Введение к работе
Актуальность темы. Наиболее эффективным методом улучшения физико-механических свойств и повышения коррозионной стойкости гальванических покрытий является электроосаждение сплавов.
Известно, что литейные сплавы медь-никель обладают рядом ценных свойств по сравнению с медью и никелем, таких как повышенная коррозионная стойкость, декоративный внешний вид, повышенная износостойкость, низкое значение переходного электросопротивления. Однако их применение ограниченно из-за высокой стоимости.
Гальванические покрытия сплавами медь-никель также обладают высокими эксплуатационными свойствами и могут применяться в качестве покрытий для конструкционных материалов, расширяя их функциональные возможности. В зависимости от состава медно-никелевый сплав имеет различные физико-механические свойства. В результате этого покрытие сплавом медь-никель может найти разнообразное применение в промышленности.
Промышленное нанесение покрытий сплавами медь-никель из известных, в частности, из пирофосфатных электролитов ограничивается сложностью получения толстых качественных осадков, низкой скоростью осаждения и низким выходом по току. С целью преодоления вышеуказанных проблем эффективным методом является использование электролитов на основе полилигандных соединений.
Электрохимическая технология позволяет наносить покрытия сплавами требуемого состава и с необходимыми свойствами путем управления режимами процесса.
В связи с этим изучение влияния параметров осаждения на состав сплава медь-никель с целью получения покрытия с требуемой коррозионной стойкостью и износостойкостью, а также изучение других физико-механических свойств осаждаемых покрытий, кинетики и механизма осаждения сплава является актуальной задачей.
Цель работы – установление зависимостей физико-механических свойств покрытий сплавом медь-никель от его состава и управление процессом осаждения с целью обеспечения коррозионной стойкости и износостойкости гальванического покрытия.
Задачи исследования:
-
Исследовать связь состава и структуры гальванического покрытия медно-никелевым сплавом с комплексом физико-механических эксплуатационных свойств.
-
Разработать электролит и определить режимы (состав, pH, температура электролита и катодная плотность тока) получения коррозионностойких и износостойких покрытий сплавами медь-никель.
-
Выявить влияние технологических параметров (катодной плотности тока, состава электролита, pH и температуры) на состав сплава и выход по току.
-
Исследовать кинетические закономерности процесса осаждения меди, никеля и сплавов медь-никель, а также меди и никеля в сплав медь-никель.
-
Разработать систему обеспечения функциональных свойств гальванических покрытий медно-никелевыми сплавами путем управления процессом осаждения.
Объект исследования – физико-механические свойства и процесс электроосаждения гальванических покрытий сплавами медь-никель.
Предмет исследования – получение гальванического покрытия сплавом медь никель с необходимой коррозионной стойкостью, износостойкостью и специальными свойствами.
Методы исследований. Теоретическое обоснование влияния состава покрытия на его свойства, возможности управления процессом осаждения и состава электролита проводилось с использованием теории коррозионной стойкости и изнашивания материалов, электроосаждения сплавов и координационных соединений.
Экспериментальные исследования включали: изучение структуры поверхности осадков на атомно-силовом микроскопе АСМ; измерение микротвердости на микротвердомере ПМТ-3; шероховатости на профилометре модели-201; внутренних напряжений методом деформации гибкого катода; коррозионной стойкости покрытий в климатической камере
ТХ-500 (ГОСТ 9.905–82); износостойкости на установке торцевого трения-скольжения (ГОСТ 23.204–78);
Рассеивающая способность (РС) определялась в щелевой пятиэлектродной ячейке Моллера. Исследование кинетических закономерностей проводилось на потенциостате-гальваностате IPC-PRO и дисковом вращающемся электроде.
Экспериментальные исследования проводились с использованием поверенных и аттестованных средств измерений.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются соответствием результатов экспериментов теоретическим положениям и исследованиям других авторов, практической реализацией результатов работы, а также патентом на изобретение.
Научная новизна работы
По специальности 05.16.09:
-
Установлены закономерности влияния состава сплава медь-никель, осаждаемого из сульфосалицилатно-аммиачного электролита, на коррозионную и износостойкость покрытия в зависимости от технологических параметров обработки и разработана система выбора состава и обеспечения заданных физико-механических свойств покрытия.
-
Установлены закономерности физико-химических процессов, происходящих на границе раздела основной металл – покрытие сплавом медь-никель, позволяющие осуществлять регулируемое выделение осаждаемых компонентов.
По специальности 05.17.03:
-
Разработан новый электролит для осаждения покрытия сплавом медь-никель и выявлены зависимости состава сплава и выхода по току от параметров процесса осаждения (концентрации, pH и температуры электролита и катодной плотности тока). Установлено, что наибольшее влияние на состав сплава и выход по току оказывает катодная плотность тока, температура электролита и концентрация ионов.
-
Исследованы кинетика и механизм разряда меди и никеля в сплав медь-никель из полилигандного электролита. Установлено, что разряд никеля лимитирован на электрохимической стадии, а медь и сплав разряжаются со смешанной кинетикой, что позволяет определить рациональные диапазоны режимов осаждения.
Практическая значимость работы:
-
Установлены зависимости физико-механических свойств (твердость, износостойкость, внутренние напряжения, переходное электросопротивление, коррозионная стойкость) покрытий сплавами медь-никель от состава сплава, позволяющие обеспечить заданные эксплуатационные характеристики покрытия.
-
Разработан сульфосалицилатно-аммиачный электролит, позволяющий снизить себестоимость осаждения покрытия сплава медь-никель и получать покрытия требуемого состава с целью обеспечения необходимых функциональных свойств покрытия.
-
Установлено влияние режима электролиза (катодной плотности тока, концентрации электролита, pH и температуры) на состав покрытия сплавом, позволяющее контролировать процесс осаждения покрытий сплавом.
На защиту выносятся:
-
Результаты исследований зависимости физико-механичеких свойств покрытий (коррозионная стойкость, износостойкость, внутренние напряжения, переходное электросопротивление) сплавами медь-никель от состава сплава.
-
Результаты исследования влияния режима электролиза (катодной плотности тока, концентрации, pH и температуры электролита) на внешний вид, состав покрытий и выход по току.
-
Экспериментальная модель, устанавливающая взаимосвязь параметров электролиза с составом покрытия сплавом медь-никель и его свойствами.
-
Результаты экспериментальных исследований кинетики и механизма разряда меди, никеля и сплава медь-никель из сульфосалицилатно-аммиачного электролита.
-
Система обеспечения функциональных свойств гальванических покрытий медно-никелевыми сплавами путем управления процессом осаждения.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных, всероссийских и региональных научно-практических конференциях и семинарах: IV Всероссийская научно-практическая конференция «Защитные и специальные покрытия, обработка поверхности в машиностроении и приборостроении» (Пенза, 2007); III Всероссийская конференция «Актуальные проблемы электрохимической технологии» (Энгельс, 2008); III Региональная конференция молодых ученых «Теоретическая и экспериментальная химия жидкофазных систем» (Иваново, 2008); III Международная научно-практическая конференция «Электрохимические и электролитно-плазменные методы модификации металлических поверхностей» (Кострома, 2010); Международная научно-практическая конференция «Теория и практика современных электрохимических производств» (Санкт-Петербург, 2010); XXXVII Международная молодежная научная конференция «Гагаринские чтения» секция № 1 «Материаловедение и технология материалов» (Москва, 2011).
Разработанные покрытия сплавом медь-никель демонстрировались на трех выставках («Прогресс 2010» – г. Пенза; «Светлая поляна» – Пензенская обл.; Молодежный инновационный форум – г. Ульяновск).
Реализация и внедрение результатов. Результаты работы внедрены в виде технологии промышленного нанесения гальванического покрытия сплавом медь-никель в ООО «ВЕКТОР», применение которой позволило повысить коррозионную стойкость изделий и снизить расход никеля.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 печатных работ, из них 2 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 2 публикации без соавторов. Получен патент на электролит (патент РФ 2365683).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы (124 наименования). Материал диссертации изложен на 130 страницах машинописного текста, включает 56 рисунков, 13 таблиц.
