Зміна мікромеханічних властивостей нікелю та його трибологічної поведінки в результаті електролітичного наводнювання Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 4 74 Винар В.А. Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, м. Львів, Україна E-mail: vynar@ipm.lviv.ua ЗМІНА МІКРОМЕХАНІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ НІКЕЛЮ ТА ЙОГО ТРИБОЛОГІЧНОЇ ПОВЕДІНКИ В РЕЗУЛЬТАТІ ЕЛЕКТРОЛІТИЧНОГО НАВОДНЮВАННЯ УДК 620.178.16 Вивчено вплив електролітичного наводнювання на мікромеханічні характеристики та трибологічну поведі- нку поверхневих шарів нікелю. Встановлено, що після електролітичного наводнювання в поверхневих шарах нікелю відбуваються зміни, які проявляються у знижені пластичності і зростанні мікротвердості матеріалу. В результаті електролітичного наводнювання нікелю зі збільшенням густини струму наводнювання його мікротвердість збільшу- ється, а зносотривкість зменшується. Поверхневе руйнування при терті наводненого матеріалу відбувається внаслі- док тріщиноутворення та абразивного впливу твердих і крихких продуктів зношування. Ключові слова: електролітичне наводнювання, нікель, пластичність, мікротвердiсть, коефіцієнт тертя, зношування. Вступ Основна частина деталей обладнання виходить із ладу не через втрату міцності, а внаслідок зношування. Тертя твердих тіл або контакт із газоподібним чи рідким середовищем супроводжується зміною властивостей поверхневих шарів, а як наслідок і зміною трибологічної поведінки. Одним із фак- торів, які суттєво впливають на процеси тертя зношування є водневий чинник [1 - 3]. Спільно з нерівно- важними процесами, що проходять при деформації поверхневого шару металу, створюються теплові гра- дієнти, електричні та магнітні поля і поля напружень. Це призводить до дифузії водню в метал, концент- рації його в приповерхневих шарах і прискореного зносу. Область прояви водневого зношування обширна [1]. Особливо інтенсивному зношуванню мо- жуть піддаватися вузли тертя, що змащуються водою і працюють в хімічній та нафтогазовидобувній промисловостях. Наявність у повітрі парів води також може створювати сприятливі умови для водневого зношування, не кажучи вже про розкладання в зоні контактування мастила, палива або пластмаси. Вико- ристання водню як палива, особливо у транспортній промисловості, збільшує спектр обладнання та ма- теріалів, що працюють у безпосередньому контакті з воднем під час фрикційної взаємодії [4]. Мета даної роботи – дослідити вплив попереднього електролітичного наводнювання на зміну фі- зико-механічних властивостей поверхневих шарів та фрикційну взаємодію нікелю. Методика досліджень Електролітичне наводнювання зразків нікелю проводили попередньо шляхом катодної поляри- зації з використанням платинового анода за кімнатної температури в 1 Н розчині H2SO4 з 10 мг/л As2O3. Тривалість поляризації 1 година, густина струму 1,0 ... 2,0 А/дм2. Трибологічні дослідження пластинчатих зразків розміром 50 × 40 × 5 мм проводили за схемою тертя “площина - сфера“ на установці зі зворотно-поступальним переміщенням контактуючих поверхонь [5]. Навантаження на індентор (матеріал Al2O3, d = 9 мм) становило 1 Н. Визначали коефіцієнт тертя та втрати матеріалу за шириною утвореної в процесі тертя доріжки. Зміну мікромеханічних властивостей нікелю проводили на пристрої для вивчення фізико- механічних властивостей поверхневих шарів матеріалів “Микрон - гамма“ [6]. Топографічні дослідження проводили за допомогою безконтактного інтерференційного 3-D профілографа “Micron - alpha“ [7]. Рентгеноструктурний аналіз поверхні матеріалів здійснювали на дифрактометрі ДРОН-3М у Cu- K випромінюванні. Електронномікроскопічні дослідження структури нікелю і поверхонь тертя прово- дили на сканівному електронному мікроскопі EVO-40XVP (Carl Zeiss) з системою рентгенівського мік- роаналізу INCA Energy. Експериментальні результати та їх обговорення Нікель здатний поглинати великі об’єми водню, причому, в результаті утворюються тверді роз- чини, які змінюють властивості металу. Так, в результаті електролітичного наводнювання поверхні ніке- лю (1 години за густини струму 1 А/дм2) спостерігається утворення чітко вираженої зміненої ділянки глибиною 10 - 15 мкм (рис. 1, б). При порівнянням зерен нікелю у вихідному стані (рис. 1, а) та після на- воднювання (рис. 1, б), встановлено появу неоднорідних темних ділянок округлої форми розміром 0,5 - 1 мкм, наявність яких свідчить про структурні зміни у матеріалі. Зміна мікромеханічних властивостей нікелю та його трибологічної поведінки в результаті електролітичного наводнювання Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 4 75 а б Рис. 1 – Мікроструктура поперечного перерізу ненаводненого (а) і наводненого (густина струму 1А/дм2, час – 1 година) (б) нікелю (BSD - зображення) Встановлено, що після електролітичного наводнювання нікелю його мікротвердість підвищуєть- ся зі збільшенням густини струму і тривалості наводнювання (рис.2). Так, зі зростанням густини струму наводнювання до 2 А/дм2 за тривалості 1 година мікротвердість підвищується на ~38%. Зі зміною часу наводнювання до 3 годин за густини струму 1 А/дм2 вона зростає на ~34 %. Таким чином, зростання гус- тини струму та часу наводнювання, сприяють зростанню мікротвердості поверхневих шарів, однак із пі- двищенням режимів катодної поляризації швидкість її зміни знижується. а б Рис. 2 – Вплив густини струму(а) та часу (б) електролітичного наводнювання на мікротвердість нікелю Рентгеноструктурним аналізом поверхні встановлено, що у поверхневих шарах міжплощинні ві- дстані у кристалічній гратці нікелю у вихідному стані становлять 0,35275 нм , в результаті наводнювання відбувається розширення рефлексів дифрактограм та збільшення їх інтенсивності, що пов’язано з розчи- ненням водню у дефектах структури та кристалічній гратці (рис. 3, а). Воно супроводжується збільшен- ням міжатомних відстаней (рис. 3, б) і виникненням внутрішніх напружень. а б Рис. 3 – Зміна конфігурації рефлексів рентгенограм (а) та параметрів гратки (б) нікелю після електролітичного наводнювання протягом 1 години: 1 –вихідний; 2 – 1 А/дм2; 3 – 2 А/дм2 Зміна мікромеханічних властивостей нікелю та його трибологічної поведінки в результаті електролітичного наводнювання Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 4 76 Після наводнювання параметр гратки нікелю зростає несуттєво (до 0,352755 і 0,352823 нм з під- вищенням густини струму від 1 до 2 А/дм2), що виключає утворення гідридних фаз, які розширюють гра- тку на 0,01 нм [3]. Для визначення механічних властивостей поверхневих шарів застосовували дюрометрію та метод динамічного індентування [6]. Він грунтується на автоматичній реєстрації діаграми навантаження P= f (h), де P – навантаження на індентор, h – глибина його впровадження у поверхню досліджуваного матеріалу (рис. 4, а). Основна перевага методу полягає в тому, що твердість визначається в момент мак- симального заглиблення наконечника (hmax), тобто до початку пружного відновлення матеріалу. Діагра- ма дає інформацію про роботу, витрачену індентором на подолання опору матеріалу Апласт і роботу, ви- трачену матеріалом на відновлення своїх властивостей Апруж. За цими даними визначають ступінь плас- тичності поверхні ε згідно формули ε = (Апласт – Апруж / Апласт). Значення мікротвердості за Меєром знаходиться як відношення максимального навантаження Pmax до площі проекції відбитка А; модуль Юнга визначається, як ASE  2/ , де S – тангенс кута нахилу початкової ділянки кривої розвантаження. Як показали дослідження (рис. 4, а, табл.), що наводнювання підвищує модуль пружності на ~5 % та роботу пружної складової на ~12 %, робота пластичної складова Апласт та коефіцієнт пластично- сті знижуються на 12 %. Спостерігається зростання напружень у поверхневих шарах нікелю на 7 % в по- рівнянні з металом у вихідному стані. а б Рис. 4 – Залежність сили тертя від шляху по треку взаємодії індентора з поверхнею титану (а), 3D (б, в) профілограми сліду від індентора: 1 – метал у вихідному стані; 2 – після наводнювання за густини струму 1 А/дм2 та часу 1 година Таблиця Характеристики нікелю визначені за динамічного індентування Найменування h1, мкм h2, мкм Н, (Мейер) Е, ГПа Апласт Апруж ε σн, ГПа Ni вихідний 4,794 4,717 0,898 178,680 89,936 8,798 0,898 0,231 Ni наводнення 4,767 4,685 0,956 184,600 80,558 9,972 0,803 0,246 Примітка: hmax – максимальне заглиблення наконечника; hf – глибина відбитка; НМеєр – мікрот- вердість за Меєром; Е – модуль Юнга; Апласт і Апруж – робота пластичної і пружної деформацій; ε – сту- пінь пластичності поверхні; σн – внутрішні напруження (наводнювання 1А/дм2, 1 година). В результаті скретч досліджень виявлено несуттєві відмінності між середніми значеннями сили тертя нікелю у вихідному стані – 9,6 сН та після наводнювання – 9,3 сН (рис. 4, б). Дослідження треків, сформованих від контакту піраміди з поверхнею, показали, що для ненаводненого нікелю характерний більш пластичний вихід матеріалу із зони контактування (рис. 5), який супроводжується поширенням пластичної деформації на відстань до 70 мкм у різних напрямках від осі переміщення індентора. Видав- лювання матеріалу через більшу адгезійну складову проходить нерівномірно, тоді як після наводнюван- Зміна мікромеханічних властивостей нікелю та його трибологічної поведінки в результаті електролітичного наводнювання Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 4 77 ня, внаслідок окрихчення, відбувається інтенсивніший вихід матеріалу із зони контакту по осі прикла- дення нормальних навантажень, і гребені виходу матеріалу є рівномірніші. а б Рис. 5 –Вигляд треку сформованого від контакту індентора і поверхні нікелю та його 3D профілограми: а – метал у вихідному стані; б – після наводнювання за густини струму 1 А/дм2 та часу 1 година Таким чином, електролітичне наводнювання технічно чистого нікелю знижує пластичність пове- рхневих шарів нікелю, що проявляється у його трибологічній поведінці (рис. 6). Зі зростанням густини струму наводнювання спостерігається зростання коефіцієнта тертя від 0,4 до 0,6 в початковий період ко- нтактної взаємодії. Ця тенденція зберігається на протязі 600 секунд, але зі зростанням часу досліджень зміна значень коефіцієнта тертя починає набирати стрибкоподібного характеру, що викликане накопи- ченням пошкоджуваності та продуктів зношування в зоні тертя (рис. 7). Для втрат матеріалу властива чі- тка закономірність, зі збільшенням густини струмів наводнювання нікелю ширина треку тертя зростає і становить 786 мкм (2А/дм2 – 1 година), що на 20 % більше ніж для матеріалу у вихідному стані (650 мкм). Рис. 6 –Залежність коефіцієнта тертя та втрат матеріалу нікелю від густини струму наводнювання (час наводнювання 1 год) Аналіз поверхонь тертя матеріалу у вихідному стані свідчить про сліди пластичної деформації, а також наявність значної кількості дрібнодисперсних частинок, крихких продуктів зношування (рис. 7). Зміна мікромеханічних властивостей нікелю та його трибологічної поведінки в результаті електролітичного наводнювання Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 4 78 а б Рис. 7 – Мікроструктура поверхні тертя нікелю у вихідному стані (а) і після наводнювання за густини струму 2А/дм2 протягом 1 год (б) Для нікелю після наводнювання характерне зниження площі пластичного деформування поверх- ні, та утворення тріщин з наступним інтенсивним руйнуванням у вигляді дисперсних частинок, які ви- ступають додатковим абразивом у зоні тертя за рахунок більшої твердості. Висновки Встановлено, що після електролітичного наводнювання в поверхневих шарах нікелю змінюється структура, яка проявляється у зниженні пластичності і зростанні мікротвердості матеріалу. В результаті електролітичного наводнювання нікелю зі збільшенням густини струму наводню- вання його мікротвердість збільшується, а зносотривкість зменшується. Поверхневе руйнування при тер- ті наводненого матеріалу відбувається внаслідок тріщиноутворення та абразивного впливу твердих і крихких продуктів зношування. Література 1. Гаркунов Д.Н. и др. Водородное изнашивание деталей машин: Монография / Д.Н.Гаркунов, Г.И.Суранов, Ю.А.Хрусталев. – Ухта: УГТУ, 2003. – 199 с. 2. Pokhmurskii V.I. Effects of hydrogen exposure on the mechanical and tribological properties of α- titanium surfaces./ V.I. Pokhmurskii, V.A. Vynar, Ch.B. Vasyliv, N.B. Ratska // Wear, Volume 306, Issues 1– 2, 30 August 2013, Pages 47-50. 3. Федоров В.В. Вплив водню на фазовий склад та фізико-механічні властивості конструкційних матеріалів / В.В. Федоров // Фізико-хімічна механіка матеріалів. – 2010 – № 2. – С. 67-76. 4. http://hydrogenius.kyushu-u.ac.jp/ci/event/ihdf2014/pdf/tri11p_ono.pdf 5. Винар В. А. Методичні особливості трибокорозійних досліджень / В. А. Винар, В.М. Довгу- ник, М.М. Студент // ФХММ, 2010. – №5. – С. 59-64. 6. Игнатович С.Р. Методика исследования физико-механических свойств поверхностных слоев материалов при усталости с использованием многофункционального прибора «МикронГамма» / С.Р. Иг- натович, И.М. Закиев, Д.И. Борисов // Авиационно-космическая техника и технология. – 2004. – №8 (16). – С. 163-166. 7. Закиев И.М. Применение бесконтактного 3D профилометра «Micron-betta» для точного опре- деления износа. / И.М. Закиев // Проблемы трения и износа. – 2010. – № 52. – С. 192-198 8. Мардаревич Р.С. Вплив електролітичного наводнювання на зношування гальванічних покриттів на основі нікелю / Р.С. Мардаревич, В.А. Винар, М.Я. Головчук, Я.Я. Сірак // Фізико-хімічна механіка матеріалів. – 2012. – Спец. випуск. – Т.2. – №9. – С. 588-592. Поступила в редакцію 01.12.2015 http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043164813004146 http://hydrogenius.kyushu-u.ac.jp/ci/event/ihdf2014/pdf/tri11p_ono.pdf Зміна мікромеханічних властивостей нікелю та його трибологічної поведінки в результаті електролітичного наводнювання Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 4 79 Vynar V.V. Changes of nickel micromechanical propertiesand tribological characteristics after electrolytic hydrogenation. Electrolytic hydrogenation influence on micromechanical properties and tibological behavior of nickel surface layers was studied. It was established that the treatment causes changes of nickel surface layers which are shown in increase of microhardness and decrease of ductility of the material. Nickel microhardness isincreased and its wear resistance de- creased with rising of hydrogenation current density. Surface destruction of the hydrogenated material takes place dueabrasion effect of hard and brittle wear products and cracks development. Keywords: electrolytic hydrogenation, nickel, nanoindentation, microhardness, friction coefficient, wear. References 1. Garkunov D.N., Suranov G.I., Xrustalev Yu.A. Vodorodnoe iznashyvanye detalej mashyn. Mono- grafiya. Ukhta. UGTU, 2003. 199 s. 2. Pokhmurskii V.I., Vynar V.A., Vasyliv Ch.B., Ratska N.B. Effects of hydrogen exposure on the mechanical and tribological properties of α-titanium surfaces. Wear, Volume 306, Issues 1 - 2, 30 August 2013, Pages 47-50. 3. Fedorov V.V. Vplyv vodnyu na fazovyj sklad ta fizyko-mekhanichni vlastyvosti konstrukcijnykh ma- terialiv. Fizyko-khimichna mekhanika materialiv. 2010 №2. S. 67-76. 4. http://hydrogenius.kyushu-u.ac.jp/ci/event/ihdf2014/pdf/tri11p_ono.pdf 5. Vynar V. А., Dovgunyk V.M., Student M.M. Metodychni osoblyvosti trybokorozijnyx doslidzhen. FKhMM, 2010. №5. s.59–64. 6. Ignatovych S.R., Zakyev I.M., Borysov D.I. Методика Metodyka issledovanyya fyzyko- mekhanycheskykh svojstv poverxnostnykh sloev materyalov pry ustalosty s ispol`zovaniem mnogofunkcional`nogo pribora «MikronGamma». Aviacionno-kosmicheskaya tekhnika i tekhnologiya. 2004. №8 (16). S. 163-166. 7. Zakiev I.M. Primenenie beskontaktnogo 3D profylometra «Micron-betta» dlya tochnogo opredeleniya iznosa. Problemy treniya i iznosa. 2010. № 52. S. 192-198 8. Mardarevych R.S., Vynar V.A., Golovchuk M.Ja., Sirak Ja.Ja. Vplyv elektrolitychnogo navodnju- vannja na znoshuvannja gal'vanichnyh pokryttiv na osnovi nikelju. Fizyko-khimichna mekhanika materialiv. 2012. Spec. vypusk. T.2. №9. S. 588–592. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043164813004146 http://hydrogenius.kyushu-u.ac.jp/ci/event/ihdf2014/pdf/tri11p_ono.pdf