Введение к работе
Актуальность темы. Электролитические покрытия широко применяются для придания поверхности различных изделий заданных свойств. В частности, для специальных областей техники большой интерес представляют сплавы никель-вольфрам, обладающие высокой твёрдостью, износостойкостью, коррозионной стойкостью и каталитической активностью.
Для электроосаждения сплавов никель-вольфрам предложено несколько типов электролитов, одним из которых является пирофосфатный. Основным преимуществом этого электролита является стабильность состава и отсутствие окисления комплексообразователя на аноде, что позволяет использовать его в течение длительного времени без ухудшения свойств покрытия. В тоже время, пирофосфатный электролит осаждения сплавов Ni-W исследован недостаточно. Именно отсутствие к настоящему времени систематических исследований восстановления ионов никеля и совместного разряда ионов никеля и вольфрама из пирофосфатного электролита является причиной не столь широкого его применения на практике. С другой стороны, отсутствуют сведения о влиянии технологических параметров на состав и свойства никель-вольфрамовых покрытий.
Электрохимически осажденные сплавы никель-вольфрам часто имеют существенный дефект – плотную сетку микротрещин, что значительно ограничивает их применение. В ряде случаев в состав электролитических сплавов Ni-W включаются неметаллические примеси, которые могут негативно влиять на свойства покрытий.
Таким образом, исследование закономерностей осаждения сплавов Ni-W и оценка влияния технологических параметров на химический состав, структуру и микротвёрдость покрытий в настоящее время является важной задачей, решение которой необходимо для создания эффективной технологии нанесения покрытий Ni-W на изделия со сложной конфигурацией из различных металлов и сплавов.
Цель работы. Целью настоящей работы является исследование основных закономерностей восстановления никеля и вольфрама при осаждении их сплава из пирофосфатного электролита, а также определение условий, благоприятных для получения качественных покрытий Ni-W, не содержащих трещин.
Задачи работы:
-
Исследование процесса разряда ионов никеля из пирофосфатного электролита.
-
Изучение закономерностей совместного восстановления никеля и вольфрама в сплав из пирофосфатного электролита.
-
Исследование влияния состава электролита и режима осаждения на выход по току сплава Ni-W, его химический состав и микротвёрдость покрытий.
-
Изучение структуры сплава никель-вольфрам и влияния на неё условий осаждения.
-
На основании полученных данных определить условия электроосаждения покрытий сплавом Ni-W.
Научная новизна. Изучено влияние концентрации пирофосфатного комплекса никеля [Ni(P2O7)2]6-, свободных ионов Р2О74- и рН электролита на процесс восстановления до металла. Предложен возможный механизм разряда ионов [Ni(P2O7)2]6-.
В электролите для осаждения сплава Ni-W установлено влияние концентраций [Ni(P2O7)2]6-, WO42- и рН на разряд ионов никеля и вольфрама. Определены порядки реакций восстановления ионов никеля и вольфрама по ионам [Ni(P2O7)2]6-, WO42- и оценено влияние рН электролита на скорость разряда ионов вольфрама и никеля. Предположена последовательность стадий совместного восстановления никеля и вольфрама.
Установлено влияние рН электролита, соотношения концентраций [Ni(P2O7)2]6- и WO42- в электролите, плотности тока, температуры и концентрации свободных пирофосфат-ионов на выход по току и состав покрытий сплавом Ni-W. Оценено влияние условий электроосаждения на микротвёрдость и структуру сплава Ni-W. Показано, что в определённых условиях сплав осаждается с примесью фазы кислородсодержащих соединений вольфрама, которая распределена по толщине слоя сплава неравномерно, и её содержание убывает с ростом толщины покрытия.
Практическая ценность работы. Предложен состав электролита и определён режим электроосаждения сплава, позволяющий получать твёрдые покрытия без трещин с содержанием вольфрама 28-30 масс.%. Результаты исследований использованы в темах «Магистраль» и «Элемент», выполняемых ФГУП «ЦНИИ конструкционных материалов «Прометей» в рамках государственных контрактов.
На защиту выносятся:
-
Результаты исследования закономерностей электрохимического восстановления никеля и совместного восстановления вольфрама и никеля из пирофосфатного электролита;
-
Результаты исследований влияния состава электролита, плотности тока и температуры на процесс осаждения сплава никель-вольфрам;
-
Результаты исследований состава, структуры и твёрдости сплавов Ni-W, полученных при различных условиях.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на международной конференции «Теория и практика современных электрохимических производств» (Санкт-Петербург, 2010 г.), на «X конференции молодых учёных и специалистов» (Санкт-Петербург, 2011 г.), на «XIX Менделеевском съезде по общей и прикладной химии» (Волгоград, 2011 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, и тезисы 2-х докладов.
Структура и объём работы. Диссертационная работа изложена на 140 страницах, состоит из введения, обзора литературы, методической части, изложения экспериментальных результатов и их обсуждения, выводов и списка литературы. Материал содержит 49 рисунков и 9 таблиц. Список литературы включает 130 работ.
