Скреч - метод в дослідженні якості композиційних електролітичних покриттів на основі нікелю Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 3 117 ЯворськаН.М., ПідгайчукС.Я., ДроботО.С. Хмельницький національний університет, м. Хмельницький, Україна E-mail: nataly_yavorska@mail.ru СКРЕЧ - МЕТОД В ДОСЛІДЖЕННІ ЯКОСТІ КОМПОЗИЦІЙНИХ ЕЛЕКТРОЛІТИЧНИХ ПОКРИТТІВ НА ОСНОВІ НІКЕЛЮ УДК 621.891.78, УДК 621.357:621.891 Досліджено вплив хімічного складу нанопорошків та термічної обробки на якість композиційних електро- літичних покриттів (КЕП) з застосуванням скреч-методу. Виявлено позитивний вплив нітридних включень на міц- ність зчеплення КЕП з основою із-за ущільнення покриттів при впровадженні наночастинок нітриду бору та компо- зиції наночастинок нітриду силіцію та титану. Визначено вплив режимів термічної обробки на міцність зчеплення гальванічного шару та основи зразка. Ключові слова: композиційні електрохімічні покриття, термічна обробка, нанопорошки, нітриди бору, суміш нітриду титану і силіцію, міцність зчеплення, скреч-метод. Вступ Створення електролітичних покриттів є однією з ланок розв’язання проблем підвищення якості деталей машин та механізмів, що невід’ємно пов’язано з іншими прогресивними напрямками у підви- щенні зносостійкості вузлів деталей машин. Однак, гальванічним покриттям притаманні суттєві недолі- ки, зокрема, наводнювання основи, не якісне зчеплення покриття з основою. Такі явища є основною причиною недостатньо ефективної роботи гальванічних покриттів, особливо в специфічних умовах (при підвищених температурах, в агресивних середовищах, тощо). Суттєво покращити експлуатаційні властивості гальванопокриттів можна за рахунок введення в матрицю покриття нанодисперсних включень (створення композиційних електролітичних покриттів (КЕП)). Важливим позитивним економічним фактором КЕП є можливість нанесення покриттів на повер- хню відносно дешевих сталей. Для надійної працездатності захисного шару важливим та визначальним чинником є міцність зчеплення з основним матеріалом. Перспективним напрямком покращення властивостей КЕП є відпра- цювання складів та технологій нанесення КЕП з застосуванням термічної обробки. Різноманітність складів КЕП, а також вимог до умов їх експлуатації зумовлюють необхідність проведення наукових досліджень для знайдення оптимальних рішень. Мета і постановка задачі Мета роботи – визначення впливу складу та дифузійного відпалу КЕП на основі нікелю з добав- ками нанорозмірних включень нітриду бору та суміші нітриду силіцію та титану на міцність зчеплення покриттів з основою. Об’єктом дослідження були КЕП на основі гальванічного нікелю товщиною 20 мкм, які осаджені на зразки зі сталі 08. Дисперсною фазою слугували нанопорошки нітриду бору розміром 0,01 мкм та су- місно синтезована композиція нітриду силіцію та титану (70 % TiN + 30 % Si3N4) з розміром частинок від 0,01 мкм до 0,05 мкм [1]. З метою підвищення зчеплення отриманих КЕП було проведено дифузійний ві- дпал нанесених шарів у вакуумній електропечі СГВ-2.4-2/15-И3. Виклад матеріалів досліджень Для дослідження якості та міцності запропонованих покриттів, товщина яких вимірюється мік- ронами, розглядалося застосування наступних методів: 1) вдавлювання мікротвердоміру з переміщенням по нормалі, відносно поверхні; 2) вдавлювання з переміщенням по дотичній до поверхні – дряпання. Другий метод називається склерометрією (скреч - метод) – спосіб руйнування поверхні [2, 3]. В наших умовах він виявився найбільш точним та простим для розв’язку поставленої задачі. В цьому методі дряпання поверхні проводиться рухом пірамідки вперед, як гранню так і ребром. При русі гранню вперед подряпина утворюється за рахунок вдавлювання матеріалу зразка. Рух пірамідки вперед ребром створює подряпину головним чинником якої є прорізання матеріалу основи. Враховуючи головну задачу визначення міцності поверхні, в якості основної схеми було вибрано рух пірамідки гран- ню вперед. При такому виборі типу руху, подряпина (канавка) утворюється переважно вдавлюванням ін- дентора при контактному навантаженні. При цих умовах оцінюється міцність поверхні на вдавлювання. Дряпання виконувалось алмазною пірамідкою з кутом при вершині 136 (піраміда Віккерса) на пристрої скреч – метр (СМ – 01) [4]. Поверхнею слугував поперечний мікрошліф досліджуваного зразка, mailto:nataly_yavorska@mail.ru Скреч - метод в дослідженні якості композиційних електролітичних покриттів на основі нікелю Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 3 118 рух поверхні прямолінійний, зворотно-поступальний, зі швидкістю 3,35 мм/хв. Лінійні розміри подряпин визначалися на мікроскопі мікротвердоміра ПМТ – 3 при збільшенні в 462 рази. Головними критеріями якості покриттів, при їх дослідженні за допомогою скреч – методу, за- пропоновано вважати: значення міцності зчеплення покриттів з основою при дряпанні P ; коефіцієнт опору тертя алмазної пірамідки по покриттю f [5]. Для отримання порівняльних даних в роботі досліджено міцність зчеплення гальванічних ніке- левих покриттів, КЕП без термічної обробки та КЕП з термічною обробкою. На рис. 1 представлено фо- тографію поперечного мікрошліфа покриття Ni + BN з треком (утворення канавки) для визначення міц- ності зчеплення з основою. Рис. 1 – Покриття Ni + BN з треком для визначення міцності зчеплення з основою (х 462) В табл. 1 наведено склади покриттів, режими термічної обробки, міцність зчеплення шару пок- риття з основою зразка при дряпанні та коефіцієнт опору тертя індентора по матеріалу покриття. Таблиця 1 Результати досліджень зразків скреч - методом на пристрої СМ-01 Режим обробки зразка Матеріал покриття Міцність зчеплення, P , МПа Коефіцієнт опору тертя індентора по матеріалу, f Ni 181 0,135 Ni+BN 276 0,073 Без термообробки Ni+(TiN+Si3N4) 321 0,187 Ni 352 0,158 Ni+BN 406 0,134 Після термообробки, 760 , 1 год Ni+(TiN+Si3N4) 369 0,227 Ni 357 0,153 Ni+BN 411 0,131 Після термообробки, 760 , 2 год Ni+(TiN+Si3N4) 378 0,233 Ni 363 0,149 Ni+BN 415 0,128 Після термообробки, 760 , 3 год Ni+(TiN+Si3N4) 386 0,237 Ni 355 0,155 Ni+BN 408 0,133 Після термообробки, 860 , 1 год Ni+(TiN+Si3N4) 375 0,231 Ni 365 0,148 Ni+BN 420 0,124 Після термообробки, 860 , 2 год Ni+(TiN+Si3N4) 394 0,242 Ni 376 0,150 Ni+BN 429 0,114 Після термообробки, 860 , 3 год Ni+(TiN+Si3N4) 410 0,248 Скреч - метод в дослідженні якості композиційних електролітичних покриттів на основі нікелю Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 3 119 За результатами експериментів (табл. 1) були побудовані графіки залежностей міцності зчеплен- ня покриттів з основою при дряпанні та коефіцієнта опору тертя індентора по матеріалу покриттів від режимів термічної обробки зразків (рис. 2, 3). Проведений аналіз отриманих результатів показав, що покриття без термообробки мають міні- мальну міцність зчеплення: P = 181 МПа (покриття на основі гальванічного Ni), P = 276 МПа (ніке- леве покриття з добавкою нітриду бору) та P = 321 МПа (нікелеве покриття з добавкою суміші нано- порошків TiN+Si3N4). Очевидними є підвищена крихкість та відшарування гальванічного нікелевого по- криття. Добавка нанодисперсних включень підвищила міцність зчеплення покриттів з основою в 1,5 ра- зів (при використанні частинок нітриду бору) та 1,8 разів (при використанні суміші нітридів титану та силіцію, табл. 1). Кращі показники міцності зчеплення в КЕП, ніж у гальванічного нікелевого покриття можна пов’язати з ущільненням покриттів при впровадженні наночастинок. Рис. 2 – Залежність міцності зчеплення покриттів з основою від температури та тривалості процесу відпалу В результаті термічної обробки відбулася дифузійна взаємодія між покриттям та основою, яка підвищила їх зчеплення. Глибина проникнення Ni (Fe), а відповідно і міцність зчеплення гальванічного шару та основи зразка залежать від режимів термообробки. Найбільш швидке зростання величини міцності зчеплення відбувалось у нікелевих зразків без добавок при Т = 760 °С та Т = 860 °С на протязі 1 години відпалу (відповідно P = 352 МПа та P = 355 МПа), та у нікелевих зразків з включеннями нітриду бору при таких же режимах відпалу ( P = 406 МПа та P = 408 МПа). Менші темпи покращення зчеплення системи покриття - основа було виявлено в зразках із включеннями нанодисперсної суміші нітридів титану та силіцію ( P = 369 МПа та P = 375 МПа). Слід відмітити, що температура відпалу при тривалості термічної обробки 1 година не- значно впливає на міцність зчеплення всіх видів досліджуваних покриттів. Тобто такі режими дають од- наковий ефект. Збільшення тривалості термічної обробки підвищує міцність зчеплення всіх видів досліджуваних покриттів. При термічній обробці (Т = 860 °С,  = 3 год) зчеплення поверхні з основою для покриття на основі Ni досягає P = 376 МПа, дана величина є найменшою. Для нікелевого покриття з нановключен- нями BN вона дорівнює P = 429 МПа, що дещо вище, ніж для нікелевого покриття з добавкою сумішші нітридів титану та силіцію, для цього покриття P = 410 МПа. Підвищення міцності зчеплення при збі- льшенні тривалості відпалу викликано зміною структури перехідного шару внаслідок взаємної дифузії компонентів покриття-основа. Відпал покриттів сприяє незначному збільшенню коєфіцієнтів опору тертя індентора по матеріа- лу для всіх КЕП, що пов’язуємо з зміною структури та морфології перехідного шару. Найнижчий коефі- цієнт мають нікелеві покриття з нанодобавкою BN, отримані при таких режимах відпалу: температура Скреч - метод в дослідженні якості композиційних електролітичних покриттів на основі нікелю Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 3 120 Т = 760 °С, Т = 860 °С та час  =2, 3 год. Залежність коефіцієнта опору тертя індентора по матеріалу від режимів відпалу зображено на рис. 3. Рис. 3 – Залежність коефіцієнта опору тертя індентора по матеріалу від температури та тривалості відпалу Таким чином, застосування термічної обробки для отримання нікелевих покриттів та КЕП знач- но покращує їх адгезійні властивості: міцність зчеплення та коефіцієнт опору тертя індентора по матеріалу. Висновки Для встановлення впливу хімічного складу та дифузійного відпалу КЕП на основі нікелю з добав- ками нанорозмірних включень нітриду бору та суміші нітриду силіцію та титану на міцність зчеплення покриттів з основою застосовано скреч-метод. При цьому доведено, що нанесення КЕП з наступним дифу- зійним відпалом, дозволяє усунути недоліки електролітичного способу та досягнути наступних переваг: утво- рити більш щільні покриття, підвищити міцність зчеплення покриття з основою за рахунок формування пере- хідних шарів та зменшення внутрішніх напружень в покриттях. Експериментально доведено, що покриття без термообробки володіють значно меншою міцніс- тю зчеплення ніж відпалені, однак очевидно, що дисперсні частинки нанопорошків впливають на якість пок- риттів, так введення в нікелеву матрицю нітридних включень підвищує міцність зчеплення в 1,5 - 1,8 разів для КЕП з добавкою нітриду бору та добавкою суміші нітридів титану і силіцію відповідно. Значне під- вищення міцності зчеплення при застосування дифузійного відпалу та збільшенні тривалості відпалу викли- кано зміною структури перехідного шару внаслідок взаємної дифузії компонентів “покриття - основа”. Література 1. Пат. 29705. Україна, МПК С25D 15/00. Склад для отримання КЕП на основі Ni з добавками нанорозмірних нітридів / Покришко Г. А., Дробот О. С., Підгайчук С. Я., Яворська Н. М.; заявник та па- тентовласник Хмельницький національний університет – № u 2007 10329; заявл. 17/09/2007; опубл. 25.01.2008, Бюл. № 2. 2. Хрущов М. М. Склерометрия. Теория, методика, применение испытаний на твердость царапа- нием / Хрущов М. М. – М. : Наука. – 1968. – 218 с. 3. Кузьменко А. Г. Скрeч-метод определения трибологических свойств поверхности: [Ч. 1. Об- зор] / Кузьменко А. Г., Волынский Б. С. // Проблемы трибологии. – 1998. – № 1 (7). – С. 3 - 19. 4. Волынский Б. С. Экспериментальная установка для исследования изнашивания и электричес- ких свойств контактов / Волынский Б. С. // Применение композиционных материалов в узлах трения тех- нологического оборудования. – Хмельницкий, 9 – 10 октября, 1986г. – С. 24 - 25. 5. Волинський Б. С. Скреч-метод визначення трибологічних властивостей поверхні : дис.... кан- дидата технічних наук : 05.02.04 /Волинський Борислав Савелійович. – Хмельницький, 1998. – 143 с. Надійшла в редакцію 19.09.2015 Скреч - метод в дослідженні якості композиційних електролітичних покриттів на основі нікелю Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 3 121 YavorskaN.M., Pidgaichuk S.Ya., Drobot O.S. The scratch method in research of quality of compositional elec- trochemical coating on the basis of nickel. Decision of problems improving the quality of machine parts and mechanisms inseparably linked with creation of electrochemical coating. Significantly improve of operating characteristics of electrochemical coating are possible through introduction to base of coating nanopowders (creation of compositional electrochemical coating (CEC)). The operational reliability of protective layer is based to adhesion durability with base material. Improvement of characteristics coating requiring of working out composition and obtaining technologys CEC with used heat treatment. In the article presents the results of experimental researches effect of chemical composition and heat treatment CEC on the basis of nickel with the addition of nitrides boron and the compound of nitrides titanium and silicium using of scratch method. For definition of endurance of surface sturdiness conducted motion of diamond pyramid (the angle at vertex 136°) edge forward. The positive effect of inclusions nitrides on adhesion durability of CEC with the base at the expense of compres- sion of coatings through the introduction of nanopowders is revealed. It was experimentally proven that the coatings without heat treatment have considerably smaller endurance capabil- ity of bond than annealed ones. The dispersible particles of nanopowders influence on the grade of coatings, so introduction to the nickeliferous stencil of nitrides inclusions improves the adhesion durability in 1,5 - 1,8 times for CEC with the addition of nitrides boron and addition compound of nitrides titanium and silicum, respectively. The considerable increase of adhesion at application of the diffusive annealing and increase of duration of anneal- ing it is caused the change of structure of transitional layer as a result of interdiffusion of components “coating-base”. Key words: compositional electrochemical coating, heat treatment, nanopowders, nitrides boron, compound of nitrides titanium and silicum, adhesion durability, scratch method. References 1. Pat. 29705. Ukraina, MPK С25D 15,00. Sklad dlya otrumannya KEP na osnovi Ni z dobavkami nanorozmirnux nitridiv, Pokrishko G.A., Drobot O.S., Pidgaichuk S.Ya., Yavors’ka N.M.; zayavnik ta patentovlasnik Xmel’nicz’kij naczional’nij universitet. No u 2007 10329, zayavl. 17,09,2007; opubl. 25.01.2008, Byul. No 2. 2. Xruschov M. M. Sklerometriya. Teoriya, metodika, primenenie ispy`tanij na tvyordost` tsarapaniem. M. : Nauka. 1968. 218 s. 3. Kuzmenko A. G., Volyinskiy B.S. Skrech-metod opredeleniya tribologicheskih svoystv poverhnosti. [Ch. 1. Obzor]. Problemyi tribologii. 1998. No 1 (7). S. 3 – 19. 4. Volyinskiy B.S. Eksperimentalnaya ustanovka dlya issledovaniya iznashivaniya i elektricheskih svoystv kontaktov. Primenenie kompozitsionnyih materialov v uzlah treniya tehnologicheskogo oborudovaniya. Hmelnitskiy, 9 – 10 oktyabrya, 1986g. S. 24 – 25. 5. Volinskiy B.S. Skrech-metod viznachennya tribologIchnih vlastivostey poverhni : dis.... kandidata tehnichnih nauk : 05.02.04 ,Volinskiy Borislav SavelIyovich. Hmelnitskiy, 1998. 143 s. http://www.lingvo.ua/ru/Search/GlossaryItemExtraInfo?text=%d0%bd%d0%b8%d1%82%d1%80%d0%b8%d0%b4%20%d0%b1%d0%be%d1%80%d0%b0&translation=boron%20nitride&srcLang=ru&destLang=en&author=Administrator http://www.lingvo.ua/ru/Search/GlossaryItemExtraInfo?text=%d0%bd%d0%b8%d1%82%d1%80%d0%b8%d0%b4%20%d0%b1%d0%be%d1%80%d0%b0&translation=boron%20nitride&srcLang=ru&destLang=en&author=Administrator http://www.lingvo.ua/ru/Search/GlossaryItemExtraInfo?text=%d0%bd%d0%b8%d1%82%d1%80%d0%b8%d0%b4%20%d0%b1%d0%be%d1%80%d0%b0&translation=boron%20nitride&srcLang=ru&destLang=en&author=Administrator