Strona 75 z 134 8.2. Badania topografii powierzchni
8.2.1. Badania profilometryczne
Badania topografii powierzchni posłużyły do określenia parametrów wysokości wierzchołków, chropowatości, a także izotropii badanej powierzchni, z uwzględnieniem obszarów zagłębień i wzniesień.
Wyniki odwzorowania powierzchni pokazują, że parametry charakteryzujące wysokość średniokwadratową powierzchni (Sq), wysokość maksymalną (Sz) i średnią arytmetyczną (Sa) są najmniejsze dla podłoża, tzn. stopu AW-7075 bez warstwy Ni-P. Wyniki dla podłoża są najkorzystniejsze w porównaniu z warstwami Ni-P i przełożyły się również na ich mniejszą chropowatość. Profile wszystkich badanych warstw Ni-P charakteryzują się kształtami o zauważalnych ostrych wierzchołkach. Dla powłoki Ni-P o grubości 20 µm zanotowano największą chropowatość, jednak analizując uzyskane wyniki, chropowatość oraz parametry wysokości wierzchołków wszystkich powłok Ni-P są do siebie zbliżone. W tabelach 8.1, 8.2 i 8.3 przedstawiono uśrednione wartości wyników badań.
Powierzchnia podłoża, zastosowana powłoka i jej grubość wpływają na topografię powierzchni oraz chropowatość. W celu graficznego zobrazowania badanych powierzchni oraz wizualnego porównania wyników chropowatości i parametrów wysokości z tabel 8.1 i 8.2 na rysunkach 8.18 – 8.41 przedstawiono obrazy, które odzwierciedlają wyniki badań profilometrycznych i stanowią ich graficzną interpretację.
Strona 76 z 134
Przygotowanie mechaniczne w postaci szlifowania oraz polerowania miało wpływ na wyniki.
Jednak zwiększenie parametrów chropowatości zauważono dopiero po osadzeniu warstw na stopie aluminium, ze względu na wcześniej przeprowadzony chemiczny proces przygotowania powierzchni, tzn. trawienie i cynkowanie. Profile wszystkich badanych warstw Ni-P charakteryzują się kształtami o zauważalnych ostrych wierzchołkach. Dla powłoki Ni-P o grubości 30 µm zanotowano wyraźnie mniejszą chropowatość z uwagi na wpływ podłoża i międzywarstwy cynkowej, który zmniejsza się wraz ze wzrostem grubości powłoki. Jednak parametry wysokości dla tej warstwy są największe ze względu na falistość podłoża, którą można zaobserwować na rys. 8.26 i porównać z innymi obrazami badanych próbek.
W przypadku warstw nanokompozytowych wzrost parametrów chropowatości powierzchni również nastąpił dopiero po osadzeniu warstw na stopie AW-7075, co było związane nie tylko z obróbką mechaniczną, ale również przygotowaniem chemicznym powierzchni przed procesem osadzania (trawieniem i cynkowaniem), a także zawartością wbudowanych cząstek Si3N4 w powłoce.
W rzeczywistości im większa zawartość fazy dyspersyjnej oraz wymiary cząstek, tym większy ich wpływ na chropowatość powierzchni materiału powłokowego. Jednak w różnych procesach produkcyjnych kształtują się różne morfologie powierzchni i zarówno po obróbce mechanicznej, jak i chemicznej charakteryzują się bardziej lub mniej uprzywilejowanym kierunkiem. Zauważono, że uzyskane wartości Rz, Ra oraz Sq, Sz i Sa dla próbek z powłokami Ni-P oraz Ni-P/Si3N4 (5 g/dm3) są do siebie bardzo zbliżone, a próbka z powłoką Ni-P/Si3N4 (2 g/dm3) charakteryzuje się wyraźnie większą chropowatością. Świadczy to o decydującym wpływie procesów mechanicznych i chemicznych wobec stopu AW-7075 na chropowatość powierzchni, a wpływ zawartości fazy dyspersyjnej był bardzo niewielki, zwłaszcza przy nanometrycznych wymiarach cząstek. Ponadto małe wartości i różnice wysokości wierzchołków charakteryzują profil o zaokrąglonych grzbietach i o dobrej odporności na ścieranie. Wszystkie profile badanych warstw charakteryzują się kształtami o wyraźnych i ostrych wierzchołkach, a także większymi wartościami parametrów Sq, Sz i Sa. Jedynie powłoka Ni-P/Si3N4 o zawartości fazy dyspersyjnej 2 g/dm3 wykazała się największą chropowatością oraz wysokościami zaobserwowanych wierzchołków w porównaniu do pozostałych badanych powierzchni, co zostało również pokazane graficznie.
Graficzne przedstawienie uzyskanych wyników zaprezentowano przykładowo na rysunkach 8.18 – 8.41, które obrazują, m.in. wizualne ukształtowanie powierzchni, a także odpowiednio wykresy chropowatości z nałożeniem profili chropowatości z zaznaczeniem profilu uśrednionego – osobno zostały zobrazowane według osi „x” i „y”. Wierzchołki chropowatości, które są wyraźne dla wszystkich badanych warstw niklowych i nanokompozytowych. Mają one duże znaczenie głównie w badaniach tribologicznych, a także w teście na zarysowanie z punktu widzenia ich ewentualnego wpływu na adhezję oraz szybkość zużycia osadzonej warstwy.
Przedstawione obrazy dwuwymiarowe są dużej rozdzielczości i w przebadanych miejscach można dokładnie określić gęstość oraz usytuowanie wierzchołków. Na obrazach trójwymiarowych dodatkowo można porównać poszczególne wysokości oraz graficznie sprawdzić ich różnice.
Wszystkie osadzone warstwy charakteryzują się wierzchołkami, które są podobne i występują z podobnym zagęszczeniem.
Strona 77 z 134
Rys. 8.18. Obrazy topografii powierzchni próbki z warstwą Ni-P o grubości 10 µm
Strona 78 z 134
Rys. 8.19. Serie profili chropowatości powierzchni dla powłoki Ni-P o grubości 10 µm wzdłuż osi „y” (niebieska linia oznacza profil uśredniony)
Rys. 8.20. Serie profili chropowatości powierzchni dla powłoki Ni-P o grubości 10 µm wzdłuż osi „x” (niebieska linia oznacza profil uśredniony)
Rys. 8.21. Kierunkowość struktury powierzchni dla próbki z powłoką Ni-P o grubości 10 µm
Strona 79 z 134
Rys. 8.22. Obrazy topografii powierzchni próbki z warstwą Ni-P o grubości 20 µm
Strona 80 z 134
Rys. 8.23. Serie profili chropowatości powierzchni dla powłoki Ni-P o grubości 20 µm wzdłuż osi „y” (niebieska linia oznacza profil uśredniony)
Rys. 8.24. Serie profili chropowatości powierzchni dla powłoki Ni-P o grubości 20 µm wzdłuż osi „x” (niebieska linia oznacza profil uśredniony)
Rys. 8.25. Kierunkowość struktury powierzchni dla próbki z powłoką Ni-P o grubości 20 µm
Strona 81 z 134
Rys. 8.26. Obrazy topografii powierzchni próbki z warstwą Ni-P o grubości 30 µm
Strona 82 z 134
Rys. 8.27. Serie profili chropowatości powierzchni dla powłoki Ni-P o grubości 30 µm wzdłuż osi „y” (niebieska linia oznacza profil uśredniony)
Rys. 8.28. Serie profili chropowatości powierzchni dla powłoki Ni-P o grubości 30 µm wzdłuż osi „x” (niebieska linia oznacza profil uśredniony)
Rys. 8.29. Kierunkowość struktury powierzchni dla próbki z powłoką Ni-P o grubości 30 µm
Strona 83 z 134
Rys. 8.30. Obrazy topografii powierzchni próbki ze stopu AW-7075 bez osadzonej warstwy
Strona 84 z 134
Rys. 8.31. Serie profili chropowatości powierzchni dla stopu AW-7075 wzdłuż osi „y” (niebieska linia oznacza profil uśredniony)
Rys. 8.32. Serie profili chropowatości powierzchni dla stopu AW-7075 wzdłuż osi „x” (niebieska linia oznacza profil uśredniony)
Rys. 8.33. Kierunkowość struktury powierzchni dla próbki ze stopu AW-7075 bez powłoki
Strona 85 z 134
Rys. 8.34. Obrazy topografii powierzchni próbki z warstwą Ni-P/Si3N4 (2 g/dm3) o grubości 10 µm
Strona 86 z 134
Rys. 8.35. Serie profili chropowatości powierzchni dla powłoki Ni-P/Si3N4 (2 g/dm3) o grubości 10 µm wzdłuż osi „y” (niebieska linia oznacza profil uśredniony)
Rys. 8.36. Serie profili chropowatości powierzchni dla powłoki Ni-P/Si3N4 (2 g/dm3) o grubości 10 µm wzdłuż osi „x” (niebieska linia oznacza profil uśredniony)
Rys. 8.37. Kierunkowość struktury dla próbki z powłoką Ni-P/Si3N4 (2 g/dm3) o grubości 10 µm
Strona 87 z 134
Rys. 8.38. Obrazy topografii powierzchni próbki z warstwą Ni-P/Si3N4 (5 g/dm3) o grubości 10 µm
Strona 88 z 134
Rys. 8.39. Serie profili chropowatości powierzchni dla powłoki Ni-P/Si3N4 (5 g/dm3) o grubości 10 µm wzdłuż osi „y” (niebieska linia oznacza profil uśredniony)
Rys. 8.40. Serie profili chropowatości powierzchni dla powłoki Ni-P/Si3N4 (5 g/dm3) o grubości 10 µm wzdłuż osi „x” (niebieska linia oznacza profil uśredniony)
Rys. 8.41. Kierunkowość struktury dla próbki z powłoką Ni-P/Si3N4 (5 g/dm3) o grubości 10 µm
Strona 89 z 134
Wykresy biegunowe na rysunkach 8.21, 8.25 oraz 8.29 przedstawiają próbki z osadzoną warstwą Ni-P o różnej grubości, natomiast na rysunkach 8.37 i 8.41 – próbki z warstwą nanokompozytową Ni-P/Si3N4 o różnej zawartości fazy dyspersyjnej. Rysunek 8.33 dotyczy próbki AW-7075 bez powłoki. Wyniki zostały zebrane do tabeli 8.3.
Tabela 8.3. Kierunki struktur powierzchni
Wszystkie próbki z osadzonymi warstwami Ni-P oraz Ni-P/Si3N4 charakteryzują się strukturą izotropową poza próbką z powłoką Ni-P o grubości 30 µm. Wpływ na ten wynik miał wyraźnie falisty kształt powierzchni (rys. 8.9) uzyskany po obróbce mechanicznej. W przypadku próbki bez osadzonej warstwy, powierzchnia charakteryzuje się strukturą mieszaną, pomimo jej bardzo dokładnego wypolerowania na tzw. „gładkie lustro”. Różnice izotropii między próbką ze stopu AW-7075, a próbkami z osadzonymi warstwami wynosi od 40 do 55,2 % (nie uwzględniając próbki z powłoką Ni-P o grubości 30 µm ze względu na błąd kształtu powierzchni). Osadzanie warstw Ni-P oraz Ni-P/Si3N4
metodą redukcji chemicznej na przygotowane mechanicznie i chemicznie podłoże przyczynia się do zwiększenia izotropii powierzchni próbek.
8.3. Badania właściwości mechanicznych
Badania rozpoczęto od podstawowych badań twardości, ponieważ twardość ma decydujący wpływ na zużycie ścierne elementów maszyn. W celu zwiększenia twardości powierzchni stopu aluminium zdecydowano się na osadzenie warstw niklowych i kompozytowych, które w układzie z podłożem, zostały poddane różnym badaniom mechanicznym. Badania przeprowadzono na Politechnice Poznańskiej oraz w Instytucie Mechaniki Precyzyjnej w Warszawie. W celu potwierdzenia wpływu wzrostu twardości powierzchni na zwiększenie jej odporności na zużycie ścierne, próbki poddano również późniejszym badaniom tribologicznym.
8.3.1. Próba twardości
Wyniki wstępnych badań twardości, które wykonano dla stopu AW-7075 zgodnie z Normą PN-EN ISO 6507-1:2007 przedstawiono w tabeli 8.4.
Tabela 8.4. Uśrednione wyniki badań twardości stopu AW-7075
Materiał HV1 Odchylenie
standardowe
AW-7075 145,38 4,25
Wstępne badania twardości na powierzchni próbki wykonanej ze stopu AW-7075, który stanowi materiał podłoża przed osadzeniem powłoki, wykazuje się twardością zgodną z minimalnymi wartościami literaturowymi oraz podawanymi przez producentów. Ponadto uwzględniając
Strona 90 z 134
odchylenie standardowe, zgodnie z którym rozrzut wyników wynosi około 2 %, materiał charakteryzuje się stałą twardością w każdym punkcie pomiarowym, co wskazuje na jego jednorodność i brak zmian strukturalnych, które dyskwalifikowałyby go. Minimalna wartość twardości wynosiła 138,2 HV, natomiast maksymalna 148,9 HV. Nie zauważono słabszych miejsc odbiegających od wartości uśrednionej i badany stop może stanowić materiał do dalszych badań oraz podstawę pod osadzane powłoki. Uzyskano podstawowe dane dotyczące badanego stopu, co pozwoliło na wykonanie szeregu kolejnych badań ukierunkowanych na uzyskanie szczegółowych informacji dotyczących właściwości mechanicznych. W celu dokładnego scharakteryzowania materiału podłoża, a także osadzonych warstw niezbędne było przeprowadzenie badań mikrotwardości metodą DSI, które umożliwiło zarejestrowanie wielu innych parametrów z dużo większą dokładnością. Wyniki badań metodą DSI przedstawiono w podrozdziale 8.3.2.