Ηλεκτρολυτική συναπόθεση νανο-σωματιδίων SiC σε μήτρα Ni-P: Δομή και Μηχανικές ιδιότητες

Abstract

Η συνεχόμενη εξέλιξη της τεχνολογίας, καθώς και οι απαιτήσεις που δημιουργούνται από αυτή, δημιουργούν την ανάγκη βελτιστοποίησης των μηχανολογικών υλικών που χρησιμοποιούνται σε αυτές. Ιδιαίτερης σημασίας φαίνεται πως είναι οι ιδιότητες των μεταλλικών επιφανειών, εξαιτίας της αλληλεπίδρασής τους με το περιβάλλον. Η ικανοποίηση των απαιτήσεων για ενισχυμένες μηχανικές ιδιότητες έχουν φέρει στο προσκήνιο, τόσο σε ερευνητικό όσο και σε τεχνολογικό επίπεδο, τις μεταλλικές επικαλύψεις. Μεγάλο ενδιαφέρον παρουσιάζουν οι μεταλλικές επικαλύψεις κράματος νικελίου – φωσφόρου, ενώ σταδιακά παρασκευάζονται και μελετώνται οι σύνθετες επικαλύψεις μήτρας Ni – P. Στην παρούσα διπλωματική εργασία παρασκευάσθηκαν σύνθετες ηλεκτρολυτικές επικαλύψεις Ni–P/nano–SiC, από τροποποιημένο λουτρό τύπου Watts, με χρήση τόσο συνεχούς όσο και παλμικού ρεύματος σε συγκεκριμένες παραμέτρους (duty cycle 50 %, ν=0.01–100 Hz, pH=1.5–4). Ο στόχος της συγκεκριμένης εργασίας ήταν η μελέτη της μορφολογίας, της δομής, της σύστασης, της μικροσκληρότητας και της τριβολογικής συμπεριφοράς των παραγώμενων επικαλύψεων ως συνάρτηση των επιβαλλόμενων συνθηκών ηλεκτρολυτικής συναπόθεσης (pH, τύπος και παράμετροι ρεύματος: συνεχές και παλμικό). Από τα πειραματικά αποτελέσματα των σύνθετων αποθεμάτων Ni–P/nano-SiC προέκυψε πως υπάρχει εξάρτηση του ποσοστού συναπόθεσης νανοσωματιδίων SiC από τις επιβαλλόμενες συνθήκες ηλεκτρόλυσης, καθώς αποδείχθηκε ότι το ποσοστό συναπόθεσης νανοσωματιδίων SiC εξαρτάται ισχυρά από την τιμή pH. Επίσης, το ποσοστό φωσφόρου στη μήτρα μειώθηκε με την αύξηση του ποσοστού SiC στο απόθεμα, γεγονός που μπορεί να αποδοθεί στην παρουσία των σωματιδίων SiC, τα οποία πιθανόν παρεμποδίζουν την παραγωγή της φωσφίνης σύμφωνα με τον έμμεσο μηχανισμό δημιουργίας του κράματος Ni-P. Παρατηρήθηκε ακόμα, ότι οι σύνθετες επικαλύψεις Ni–P/nano–SiC που παρασκευάστηκαν σε συνθήκες παλμικού ρεύματος σε pH 2.5 χαρακτηρίζονται από άμορφη δομή, ενώ αντίθετα οι σύνθετες επικαλύψεις που παρασκευάζονται σε pH ≥3.5 μεταβαίνουν σε νανοκρυσταλλική κατάσταση. Γενικά, διαπιστώθηκε ότι η εφαρμογή του παλμικού ρεύματος φαίνεται να επιφέρει αλλαγή και στην επιφανειακή μορφολογία των σύνθετων επικαλύψεων, με αποτέλεσμα να δημιουργούνται πιο ομοιόμορφες και πιο λείες επιφάνειες. Ακολούθως, μελετήθηκαν οι τιμές της μικροσκληρότητας των αποθεμάτων Ni–P/nano-SiC που έχουν παρασκευαστεί σε συγκεκριμένες συνθήκες επιβολής παλμικού ρεύματος και έδειξαν ότι με αύξηση της συχνότητας εμφανίζεται η μέγιστη τιμή μικροσκληρότητας επικάλυψης. Γενικά, οι τιμές μικροσκληρότητας όλων των αποθεμάτων Ni-P/SiC κυμαίνονται μεταξύ 500 και 640 HV. Στις σύνθετες επικαλύψεις που παρασκευάσθηκαν σε συνθήκες παλμικού ρεύματος σημειώνεται σταδιακή αύξηση της μικροσκληρότητας καθώς αυξάνεται το pH του ηλεκτρολυτικού διαλύματος. Η παρατηρούμενη αύξηση μικροσκληρότητας μπορεί να αποδοθεί στη σταδιακή μετάβαση της άμορφης δομής της κραματικής μήτρας Ni–P σε νανοκρυσταλλική λόγω της αύξησης του pH. Επιπροσθέτως, διαπιστώθηκε ότι μεταξύ της μικροσκληρότητας των σύνθετων επικαλύψεων και του ποσοστού συναπόθεσης ναμοσωματιδίων SiC δεν υπάρχει σημαντική συσχέτιση. Από την άλλη, διαπιστώθηκε ότι καθώς αυξάνεται το ποσοστό του φωσφόρου μειώνεται η τιμή της μικροσκληρότητας των σύνθετων επικαλύψεων. Όσον αφορά στην τριβολογική μελέτη των αποθεμάτων διαπιστώθηκε ότι ο συντελεστής τριβής αυξάνεται αυξανομένης της συχνότητας του παλμικού ρεύματος, που πιθανότατα συνδέεται με τη μη ομοιόμορφη διασπορά των νανοσωματιδίων SiC στη μεταλλική μήτρα. Επίσης, η αύξηση του pH επιφέρει μείωση του συντελεστή τριβής των αποτιθέμενων τόσο υπό συνεχές όσο και υπό παλμικό ρεύμα λόγω της μεταβολής της δομής των επικαλύψεων. Επιπλέον, παρατηρείται ότι η επικάλυψη που έχει παρασκευαστεί σε συνθήκες συνεχούς ρεύματος παρουσιάζει σχετικά υψηλό συντελεστή όγκου φθοράς σε σύγκριση με τα αποθέματα που προήλθαν με την εφαρμογή της παλμικής απόθεσης, ενώ σημειώνεται, επίσης, ότι ο συντελεστής όγκου φθοράς μειώνεται με αύξηση της συχνότητας παλμών. Προκύπτει, επίσης, ότι η αύξηση της μικροσκληρότητας οδηγεί σε μείωση της φθοράς λόγω τριβής ολίσθησης. Τέλος όσον αφορά στους μηχανισμούς φθοράς των επικαλύψεων Ni–P/nano–SiC που υπέστησαν τις τριβολογικές δοκιμές, τα αποτελέσματα των τριβολογικών δοκιμών υποδεικνύουν ότι τα αποθέματα παρουσιάζουν φθορά λόγω εκτριβής και πρόσφυσης, ενώ ταυτόχρονα παρατηρήθηκε ο σχηματισμός προστατευτικού στρώματος, το οποίο συντίθεται από τα οξειδωμένα προϊόντα τριβής.

The ongoing evolution of technology as well as the resulting demands creates the need for optimization of engineering materials. Especially, of crucial importance seems to be the properties of metal surfaces due to their interaction with the environment. Both research and technology focus on the development of coatings that can fulfill this demand for enhanced mechanical properties. Among the pletora of used metallic and composite coatings, Ni-P alloy and Ni-P composite coatings have attracted the interest of research for industrial applications. In this diploma thesis, Ni-P/nano-SiC electrolytic composite coatings were produced under direct and pulse plating conditions (duty cycle 50 %, frequency=0.01–100 Hz, pH=1.5–4). The aim of this work was to study the effect of imposed conditions of electrolytic co-deposition (pH, type of current, current parameters) on the morphology, structure, composition, microhardness and the tribological performance of the produced composite alloy coatings. The experimental results concerning the Ni-P/nano-SiC composite coatings revealed that there is a dependence of the percentage of codeposited nanoparticles SiC on the pH value of the electrolytic bath. Moreover, the presence of nanoparticles SiC seems to inhibit the production of phosphine according to the indirect mechanism of alloy Ni-P production and thus, increased co-deposition rate of SiC nanoparticles were accompaned by a decrease of phosphorous content in the matrix. Composite coatings Ni-P/nano-SiC produced under pulsed current conditions and pH ≤ 2.5 are characterized by an amorphous structure, while those produced at pH ≥ 3.5 seems to exhibit a nanocrystallineone. Overall, it was found that the application of pulsed current affects the surface morphology of composite coatings resulting to the production of more uniform and smoother coatings in comparison to those produced under direct current conditions. The study of mechanical properties and specifically the microhardness measurements revealed that the coatings that were produced by utilizing high frequency pulse plating exhibited the highest microhardness. In generall, the microhardness values of the produced coatings ranged between 500 and 640 HV. Composite coatings produced utilizing pulsed current revealed a dependence of the microhardness on the pH of the electrolytic bath. Specifically, as the pH was increased gradually, the microhardness values also increased. This increase could be attributed to the transition of the amorphous phase of the Ni-P alloy matrix to the nanocrystalline structure. Furthermore, it seems that there is no a straight dependence between microhardness values of composite coatings and the percentage of co-deposited SiC nanoparticles. However, it was found that increase of phosphorus content leads to a decrease of the microhardness values. Regarding the tribological performance of the composite coatings, it was found that the coefficient of friction increased when the frequency of applied pulses increased. Probably this could be associated with a non-uniform dispersion of SiC nanoparticles in the metal matrix.Moreover, when pH was increased the friction coefficient of the coatings was reduced both for coatings produced under direct and pulse current conditions as a consequence of changes in the structure of coatings. Moreover, it was observed that the coatings produced under direct current conditions had a relative high wear rate in comparison with the coatings produced in pulse current regime. The coefficient or wear rate decreases with increasing values of applied pulse frequency. Also, increased microhardness leads to a reduction of wear rate values and of sliding friction coefficient. Finally, regarding the wear mechanisms in composite coatings Ni-P/nano-SiC during tribological tests, observation of the wear tracks utilizing SEM and EDAX techniques indicate that the coatings exhibited abrasion and adhesion wear, while simultaneously a formation of protective layer was observed that consists of oxidized products of friction.