POWŁOKI KOMPOZYTOWE Cu+Si3N4 I Ni+Si3N4 NAKŁADANE METODĄ TAMPONOWĄ

Transkrypt

1 KOMPOZYTY (COMPOSITES) 3(2003)6 Jaroław Grześ 1 Politechnika Warzawka, Intytut Technologii Materiałowych, ul. Narbutta 85, Warzawa POWŁOKI KOMPOZYTOWE Cu+Si3N4 I Ni+Si3N4 NAKŁADANE METODĄ TAMPONOWĄ Przedtawiono wyniki badań powłok kompozytowych nakładanych metodą tamponową. W ramach badań przeprowadzono nakładanie powłok jedno- i wielowartwowych metalowo-ceramicznych (Cu+Si 3N 4, Ni+Si 3N 4). Powłoki nakładano, toując elektrolity Copper Alkaline #1 i Nickel Extreme High Speed. Zatoowano różne wartości napięcia i zawartości prozku Si 3N 4 w elektrolicie. Średnia wielkość ziaren Si 3N 4 wynoiła 0,5 µm. Parametry zamiezczono w tabeli 3. W celach porównawczych nałożono powłoki miedziane (Cu) i niklowe (Ni), toując parametry podane w tabeli 2. Zarówno w przypadku powłok metalowo-ceramicznych, jak i powłok metalowych zatoowano przygotowanie powierzchni, obejmujące czyzczenie elektrolityczne, aktywację oraz nakładanie wartwy podkładowej. Parametry przygotowania powierzchni zamiezczono w tabeli 1. Przeprowadzone badania obejmowały: oberwacje mikrokopowe powierzchni i przekroju poprzecznego powłok, pomiary mikrotwardości powierzchni, określenie wielkości krytalitów oraz rozkładów liniowych wybranych pierwiatków. Przeprowadzone próby powłok metodą tamponową z elektrolitów domiezkowanych prozkiem Si 3N 4 wykazały możliwość otrzymywania powłok kompozytowych metalowo-ceramicznych, zarówno przy zatoowaniu tandardowych elektrolitów, jak i elektrolitów typu high peed. Badania wykazały wpływ dodatku prozku Si 3N 4 do na charakter powierzchni powłok (ry. ry. 1 i 2). Nałożone powłoki poiadały wyżzą twardość w porównaniu z odpowiednimi powłokami metalowymi, nałożonymi przy tym amym napięciu. Dobierając odpowiednio napięcie wartw otrzymano powłoki z gradientem właściwości (ry. ry. 3 i 4). Dodatek do środka obniżającego napięcie powierzchniowe powodował powtanie w powłokach obzarów o zwiękzonej koncentracji Si 3N 4 (ry. 5). Dla powłok Ni+Si 3N 4 i zatoowanych parametrów nie zaoberwowano mikropęknięć, wytępujących zazwyczaj w powłokach niklowych. Powłoki te w porównaniu z powłokami Cu+Si 3N 4 poiadały mniejzą wielkość krytalitów, wynozącą 12,9 13,2 nm. Słowa kluczowe: metoda tamponowa, powłoki, kompozyty, gradient właściwości Cu+Si 3N 4 AND Ni+Si 3N 4 COMPOSITE COATINGS DEPOSITED BY BRUSH PLATING Thi paper preent the reult of the invetigation of compoite urface layer depoited by the bruh plating method. The ingle and multiplayer metal-ceramic coating (Cu+Si 3N 4, Ni+Si 3N 4) have been produced in frame of the reearch. The Copper Alkaline #1 and Nickel Extreme High Speed olution have been utilized during coating proce. Different operating voltage and everal fraction of Si 3N 4 powder inide the olution have been teted. The average ize of Si 3N 4 grain wa 0.5 µm. The bruh plating parameter are hown in Table 3. Copper and nickel coating have been alo depoited for the comparion purpoe, uing the operating parameter preented in Table 2. The urface of the ubtrate ha been cleaned (electrocleaning), activated and covered with a pecial Ni ublayer both for metal and metal-ceramic coating. The parameter of urface preparation are ummarized in Table 1. The invetigation work covered microcopic analyi of coating urface and cro-ection, microhardne meaurement, X-ray analyi of crytallite ize and linear ditribution of element. The coating depoited by the bruh plating method uing electrolyte with Si 3N 4 powder addition have hown the poibility of producing compoite metal-ceramic coating both from the tandard and high peed type electrolyte. The effect of Si 3N 4 powder in the electrolyte on the character of coating urface i hown in Figure 1 and 2. Thee coating hown higher microhardne comparing to Ni and Cu coating depoited with the ame operating voltage. By the proper election of the operating voltage of each layer the FGM tructure have been obtained in the coating (Fig. 3, 4). A pecial agent lowering the urface tenion added into the electrolyte reulted in the formation of increaed Si 3N 4 concentration in ome area in the coating (Fig. 5). No microcrack have been oberved in Ni+Si 3N 4 coating that are uually reported in nickel coating. The ize of crytallite in thee coating ranged from 12,9 to 13,2 nm which wa lower comparing to thee found in Cu+Si 3N 4 coating. Key word: bruh plating, coating, compoite, property gradient WSTĘP Metoda tamponowa jet jedną z metod umożliwiających otrzymywanie powłok metalicznych, charakteryzujących ię m.in. gradientem właściwości. Umożliwia również uzykiwanie powłok kompozytowych. Poniżej przedtawiono badania tanowiące fragment badań prowadzonych w Zakładzie Inżynierii Spajania PW, związanych z wartwami pośrednimi w proceach pajania ceramiki oraz z modyfikacją powierzchni. W ramach badań powłok nakładanych metodą tamponową przeprowadzono próby powłok wielowartwowych miedzianych (Cu) i niklowych (Ni), toując zmienne napięcie oraz dodatkowo, w 1 dr inż.

2 Powłoki kompozytowe Cu+Si 3N 4 i Ni+Si 3N 4 nakładane metodą tamponową 65 celu uzykania powłok metalowo-ceramicznych, prozek Si 3 N 4 o średniej wielkości ziarna 0,5 µm. W badaniach zatoowano elektrolity produkcji chińkiej firmy Giant Dragon Technical Development Corporation. Nakładanie wykonano ręcznie, toując źródło prądu DSD-15-Q, uchwyty elektrodowe ZDB-(Mini) oraz elektrodę walcową o średnicy 4 mm. PRZYGOTOWANIE POWIERZCHNI PRÓBEK Wzytkie powłoki nakładano na powierzchnię tali nikowęglowej. Wymiary próbek wynoiły 95x25x1 mm. Przed nakładaniem powłok powierzchnia próbek zotała odpowiednio przygotowana poprzez zatoowanie czyzczenia elektrolitycznego, aktywowania oraz nałożenie wartwy podkładowej niklu. Zatoowany proce przygotowania powierzchni i jego parametry zamiezczono w tabeli 1. TABELA 1. Parametry przygotowania powierzchni TABLE 1. Parameter of urface preparation Elektroclean # Activator #1 ( ) Nickel Special Uwagi Czyzczenie elektrolityczne Aktywacja powierzchni Wartwa podkładowa Po każdej operacji próbki były płukane w bieżącej wodzie. Copper Alkaline #1 (CA#1) Nickel Extreme High Speed (NEHS) Ilość prozku g/l 8,10,12, ,8,10,12, 300 CA#1+Sz NEHS+Sz Powłoki Cu+Si 3 N 4 i Ni+Si 3 N 4 nakładano przy parametrach podanych w tabeli 3. Biorąc pod uwagę wyniki uzykane w ramach wykonanych wcześniej prac badawczych [1], przyjęto natępujące ilości prozku ceramicznego w elektrolicie: i g/l oraz mniejzą prędkość przeuwu tamponu względem powierzchni, wynozącą ok. 4 m/min. Sprawdzono również wpływ środka obniżającego napięcie powierzchniowe na truk-turę powłoki kompozytowej typu Me+Si 3 N 4 (litery Sz w oznaczeniach powłok). a) PARAMETRY NAKŁADANIA WARSTW Powłoki Ni i Cu nałożono jako powłoki wyjściowe w celu porównania podtawowych właściwości uzykiwanych powłok, takich jak mikrotruktura i mikrotwardość. Parametry podano w tabeli 2. TABELA 2. Parametry powłok Cu i Ni metodą tamponową TABLE 2. Bruh plating parameter of Cu and Ni depoition Copper Alkaline #1 Nickel Extreme High Speed Prędkość przeuwu tamponu m/min TABELA 3. Parametry powłok Cu+Si 3N 4 i Ni+Si 3N 4 TABLE 3. Bruh plating parameter of Cu+Si 3N 4 and Ni+Si 3N 4 depoition b) Ry. 1. Powierzchnia badanych powłok: a) Cu, b) Ni Fig. 1. The coating urface: a) Cu, b) Ni

3 66 J. Grześ a) b) Ry. 4. Powłoka kompozytowa Ni+Si 3N 4 kładająca ię z pięciu wartw, nakładanych przy napięciach: 6, 8, 10, 12 i. Pow. 0x Fig. 4. Ni+Si 3N 4 multilayer coating depoited by bruh plating. U = 6, 8, 10, 12 i ; x0 c) Ry. 5. Powłoka kompozytowa CuNiSz kładająca ię z dwóch wartw: Cu+Si 3N 4 i Ni+Si 3N 4, nakładanych przy napięciu 10. Pow. 0x Fig. 5. Cu+Si 3N 4 - Ni+Si 3N 4 multilayer coating depoited by bruh plating, U = 10 ; x0 Ry. 2. Powierzchnia badanych powłok: a) Cu+Si 3N 4, b) Ni+Si 3N 4, c) NiSz Fig. 2. The coating urface: a) Cu+Si 3N 4, b) Ni+Si 3N 4, c) NiSz Na ryunkach 3-5 przedtawiono przekrój poprzeczny wybranych wielowartwowych powłok kompozytowych. Nie twierdzono wytępowania mikropęknięć oraz rozwartwień. W przypadku powłoki CuNiSz twierdzono wytępowanie obzarów zwiękzonej koncentracji Si 3 N 4. WYNIKI POMIARÓW MIKROTWARDOŚCI POWŁOK Pomiary przeprowadzono za pomocą mikrotwardościomierza MPT-3 przy obciążeniu 20 g. W tabeli 4 zetawiono wartości makymalne i minimalne mikrotwardości powierzchni powłok. Z zamiezczonych danych wynika, że dodatek prozku Si 3 N 4 do elektrolitów powodował podwyżzenie twardości powierzchni nakładanych z nich powłok. Najwiękzy wpływ dodatku prozku Si 3 N 4 (dla danych parametrów ) zaoberwowano dla powłok miedzianych. TABELA 4. Mikrotwardość H002 powierzchni powłok TABLE 4. The microhardne of coating urface Powłoka Cu Cu+Si 3N 4 Ni Ni+Si 3N 4 NiSz H max H min Ry. 3. Powłoka kompozytowa Cu+Si 3N 4 kładająca ię z czterech wartw, nakładanych przy napięciach: 8, 10, 12 i. Pow. 0x Fig. 3. Cu+Si 3N 4 multilayer coating depoited by bruh plating. U = 8, 10, 12 i ; x0 WYNIKI BADAŃ STRUKTURALNYCH Nałożone powłoki poddano badaniom rentgenowkim oraz określono rozkłady liniowe pierwiatków na przekroju poprzecznym powłok. Określono również wielkość krytalitów miedzi i niklu. Na ryunku 6 przedtawiono przykładowy dyfraktogram dla powłoki Ni.

4 Powłoki kompozytowe Cu+Si 3N 4 i Ni+Si 3N 4 nakładane metodą tamponową 67 Podobny charakter miały dyfraktogramy dla pozotałych badanych powłok. Stwierdzono na nich wytępowanie pików pochodzących od niklu lub miedzi oraz żelaza. Określona na podtawie badań rentgenowkich wielkość krytalitów Cu w badanych powłokach zawierała ię w granicach 24,3 58,8 nm. Dla powłok niklowych wielkość krytalitów nie ulegała znaczącym zmianom i zawierała ię w granicach 12,9 13,2 nm. PODSUMOWANIE Ry. 6. Dyfraktogram powłoki niklowej Fig. 6. X-ray diffraction pattern of nickel coating Ryunek 7 przedtawia rozkłady liniowe pierwiatków. Otrzymane rozkłady świadczą o adhezyjnym połączeniu pozczególnych wartw powłok. Uwidaczniają one również więkzą koncentrację ziaren Si 3 N 4 w powłoce oznaczonej 3CuNiSz w porównaniu z powłoką oznaczoną 3NiSi. Przeprowadzone próby powłok z elektrolitów domiezkowanych prozkiem Si 3 N 4 wykazały możliwość otrzymywania za pomocą metody tamponowej powłok kompozytowych metalowo-ceramicznych. Jet to możliwe nie tylko dla tandardowych elektrolitów, ale także dla elektrolitów typu high peed. Badane powłoki charakteryzowały ię podwyżzoną twardością w porównaniu z odpowiednimi powłokami metalowymi. Dobierając odpowiednio napięcie pozczególnych wartw, można wpływać na ich mikrotwardość i otrzymać powłoki z gradientem właściwości (ry. ry. 3 i 4). Dla powłok Ni+Si 3 N 4 i zatoowanych parametrów nie zaoberwowano mikropęknięć, wytępujących zazwyczaj w powłokach niklowych. Powłoki te w porównaniu z powłokami Cu+Si 3 N 4 charakteryzowały ię mniejzą wielkością krytalitów. Obecność środka obniżającego napięcie a) b) c) Ry. 7. Rozkłady liniowe pierwiatków na przekroju poprzecznym powłok: a) Cu+Si 3N 4, b) Ni+Si 3N 4, c) CuNiSz Fig. 7. Linear ditribution of element at the coating: a) Cu+Si 3N 4, b) Ni+Si 3N 4, c) CuNiSz

5 68 J. Grześ powierzchniowe powodowała powtanie w powłoce obzarów o zwiękzonej koncentracji Si 3 N 4. Praca realizowana w ramach projektu zamawianego KBN nr Z-KBN K011/T08/2000 Nanomateriały metaliczne, ceramiczne i organiczne: ynteza, budowa, właściwości, zatoowanie. Informacje nt. projektu zamiezczone ą w Internecie na tronach LITERATURA [1] Grześ J., Wartwy kompozytowe otrzymywane w proceie tamponowego, Prace Naukowe - Inżynieria Materiałowa, z. 1 i 3, WPW, Warzawa Recenzent Januz Grabian