Charakterystyka kompozytowej powłoki Ni-P/Si 3 N 4

4.3.1. Wprowadzenie

Do wytwarzania warstw kompozytowych stosuje się materiał ceramiczny Si3N4 w postaci polidyspersyjnego proszku o wymiarach cząstek w przedziale 0,1 ÷ 10 μm lub dużo mniejszych o wielkościach nanometrycznych [45].

Dotychczasowe badania w Instytucie Mechaniki Precyzyjnej w Warszawie wykazały, że wcześniejsze zastosowanie cynkowania powierzchni aluminium i jego stopów zapewnia dobrą adhezję do podłoża zarówno warstw niklowych Ni-P, jak i kompozytowych Ni-P/Si3N4 osadzonych metodą redukcji chemicznej. Cząstki Si3N4 przyczyniają się przede wszystkim do zwiększenia mikrotwardości materiału warstwy oraz zwiększenia jej odporności na ścieranie. Warstwy kompozytowe Ni-P/Si3N4 wytworzone metodą redukcji chemicznej charakteryzują się lepszymi właściwościami mechanicznymi niż warstwy Ni-P. Przykładowe morfologie zostały przedstawione na rys. 4.10.

Rys. 4.10. Przykładowe obrazy warstw o różnej zawartości cząstek Si3N4 uzyskane metodą EDS [22]

Strona 42 z 134 4.3.2. Właściwości warstw Ni-P z fazą dyspersyjną Si3N4

Budowa i właściwości wytworzonych warstw kompozytowych zdeterminowane są zarówno strukturą materiału osnowy, jak i zbiorem cząstek ceramicznej fazy dyspersyjnej zawartych w objętości materiału.

Warstwy kompozytowe Ni-P/Si3N4 można osadzać metodą redukcji chemicznej właściwie na każdej powierzchni. Jednak zasadnicze znaczenie ma twardość podłoża, przeznaczenie wytwarzanej powłoki, a także jej przyczepność i gradientowość właściwości mechanicznych. Wiele prac badawczych potwierdza możliwość zastosowania tego typu powłok na części maszyn, głównie wykonanych ze stali. Ponadto w pracy [45] wstępnie potwierdzono ogólną możliwość osadzenia tego typu powłok na stopach aluminium serii 5xxx, które zwiększają, m.in. twardość powierzchni. Jednak w wielu pracach brakuje odniesienia do badań tribologicznych lub zostały przeprowadzone tylko dla jednej kompozycji powłoki w jednakowych warunkach środowiskowych, zwłaszcza że do tej pory nie stosowano tego typu rozwiązań w celu polepszenia właściwości mechanicznych i tribologicznych części maszyn, wykonanych z aluminium.

Rozmiary cząstek Si3N4 zawierają się zazwyczaj w przedziale od kilku nanometrów do około 10 µm. Faza dyspersyjna Si3N4 wprowadzana jest do osadzanej warstwy Ni-P metodą redukcji chemicznej w identyczny sposób jak inne fazy (np. SiC, Al2O3, diament, nanodiament), tzn. przez wprowadzanie do kąpieli galwanicznej. Natomiast zawartość dyspersyjnej fazy ceramicznej w materiale kompozytowym warstwy zależy już od stężenia proszku w kąpieli, w której warstwa jest wytwarzana, jak również od szybkości mieszania kąpieli.

W pracy [22] wykazano, że po zastosowaniu na stopie AZ31Mg powłoki Ni-P/Si3N4 jej mikrotwardość wzrosła z 650HV do 790HV przy zawartości nanorurek Si3N4 w kąpieli na poziomie 1,5 g/dm³ w porównaniu do konwencjonalnej powłoki Ni-P [10]. W podobnych badaniach [28], gdzie podłożem było żelazo, uzyskuje się znaczący wzrost mikrotwardości do poziomu około 1078HV dla Ni-P oraz 1173HV dla Ni-Ni-P/Si3N4 po zastosowaniu obróbki cieplnej tych powłok polegającej na wygrzewaniu w stałej temperaturze 400°C w czasie 1 godziny.

Poza tym zauważono, iż najbardziej jednorodną strukturę posiada warstwa wytworzona w kąpieli o zawartości 1,5 g/dm³ Si3N4, natomiast przy wzroście zawartości nanorurek do 2,5 g/dm³ uwidaczniają się ciemne punkty w powłoce. Te punkty są miejscami dużej koncentracji nanorurek Si3N4 (rys. 4.10) [22, 25].

Według [29] wyniki badań wstępnych wykazały, że nanocząstki Si3N4 przyczyniają się przede wszystkim do zwiększenia mikrotwardości materiału warstwy oraz zwiększenia odporności na ścieranie. Warstwy kompozytowe Ni-P/Si3N4 wytwarzane metodą redukcji chemicznej oraz osadzane w kąpieli z dodatkiem 10 g/dm³ nanocząstek Si3N4 na stopie aluminium AW-7075 wykazują lepsze właściwości mechaniczne w porównaniu do warstw Ni-P bez wbudowanej fazy dyspersyjnej, a także w porównaniu do materiału podłoża. Przykładowo twardość warstwy kompozytowej wzrosła o około 10 % wobec warstwy Ni-P, natomiast w porównaniu do stopu AW-7075 o ok. 167 %, stanowiącego podłoże. Nadal jednak nie do końca znany jest szczegółowy wpływ innych konfiguracji chemicznych po względem zawartości fazy dyspersyjnej oraz grubości warstwy na jej właściwości mechaniczne i tribologiczne po osadzeniu na stopie AW-7075 stanowiącego materiał konstrukcyjny na części maszyn.

Strona 43 z 134

4.3.3. Możliwości zastosowania powłoki przeciwzużyciowej Ni-P/Si3N4 bezpośrednio na stopy aluminium

W przypadku osadzania warstw metalowych metodami chemicznymi na aluminium i jego stopach występują dość specyficzne problemy, które wynikają z jego chemicznych właściwości.

Aluminium jako pierwiastek o dużej aktywności chemicznej wykazuje znaczną skłonność do pasywacji, co stanowi istotną barierę w osadzaniu na nim i jego stopach warstw metalowych mocno połączonych z podłożem. Ponadto aluminium jako pierwiastek amfoteryczny ulega działaniu zarówno roztworów kwaśnych, jak i alkalicznych. Jego stosunkowo niski standardowy potencjał elektrochemiczny (-1,662 V) ma wpływ na przebieg reakcji elektrochemicznych dla wielu metali oraz powoduje kontaktowe osadzanie niektórych z nich, co nie zapewnia dobrego powiązania warstwy takich metali z aluminiowym podłożem. Toteż wytworzenie warstwy metalowej na wyrobach z aluminium i jego stopów o dobrej spójności z podłożem wymaga odpowiedniego przygotowania powierzchni materiału podłoża przed właściwym procesem osadzania warstwy.

W celu zapewnienia dobrej jakości i przyczepności do podłoża osadzanym warstwom kompozytowym Ni-P/Si3N4 metodą redukcji chemicznej na powierzchni stopów aluminium, powierzchnie elementów poddawane są odtłuszczaniu, trawieniu oraz cynkowaniu w roztworach odpowiednio dobranych do składu każdego materiału poddawanego takiej obróbce. Odtłuszczanie wykonywane może być w rozpuszczalniku organicznym ze wspomaganiem ultradźwiękami. Usuwanie z powierzchni warstwy tlenkowej utworzonej we wcześniejszych procesach kształtowania materiału dokonywane jest w wyniku trawienia w roztworze zasadowym lub kwaśnym. Tak przygotowane powierzchnie poddawane są następnie cynkowaniu w wieloskładnikowym roztworze zawierającym NaOH, ZnO oraz inne substancje buforująco-kompleksujące. Zapewnienie dobrej adhezji nakładanych warstw kompozytowych wymaga usunięcia warstwy tlenkowej z powierzchni aluminiowego podłoża.

Warstwa tlenkowa usuwana w procesie trawienia jest natychmiast odbudowywana w wyniku pasywacji aluminium. Z kolei, w celu usunięcia takiej warstewki powierzchnię podłoża poddaje się wspomnianemu cynkowaniu, w którego wyniku następuje usuwanie pasywującej warstewki tlenkowej i tworzenie na powierzchni cienkiej warstewki cynku, zapewniającej dobre połączenie warstwy kompozytowej z podłożem [45]. Przykładowy obraz morfologii warstewki cynku nałożonej na powierzchnię aluminium przedstawiony jest na rysunku 4.11.

Rys. 4.11. Przykładowa morfologia warstwy cynku na powierzchni aluminium [45]

Warstwy kompozytowe wytwarza się w kąpieli, której podstawowym składnikiem jest sól NiSO4. Jako reduktor stosuje się diwodorofosforan(I) sodu, zaś octan sodu jest buforem stabilizującym odczyn kąpieli na poziomie pH w zakresie 4,3 ÷ 4,6.

Strona 44 z 134

Aby zapobiec sedymentacji cząstek proszku oraz zapewnić jednorodność zawiesiny i ułatwić transport cząstek fazy ceramicznej w czasie procesu stosuje się mechaniczne mieszanie kąpieli z różnymi szybkościami, np. 300 obr./min i/lub 500 obr./min. Natomiast czas osadzania materiału kompozytowego dobierany jest w zależności do planowanej grubości warstwy.

Osadzany cynk równomiernie pokrywa powierzchnię aluminium. Na tak przygotowane powierzchnie, tzn. pokryte cienką warstewką cynku (rys. 4.12) można już osadzać warstwy niklowe Ni-P oraz kompozytowe Ni-P/Si3N4 [45].

Rys. 4.12. Przykładowa morfologia warstwy Ni-P na powierzchni czystego aluminium (Al) [45]

Wbudowanie cząstek dyspersyjnej fazy ceramicznej w materiał warstwy powoduje znaczną zmianę morfologii jej powierzchni. Obrazy powierzchni warstw kompozytowych Ni-P/Si3N4

osadzonych metodą chemiczną na powierzchni aluminium w kąpieli z różną zawartością fazy ceramicznej o mikrometrycznych wielkościach cząstek przedstawione zostały na rys. 4.13.

Rys. 4.13. Przykładowa morfologia warstw Ni-P/Si3N4 na powierzchni czystego aluminium (Al) w kąpieli o różnej zawartości cząstek: a – 0,5 g, b – 2 g, c – 5 g w 1 dm³[45]

Strona 45 z 134

Kilka powyższych przykładów potwierdza możliwość osadzania warstw niklowych i kompozytowych metodą redukcji chemicznej. Osadzane warstwy znacząco zmieniają morfologię warstwy wierzchniej oraz właściwości mechaniczne i tribologiczne powierzchni powlekanych elementów. Można przez to powiedzieć, że zarówno części wykonane ze stopów aluminium w połączeniu z warstwami niklowymi i kompozytowymi mogą stanowić dobrą synergiczną konfigurację w aspekcie zastosowań na części maszyn. Te wstępne wyniki badań mogą stanowić podstawę podjęcia dalszych szczegółowych badań oraz analiz w celu określenia m.in. przydatności eksploatacyjnych tego typu rozwiązań, kompozycji warstw i połączeń ze stopami aluminium.

Strona 46 z 134