwa

% obj.

Ni – –

Kąpiel

g/dm 3

Rys. 8. Ślady wytarcia na powierzchni warstwy niklowej po próbie ście-

rania

Fig. 8. Erosion rack on the Ni layer after wear test

253,4

0,2

0,8

209,1

354,04

Ni/C grafit

247,8

183,6

Na rysunkach widoczne są równomierne wytarcia

w kształcie elipsy z zauważalnymi rysami, których kie-

runek jest wynikiem działania przeciwpróbki stożkowej.

W obszarze styku warstwy kompozytowej z przeciw-

próbką nie stwierdzono żadnych pęknięć czy też złusz-

Badaniom mikrotwardości poddano warstwy Ni oraz

warstwy kompozytowe Ni/C grafit osadzone w kąpielach

zawierających różne ilości proszku grafitowego, a miano-

Materiał

M. Trzaska, M. Gostomska

czeń materiału lub jakichkolwiek dekohezji fragmentów

warstwy pod wpływem obciążenia, lecz równomierne wy-

cieranie materiału. Świadczy to o dobrej adhezji warstw

do podłoża. W przypadku warstwy niklowej widoczne

jest jej całkowite wytarcie do stalowego podłoża.

– rodzaj mieszania podczas prowadzenia procesów osa-

dzania metodą elektrochemiczną oraz ilość fazy dys-

persyjnej w kąpielach, w których wytwarzane są war-

stwy Ni oraz Ni/C grafit , wpływają znacząco na morfo-

logię, topografię i strukturę otrzymanych warstw,

– warstwy kompozytowe Ni/C grafit , wytwarzane meto-

dą elektrochemiczną, wykazują trzykrotnie większą

odporność na zużycie przez tarcie w porównaniu

z warstwami niklowymi.

Rys. 9. Ślady wytarcia na powierchni warstwy kompozytowej Ni/C grafit

po próbie ścierania

Fig. 9. Erosion rack on the Ni/C graphite composite layer after wear test

LITERATURA

[1] Szeptycka B., Niklowe i kompozytowe powłoki elektroche-

miczne, Inżyniera Powierzchni 1997, 1.

[2] Trzaska M., Lisowski W., Warstwy kompozytowe Cu+W

wytwarzane elektrochemicznie, Kompozyty (Composites)

2005, 2, 81-84.

[3] Trzaska M., Wyszyńska A., Struktura warstw kompozytowych

Ni-P/Si 3 N 4 wytwarzanych metodą chemiczną, Kompozyty

(Composites) 2006, 3, 54-58.

[4] Li Z.H., Wang X.Q., Wang M., Wang F.F., Ge H.L., Prepara-

tion and tribological properties of the carbon nanotubes Ni-P

composite coating, Tribology International 2006, 39, 953-957.

[5] Chen W.X., Tu J.P., Xu Z.D., Chen W.L., Zhang X.B.,

Cheng D.H., Tribological properties of Ni-P- Multi-walled

carbon nanotubes electroless composite coating, Materials

Letters 2003, 57, 1256-1260.

[6] Wu B., Yu X.H., Zhang B., Xu B.S., Preparation and charac-

terization of graphite-nickel composite by automatic brush

plating, Surface & Coatings Technology 2008, February,

1975-1979.

[7] Liu A.,Welsch G. E., Mullen R. L., Hazony D., Properties of

closed-cell nickel-graphite composite, Marallurgical and Ma-

terials Transaction 2006, 9, 2849-2858.

PODSUMOWANIE I WNIOSKI

Badania zrealizowane w ramach niniejszej pracy wy-

kazały, że:

– warstwy Ni i Ni/C grafit wytworzone metodą elektro-

chemiczną charakteryzują się szczelnością oraz zwar-

tą budową na całej pokrywanej powierzchni,

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: