О ВЛИЯНИИ РАЗМЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ДИСПЕРСНОЙ ФАЗЫ НА СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ

 

Звонарев Д.Ю. (КурскГТУ, г. Курск, РФ)

 

The work includes process description of the shaping galvanic coatings depending on properties of strengtheming phase.

 

Факт формирования гальванических покрытий, дисперсно-упрочненных частицами самых различных порошковых материалов известен давно. К настоящему моменту разработано и применяется в производстве множество подобных композиций. Однако в последнее время с возрастанием интереса к нанотехнологиям все больше влияния уделяется гальваническим покрытиям, полученным с применением порошков крайне высокой дисперсности.

Сделав обзор исследований, проведенных другими авторами, а также опираясь на результаты своих исследований, можно выделить несколько основных механизмов упрочнения композиционных гальванических покрытий (КГП), непосредственно определяемых свойствами дисперсной фазы.

Заращивание относительно крупных частиц (10 – 50 мкм) [1, 2] приводит к возникновению напряжений сжатия вокруг них, и как следствие к некоторому улучшению свойств самих покрытий. Необходимо отметить трудности формирования покрытий такого типа – частицы такой дисперсности обладают низкой сорбционной способностью по отношению к покрытиям, малоподвижны в суспензиях, искажают линии электромагнитных полей на поверхностях осаждения.

Такой комплекс недостатков достаточно быстро привел к сосредоточению внимания исследователей на порошках с высокой степенью дисперсности, (1 – 5 мкм). Механизм упрочнения покрытий в данном случае пока до конца неясен, основные же гипотезы следующие: формирование неоднородных полей внутренних напряжений, блокировка роста кристаллитов, включение частиц порошков в покрытие в виде дополнительных центров кристаллизации. По-видимому, каждый из перечисленных механизмов реализуется в растущем покрытии с различной степенью интенсивности и очевидно, что для реализации каждого из них необходимо обеспечение определенных свойств дисперсной фазы.

Выполненные исследования блестящих хромовых покрытий, упрочненных порошками вольфрамокобальтовых сплавов (средний размер 1,5…1,8 мкм при доле частиц с размером менее микрона от общего количества в объеме порошка более 50%) показали следующие особенности:

-     для КГП нехарактерно послойное формирование за счет роста двухмерных зародышей и образование отдельных крупных кристаллитов (сфероидов);

-     отмечено снижение пористости покрытий;

-     скорость роста покрытия при заданных токовых и температурных режимах возрастает;

-     возможно существенное увеличение плотности катодного тока без ухудшения свойств покрытий.

Анализируя полученные результаты, было выдвинуто предположение о следующем механизме формирования структур данных покрытий: мелкая фракция (порядка 10^-7 - 10^-6 м) будет блокировать рост крупных кристаллов хрома, и выступать в роли центров электрокристаллизации, способствуя формированию мелкокристаллической структуры покрытия. В этом случае механизм формирования покрытия можно представить следующим образом.

Как и при осаждении неупрочненных покрытий, рост зародыша КГП будет развиваться в плоскости параллельной подложке, что выражается в послойном формировании гальванических покрытий. Однако, частицы дисперсной фазы, зарастая в покрытие, становятся частью катода и дальнейшая электрокристаллизация будет происходить от их поверхности. Таким образом, работа роста покрытия в направлении перпендикулярном подложке значительно снижается. Если частиц адсорбируется на катод достаточное количество, то рост покрытия в данном направлении значительно возрастает, а образование сфероидов подавляется.

Рисунок 1 – Схема роста композиционного гальванического покрытия: 1 – подложка; 2 – частица дисперсной фазы; 3 – микросфероид. Стрелками показано направление роста покрытия

 

При этом ультрадисперсные частицы не будут создавать искажения линий электромагнитного поля, как при заращивании крупных частиц, не нарушая тем самым равномерности осаждаемого покрытия.

Рассмотрев модель формирования хромовых КГП можно сделать вывод, что помимо режима электролиза на скорость роста композиционных покрытий в значительной степени будут влиять адсорбирующиеся на поверхность катода частицы дисперсной фазы. Следовательно, при осаждении хрома из электролитов-суспензий возрастает выход хрома по току, а количество диффундирующего в покрытие водорода и сформировавшейся метастабильной β-фазы уменьшается.

Следует учитывать, что в данной схеме частицы дисперсной фазы не могут являться гетерогенными центрами кристаллизации, т.е. по сути выступать в роли электролитического модификатора. Как известно, размер кристаллитов блестящего хрома составляет порядка 0,001 – 0,01 мкм, на основании чего можно предположить, что размер частиц дисперсной фазы для данного типа покрытий должен быть не более 0,002 – 0,004 мкм. Помимо этого следует выполнить условие сродства кристаллических решеток модификатора и кристаллизующегося металла.

Получение и изучение покрытий, упрочненных нанодисперсными частицами, весьма сложная задача и, в первую очередь, затруднения вызывает получение требуемого материала дисперсной фазы с заданными свойствами: необходимо обеспечить гранулометрический состав и химическую чистоту порошка, следует учитывать трудности приготовления электролитов-суспензий на их основе.

Разработанные способы [3, 4] приготовления электролитов-суспензий с использованием порошков, полученных электроэрозионным диспергированием, несмотря на их технологичность, приводят к загрязнению гальванической ванны примесями и быстрому старению электролита.

Таким образом, основная цель наших исследований в данном направлении на ближайшую перспективу – совершенствование технологии получения порошков с наноразмерами частиц, исследование механизмов структурообразования гранул порошков, их кристаллического строения, фазового и химического состава.

 

Литература

1.    Бородин И.Н.. Порошковая гальванотехника. - М.: Машиностроение, 1990. – 240 с.

2.    Молчанов В.Ф., Аюпов Ф.А., Вандышев В.А., Дзыцюк В.М. Комбинированные электролитические покрытия. - Киев. Техника. 1976.- 176 с.

3.    Патент на изобретение №2278909. Способ получения электролита для нанесения композиционных гальванических покрытий с использованием  дисперсных порошков / Масленков СБ., Петридис А.В., Толкушев А.А., Винокуров О.В., Звонарев Д.Ю.; заявитель и патентообладатель Курск. гос. техн. ун-т.

4.    Патент на изобретение №2280718. Способ нанесения композиционных  гальванических покрытий с использованием порошков, полученных электроэрозионным диспергированием / Масленков СБ., Петридис А.В., Толкушев А.А., Винокуров О.В., Звонарев Д.Ю.; заявитель и патентообладатель Курск. гос. техн. ун-т.