Регион:

Покрытия никель-фосфор и их электроосаждение

Покрытия никель-фосфор и их электроосаждение

Интерес к электрохимически и химически осажденным покрытиям Ni–P вызван уникальным комплексом присущих этим материалам физико-химических и механических свойств. В частности, покрытия Ni–P характеризуются достаточно высокой твердостью, коррозионной стойкостью и износостойкостью, невысоким и стабильным во времени переходным электрическим сопротивлением, а также способностью к пайке и ультразвуковой сварке. Вместе с тем влияние отжига на структуру и триботехнические свойства покрытий  Ni–P изучены недостаточно. Целью настоящей работы являлось исследование влияния отжига при различных температурах на структурное состояние, твердость и триботехнические свойства покрытий Ni–P.

Покрытия Ni–P были получены методом электрохимического осаждения из электролита никелирования с добавкой фосфористой кислоты в качества поставщика фосфора. Осаждение покрытий Ni и Ni–P проводили в термостатируемой ячейке (60±2°С) при вертикальном колебании катода с частотой 30 мин-1 и плотности катодного тока 3–6 А/дм2. Содержание фосфора в покрытии определяли колориметрически; оно составляло от 1,5 до 23,0 ат. %. В качестве подложки использовали цилиндрические медные образцы (⌀ 10 мм, высота 7 мм). Структуру и фазовый состав покрытий изучали методом рентгеноструктурного анализа на дифрактометре ДРОН-3.0 в монохроматизированном СоКα излучении. Микротвердость покрытий измеряли на приборе DuraScan 20 при нагрузке 50 г (0,49 Н). Триботехнические испытания проводили в режиме трения без смазочного материала на трибометре АТВП, работающем по схеме возвратно-поступательного перемещения цилиндрического образца по контртелу со скоростью 0,1 м/с при давлении 1 МПа. В качестве контртела использовали пластину из закаленной стали У8. Отжиг покрытий проводили при температуре 520 К в течение 0,5-10 ч и при 620 К в течение 1 ч.

Фазовый состав, дюрометрические и триботехнические свойства электроосажденных покрытий Ni–Р с содержанием фосфора в широком интервале – от 1,5 до 23,0 ат. % – исследован в работе. Показано, что в исходном (не отожженном) состоянии покрытия с содержанием фосфора от 1,5 до 7,5 ат.% имеют однофазную поликристаллическую структуру твердого раствора фосфора в никеле с ГЦК кристаллической решеткой. Покрытия с содержанием фосфора 7,5 и 9,0 ат.% имеют смешанную аморфно-кристаллическую структуру. В покрытиях с содержанием фосфора ⩾ 10 ат.% регистрируется аморфная структура. Покрытия в поликристаллическом и аморфно-кристаллическом состоянии имеют твердость 600-670 HV 0,05, тогда как твердость аморфного покрытия составляет 530-550 HV 0,05.

Низкотемпературный отжиг при 520 К чистого никелевого покрытия не приводит к существенным изменениям в значениях параметра кристаллической решетки никеля (рисунок 1а) и его микротвердости (рисунок 1б). Отжиг покрытий с содержанием фосфора 1,5 - 23,0 ат.% при 520 К не приводит к образованию фосфидных фаз, однако при этом обнаруживается значительное возрастание параметра кристаллической решетки матричного твердого раствора (рисунок 1а) и увеличение твердости покрытий (рисунок 1б). В частности, значения твердости покрытий Ni94,5P5,5 и Ni92,5P7,5 на начальных стадиях отжига при 520 К возрастают до 870-875 HV 0,05. При увеличении продолжительности отжига микротвердость покрытий незначительно снижается (рисунок 1б).

Зависимость значений параметра кристаллической решетки покрытий Ni–P

Рисунок 1 – Зависимость значений параметра кристаллической решетки покрытий Ni–P (а) и микротвердости (б) от продолжительности изотермического отжига при 520 К.

Анализируя полученные данные можно придти к заключению, что существенный прирост значений параметра кристаллической решетки и увеличение твердости покрытий при низкотемпературном отжиге можно объяснить переходом атомов фосфора из позиций замещения в позиции внедрения. Протекание указанного процесса может происходить по механизму квазихимической реакции диссоциации узельного атома примеси As на межузельный атом примеси Ai и вакансию V по типу A⇆ Ai + V. Механизм диссоциации узельных атомов примеси впервые был предложен Франком и Тарнбаллом для описания диффузии Cu в Ge. Модель реакции диссоциации в настоящее время широко используется для описания процессов диффузии в полупроводниковых материалах для гибридных твердых растворов, в которых атомы примесей (Cu, Au, Pt, Zn, Ni) располагаются в кристаллической решетке растворителя (Si, Ge) одновременно, как в позициях замещения, так и в позициях внедрения. Термодинамической движущей силой процесса может выступать образование ковалентных связей между атомами фосфора и никеля.

Переход атомов фосфора из позиций замещения в позиции внедрения приводит к образованию полей атомных смещений в окрестностях межузельных атомов фосфора и возрастанию параметра кристаллической решетки твердого раствора фосфора в никеле, а также к увеличению микротвердости покрытий. Снижение микротвердости покрытий после длительного отжига при 520 К вызвано уменьшением плотности линейных дефектов кристаллической структуры.

Высокотемпературный отжиг при 620 К покрытия с содержанием фосфора 5,5 ат. % приводит к выделению фазы Ni3P. Микротвердость отожженного покрытия Ni94,5P5,5 составляет 850 HV 0,05 (рисунок 2а). Отжиг при 620 К аморфных покрытий с содержанием фосфора 12,0; 15,0 и 23,0 ат.% приводит к их кристаллизации.

Зависимость микротвердости и интенсивности изнашивания отожженных при 620 К покрытий Ni–Р от содержания в них фосфора

Рисунок 2 – Зависимость микротвердости (а) и интенсивности изнашивания (б) отожженных при 620 К покрытий Ni–Р от содержания в них фосфора.

При этом регистрируется выделение фаз Ni3P и Ni5P2. Повышение содержания фосфора в покрытиях сопровождается увеличением объемной доли выделяющихся при отжиге фосфидов. Микротвердость отожженных при 620 К покрытий Ni88P12, Ni85P15 и Ni77P23 составляет 980, 1000 и 1050 HV 0,05, соответственно (рисунок 2а). На рисунке 2б приведены зависимости интенсивности изнашивания отожженных при 620 К покрытий. Можно видеть, что отожженные покрытия Ni–Р с содержанием фосфора более 5,5 ат.% характеризуются относительно высокой износостойкостью. Наиболее высокий уровень износостойкости фиксируется для отожженных аморфных покрытий Ni85P15  и Ni77P23.

Заключение

Исследованы структура и физико-механические свойства электроосажденных покрытий Ni–P с различным содержанием в них фосфора после отжига при температурах 520 и 620 К. Показано, что низкотемпературный отжиг поликристаллических покрытий Ni–P сопровождается существенным увеличением параметра кристаллической решетки твердого раствора фосфора в никеле и возрастанием твердости покрытий. Сделано заключение, что увеличение твердости и параметра кристаллической решетки твердого раствора покрытий Ni–P при низкотемпературном отжиге связано с переходом атомов фосфора из позиций замещения в позиции внедрения, протекающим по диссоциативному механизму Франка-Тарнбалла. Установлено, что в поликристаллических покрытиях Ni–Р в результате отжига при 620 К происходит выделение фазы Ni3P; в аморфных покрытиях – наряду с фазой Ni3P образуется фаза Ni5P2. Микротвердость отожженных покрытий при 620 К с увеличением содержания в них фосфора возрастает до 1050 HV 0,05, регистрируется также и увеличение износостойкости. Наиболее высокий уровень износостойкости фиксируется для отожженных аморфных покрытий Ni85P15  и Ni77P23.

Возможно Вас так же заинтересуют следующие статьи:

comments powered by HyperComments