K O M I S J A B U D O W Y M A S Z Y N P A N O D D Z I A W P O Z N A N I U Vol. 30 nr 1 Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 2010 MARIA TRZASKA CHARAKTERYSTYKA WARSTW KOMPOZYTOWYCH Ni/Al 2 O 3 WYTWORZONYCH METOD ELEKTROCHEMICZN NA ALUMINIUM Prezentowane badania dotycz warstw kompozytowych Ni/Al 2 O 3 wytwarzanych metod redukcji elektrochemicznej na aluminium. Warstwy wytwarzano w k pieli Wattsa z ró n zawarto- ci polidyspersyjnego proszku Al 2 O 3. Proces prowadzono z ró n g sto ci pr du (3 A/dm 2 i 5 A/dm 2 ) oraz ró n szybko ci mieszania zawiesiny proszku w k pieli (300, 400 i 500 obr/min). Przedstawiono topografi i morfologi powierzchni uzyskanych warstw. Scharakteryzowano struktur materia u tych warstw oraz okre lono udzia obj to ciowy fazy ceramicznej Al 2 O 3 w materiale kompozytowym. Wyznaczono mikrotwardo i w a ciwo ci tribologiczne materia u warstw oraz ich adhezj do aluminiowego pod o a. Badania wykaza y, e warstwy kompozytowe Ni/Al 2 O 3 wytworzone metod elektrochemiczn na aluminium charakteryzuj si zwart budow i korzystnymi w a ciwo ciami tribologicznymi oraz dobr adhezj do aluminiowego pod o a. S owa kluczowe: warstwy kompozytowe, struktura, w a ciwo ci 1. WPROWADZENIE Aluminium i jego stopy nale do materia ów o najwi kszym znaczeniu technicznym. Korzystne w a ciwo ci fizyczne aluminium, takie jak ma a g sto, du a plastyczno, dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne, du a odporno na korozj, relatywnie niskie koszty produkcji i powszechno wyst powania w naturze, powoduj, e jest ono metalem niezast pionym w wielu ga ziach przemys u i w wielu dziedzinach ycia codziennego, zarówno w postaci czystego metalu jak i jego licznych stopów. Dodatki stopowe i obróbka cieplna nie zawsze w wystarczaj cym stopniu zapewniaj w a ciwo ci materia u wymagane w nowoczesnych zastosowaniach technicznych. Dobre efekty kszta towania w a ciwo ci u ytkowych wyrobów i ich dostosowania do wymaga zapewnia modyfikacja warstwy powierzchniowej materia u. W zakresie modyfikowania w a ciwo ci u ytkowych wyrobów z aluminium i jego stopów du e mo liwo ci stwarza pokrywanie ich Prof. dr hab. in. Wydzia In ynierii Materia owej Politechniki Warszawskiej.
76 M. Trzaska powierzchni warstw materia u kompozytowego. W a ciwo ci materia ów kompozytowych mo na atwiej projektowa ni innych materia ów, mo na nimi sterowa podczas procesu wytwarzania, by spe nia y wymagania u ytkownika. Konkretne w a ciwo ci materia ów kompozytowych spe niaj cych ró norodne funkcje w technice s kszta towane przez odpowiedni dobór ich komponentów oraz wytworzenie okre lonej struktury [5, 6]. Przedmiotem bada prezentowanych w tym artykule s warstwy kompozytowe Ni/Al 2 O 3 wytwarzane metod redukcji elektrochemicznej na aluminium. Plastyczna niklowa osnowa zapewnia wiele korzystnych w a ciwo ci mechanicznych, natomiast wbudowane twarde ziarna ceramiczne gwarantuj wzrost twardo ci i odporno ci na zu ycie w wyniku tarcia. Kombinacja dwóch tak ró nych materia ów umo liwia wzajemne dope nianie ich w a ciwo ci, natomiast oddzia ywania pomi dzy tak odmiennymi fazami indukuj modyfikacj tych w a ciwo ci. Przez sterowanie odpowiedni zawarto ci fazy ceramicznej w materiale kompozytowym oraz stopniem jej dyspersji mo na osi gn korzystne w a ciwo ci u ytkowe [2 4]. W a ciwo ci eksploatacyjne warstw powierzchniowych s determinowane nie tylko przez w a ciwo ci materia u warstwy, lecz równie przez odpowiedni adhezj warstwy do pod o a. Jest to szczególnie istotne w przypadku osadzania warstw metalowych na pod o u z aluminium i jego stopów. Aluminium, jako pierwiastek o du ej aktywno ci chemicznej, wykazuje znaczn sk onno do pasywacji, co stanowi istotn barier w osadzaniu na nim i jego stopach warstw metalowych zapewniaj cych dobr adhezj do pod o a [1]. Wytworzenie na aluminium metod redukcji elektrochemicznej warstwy kompozytowej z osnow metalow prawid owo spe niaj c swoj funkcj w okre lonych warunkach eksploatacji wymaga wi c w a ciwego doboru parametrów procesu ich wytwarzania oraz odpowiedniego przygotowania powierzchni pod o a. 2. METODYKA BADA Warstwy kompozytowe z osnow niklow Ni i dyspersyjn faz ceramiczn Al 2 O 3 by y wytwarzane metod redukcji elektrochemicznej w k pielach stanowi cych mieszanin wielosk adnikowego elektrolitu typu Wattsa, kationowego rodka powierzchniowo czynnego Z-1 oraz proszku Al 2 O 3. W celach porównawczych przy takich samych parametrach procesu wytwarzano równie warstwy z samego niklu na pod o u z aluminium. W procesie wytwarzania warstw kompozytowych stosowano materia ceramiczny Al 2 O 3 w postaci polidyspersyjnego proszku o wymiarach cz stek mieszcz cych si w przedziale 0,1 1 m. Warstwy kompozytowe wytwarzano w k pielach o ró nej zawarto ci fazy ceramicznej w przedziale od 1 g/dm 3 do 10 g/dm 3.
Charakterystyka warstw kompozytowych Ni/Al 2 O 3 77 Proces prowadzono z ró n g sto ci pr du (3 A/dm 2 i 5 A/dm 2 ) oraz z ró n szybko ci mieszania zawiesiny proszku w k pieli (300, 400 i 500 obr/min). Warstwy niklowe Ni i kompozytowe Ni/Al 2 O 3 osadzano na powierzchni takiego samego aluminium. Aby by o zapewnione dobre po czenie osadzanych warstw z pod o em, powierzchnie próbek z aluminium by y odt uszczane, trawione i cynkowane. Odt uszczanie prowadzono w rozpuszczalniku organicznym CH 3 COCH 3 ze wspomaganiem ultrad wi kami. Aktywacji powierzchni materia- u pod o a dokonywano za pomoc trawienia w 75-procentowym roztworze NaOH o temperaturze 35 o C w czasie 90 120 s. Tak przygotowane powierzchnie poddawano cynkowaniu w wielosk adnikowym roztworze zawieraj cym NaOH, ZnO oraz inne substancje buforuj co-kompleksuj ce. Parametry procesów przygotowania powierzchni by y dobierane do rodzaju aluminium. Charakterystyk struktury u ytej dyspersyjnej fazy ceramicznej Al 2 O 3 ustalono na podstawie rentgenowskiej analizy dyfrakcyjnej uzyskanej z dyfraktometru rentgenowskiego PHILIPS PW-1830. Analiz granulometryczn wykonano za pomoc Laserowego Analizatora Wielko ci Cz stek Horiba LA-950 oraz metod elektronowej mikroskopii skaningowej. Do analizy topografii powierzchni wytworzonych warstw, zró nicowania ich morfologii, jak równie budowy wewn trznej warstw kompozytowych wykorzystano elektronowy mikroskop skaningowy HITACHI S-3500N. Na podstawie analizy zg adów metalograficznych przekrojów poprzecznych wytworzonych warstw Ni/Al 2 O 3 okre lono budow wewn trzn i rozmieszczenie cz stek fazy ceramicznej w obj to ci materia u kompozytowego. Zawarto fazy dyspersyjnej Al 2 O 3 w materiale kompozytowym wytworzonych warstw wyznaczono metodami metalografii ilo ciowej i komputerowej analizy obrazów. Mikrotwardo materia u wytworzonych warstw wyznaczano metod Vickersa przy obci eniu 20 G (HV0.02). W a ciwo ci tribologiczne oraz adhezj wytworzonych warstw niklowych i kompozytowych do aluminiowego pod o a badano technik kontrolowanego zarysowania powierzchni warstwy za pomoc scratch testera CSM Instruments. Test przy liniowo wzrastaj cym obci eniu w zakresie 1 20 N wykonano diamentowym wg bnikiem, który by przesuwany po powierzchni warstwy ze sta pr dko ci 1,5 mm/min. Warto si y powoduj cej uszkodzenie materia u warstwy okre lano na podstawie analizy zmian poziomu sygna u akustycznego i si y tarcia, a tak e na podstawie analizy uszkodze warstwy w obr bie rysy za pomoc elektronowego mikroskopu skaningowego. 3. WYNIKI BADA W procesie wytwarzania warstw kompozytowych Ni/Al 2 O 3 jako dyspersyjn faz ceramiczn stosowano polidyspersyjny proszek tlenku glinu Al 2 O 3 odmiany
78 M. Trzaska alotropowej. Obraz dyfrakcyjny charakteryzuj cy t faz przedstawiono na rys. 1, a morfologi oraz zró nicowanie kszta tu i wymiarów cz stek na rys. 2. 0,5 m Rys. 1. Dyfraktogram fazy ceramicznej Al 2 O 3 Fig. 1. Difractogram of Al 2 O 3 ceramic phase Rys. 2. Morfologia fazy ceramicznej Al 2 O 3 Fig. 2. Morphology of Al 2 O 3 ceramic phase Obraz topografii i morfologii powierzchni aluminium stanowi cego pod o e osadzanych warstw kompozytowych po procesie cynkowania przedstawiono na rys. 3. Na tak przygotowanej powierzchni aluminium osadzano warstwy niklowe i kompozytowe Ni/Al 2 O 3. Topografi i morfologi warstw niklowych osadzonych na aluminium przy g sto ci pr du 5 A/dm 2 przedstawiono na rys. 4. 10 m 10 m Rys. 3. Morfologia powierzchni Al po cynkowaniu Fig. 3. Surface morphology of zincated aluminum Rys. 4. Morfologia warstwy Ni na Al Fig. 4. Morphology of Ni layer deposited on Al Formowanie warstw kompozytowych metod elektrochemiczn polega na równoczesnym osadzaniu metalu i wbudowywaniu cz stek dyspersyjnej fazy ceramicznej w narastaj c warstw. Wbudowywane w warstw niklow cz stki dyspersyjnej fazy ceramicznej Al 2 O 3 powoduj znaczn zmian morfologii jej powierzchni. Obrazy powierzchni warstw kompozytowych wytwarzanych przy
Charakterystyka warstw kompozytowych Ni/Al2O3 79 gċstoğci prądu 5 A/dm2 w kąpieli z róīną zawartoğcią fazy ceramicznej (2, 5 i 10 g /dm3) mieszanej z szybkoğcią 500 obr/min pokazano na rys. 5. a c b 100 Pm 50 Pm 100 Pm 50 Pm 100 Pm 50 Pm Rys. 5. Morfologia warstw Ni/Al2O3 osadzonych na Al w kąpieli o róīnej zawartoğci proszku: a) 2 g/dcm3, b) 5 g/dcm3, c) 10 g/dcm3 Fig. 5. Morphology of Ni/Al2O3 layers deposited on Al with the bath containing different quantity of the powder: a) 2 g/dcm3, b) 5 g/dcm3, c) 10 g/dcm3 Zarówno warstwy niklowe, jak i kompozytowe Ni/Al2O3 wytworzone metodą elektrochemiczną na aluminium charakteryzują siċ zwartą budową i nie wykazują jakichkolwiek nieciągáoğci. Na powierzchni warstw kompozytowych są wyraĩnie widoczne zakotwiczone w niklowej osnowie cząstki fazy ceramicznej, które nie zostaáy caákowicie zabudowane. Wytworzenie dobrego kompozytu z osnową metalową i dyspersyjną fazą ceramiczną wymaga zarówno odpowiedniego doboru komponentów, jak i uksztaátowania wáağciwej struktury, która zapewniaáaby prawidáowe wspóádziaáanie skáadowych materiaáów kompozytu. Materiaá wytwarzanych warstw kompozytowych Ni/Al2O3 charakteryzuje siċ heterogeniczną budową wewnċtrzną i skáada siċ z twardej dyspersyjnej fazy ceramicznej osadzonej w plastycznej niklowej osnowie. Struktura materiaáu kompozytowego warstw Ni/Al2O3 jest w znacznym stopniu zdeterminowana zawartoğcią i rozkáadem cząstek ceramicznej fazy dyspersyjnej tlenku glinu w objċtoğci materiaáu. BudowĊ oraz zawartoğü i rozkáad fazy dyspersyjnej w objċtoğci warstw kompozytowych wytworzonych w kąpielach o róīnym stċīeniu proszku Al2O3 ilustrują przekroje poprzeczne warstw pokazane na rys. 5 oraz wyniki analizy iloğciowej zamieszczone w tablicy 1. Wraz ze zwiċkszaniem zawartoğci dyspersyjnej fazy ceramicznej w kąpieli, w której osadzana jest warstwa, zwiċksza siċ jej udziaá objċtoğciowy w materiale kompozytowym Ni/Al2O3 warstwy. Cząstki fazy ceramicznej są rozmieszczone doğü równomiernie w caáej objċtoğci warstwy i dobrze obudowane metaliczną osnową niklową.
80 M. Trzaska a b c 25 m 25 m 25 m Rys. 6. Przekroje warstw Ni/Al 2 O 3 osadzonych na aluminium w k pieli o ró nej zawarto ci proszku: a) 2 g/dcm 3, b) 5 g/dcm 3, c) 10 g/dcm 3 Fig. 6. Cross sections of Ni/Al 2 O 3 layers deposited on Al with the bath containing different quantity of the powder: a) 2 g/dcm 3, b) 5 g/dcm 3, c) 10 g/dcm 3 Tablica 1 Zawarto Al 2 O 3 w k pieli i warstwach Ni/Al 2 O 3 oraz mikrotwardo materia u pod o a i wytworzonych warstw Content of Al 2 O 3 in the bath and in composite Ni/Al 2 O 3 layers, and microhardness of the coating material and substrate Materia Zawarto Al 2 O 3 w k pieli [g/dm 3 ] Zawarto Al 2 O 3 w warstwie [% obj.] HV0,02 Al 49 Ni 262 Ni/Al 2 O 3 2 6 331 5 10 357 10 30 387 Zawarte w plastycznej osnowie metalicznej cz stki twardej fazy ceramicznej Al 2 O 3 zwi kszaj znacznie twardo materia u. Twardo takiego materia u kompozytowego Ni/Al 2 O 3 jest wypadkow du ej w asnej twardo ci dyspersyjnej fazy ceramicznej Al 2 O 3 oraz wynikowego umocnienia wtr ceniami ceramicznymi metalicznej osnowy niklowej. W a ciwo ci eksploatacyjne warstwy powierzchniowej s determinowane nie tylko przez w a ciwo ci samego materia u warstwy, lecz równie przez odpowiedni adhezj warstwy do pod o a. Badania adhezji technik kontrolowanego zarysowania powierzchni próbek z warstw pod obci eniem zmieniaj cym si w zakresie od 1 N do 20 N wykaza y, e wszystkie osadzone warstwy, zarówno niklowe jak i kompozytowe Ni/Al 2 O 3 z ró n zawarto ci fazy ceramicznej, wykazuj dobr adhezj do pokrytego cynkiem pod o a aluminium. Obrazy zarysowania powierzchni warstw niklowych i kompozytowych uzyskane w tych badaniach przedstawiono na rys. 7.
Charakterystyka warstw kompozytowych Ni/Al 2 O 3 81 a b 1 mm Rys. 7. Zarysowanie próbki: a) Al z warstw Ni, b) Al z warstw Ni/Al 2 O 3 Fig. 7. Scratch tests of samples: a) Al with Ni layer, b) Al with Ni/Al 2 O 3 layer Pod wp ywem zwi kszaj cych si obci e diamentowego wg bnika scratch testera na pocz tkowym etapie zarysowania we wszystkich badanych przypadkach nast puje plastyczne odkszta cenie pod o a wraz z warstw. Obci enie krytyczne, które powoduje pierwsze uszkodzenie warstw w postaci p kni, sygnalizowane emisj akustyczn, dla warstw niklowych wynosi 7,4 N, a dla warstw kompozytowych Ni/Al 2 O 3 od 5,0 N do 6,5 N. Dalszy wzrost si y nacisku powoduje propagacj p kni, a nast pnie cinanie warstwy powierzchniowej materia u pod o a wraz z na o on warstw bez jej delaminacji. 4. PODSUMOWANIE Zastosowanie metody redukcji elektrochemicznej do wytwarzania warstw kompozytowych z osnow niklow i dyspersyjn faz ceramiczn Al 2 O 3 na aluminium pozwala otrzymywa warstwy o ró nej zawarto ci fazy ceramicznej, o jednorodnej strukturze i jednakowej grubo ci na ca ej pokrywanej powierzchni wyrobu oraz o dobrej adhezji do pod o a. Materia kompozytowy takich warstw wykazuje dobr spójno dyspersyjnej fazy ceramicznej i metalowej osnowy oraz charakteryzuje si du twardo ci. LITERATURA [1] Enam Khan, Oduoza C. F., Pearson T., Surface characterization of zincated aluminum and selected alloys at the early stage of the autocatalytic electroless nickel immersion process, J. Appl. Electrochem., 2007, no. 37, s. 1375 1381. [2] Kowalewska M., Trzaska M., Nanokrystaliczne warstwy kompozytowe Ni-Al 2 O 3 wytwarzanie i struktura, Kompozyty, 2004, vol. 4, s. 99 103. [3] Qinfang Yan, Guillaume Yangshu Wang, Zhengren Huang, Dongliang Jiang, A microstructure study of Ni/Al 2 O3 composite ceramics, Journal of Alloys and Compounds, 2009, vol. 467, no. 1 2, s. 438 443.
82 M. Trzaska [4] Sheng-Lung Kuo, Yann-Cheng Chen, Ming-Der Ger and Wen-Hwa Hwu, Nano-particles dispersion effect on Ni/Al 2 O 3 composite coatings, Materials Chemistry and Physics, 2004,vol. 86, no. 1, s. 5 10. [5] Trzaska M., Chemically and electrochemically deposited thin-layer materials, Annales de Chimie-Science des Materiaux, 2007, vol. 32, no. 4, s. 325 344. [6] Trzaska M., Warstwy kompozytowe Ni-P/Si 3 N 4 wytwarzane metod chemiczn na aluminium i jego stopach, In ynieria Materia owa, 2008, vol. 166, nr 6, s. 657 660. Praca wp yn a do Redakcji 9.07.2009 Recenzent: prof. dr hab. Jan Skowro ski CHARACTERIZATION OF COMPOSITE Ni/Al 2 O 3 LAYERS PRODUCED BY THE ELECTROCHEMICAL METHOD ON ALUMINUM S u m m a r y The paper is focused on investigations of properties of surface composite Ni/Al 2 O 3 layers produced by the electrochemical method on aluminum. The layers were produced in the Watt bath with different contents of polydisperse Al 2 O 3 powder. The process of layer deposition was realized at different current densities.i.e.3 A/dm 2 and 5 A/dm 2 and with different speeds of mixing of the powder suspension in the bath (300, 400 and 500 turns/min). The topography and morphology of the produced layers are presented. The structure of the surface deposits is characterized and the volume content of the ceramic phase in the composite material is determined. The microhardness and tribological properties of the produced layers as well as their adhesion to the aluminum substrate are determined. The performed investigations have proved that the composite Ni/Al 2 O 3 layers manufactured by the electrochemical method on aluminum exhibit compact structure and favorable tribological properties as well as very good adhesion to the aluminum substrate. Key words: composite layers, structure, properties