eng
Выпуск #1/2020
М.Насрауи, Ю.В.Литовка
Хромовое гальваническое покрытие, модифицированное оксидом графена
Хромовое гальваническое покрытие, модифицированное оксидом графена
Просмотры: 2800
DOI: 10.22184/1993-8578.2020.13.1.34.38
Проведено экспериментальное исследование микротвердости полученного из стандартного электролита хромового гальванического покрытия, наномодифицированного оксидом графена. Выявлено, что при добавке в электролит оксида графена (концентрация 10 мг/л) микротвердость хромового покрытия растет до 1064 кг/мм2 (у хромового покрытия, полученного из стандартного электролита хромирования без добавок, увеличение микротвердости составляет 19,8%).
Проведено экспериментальное исследование микротвердости полученного из стандартного электролита хромового гальванического покрытия, наномодифицированного оксидом графена. Выявлено, что при добавке в электролит оксида графена (концентрация 10 мг/л) микротвердость хромового покрытия растет до 1064 кг/мм2 (у хромового покрытия, полученного из стандартного электролита хромирования без добавок, увеличение микротвердости составляет 19,8%).
ХРОМОВОЕ ГАЛЬВАНИЧЕСКОЕ ПОКРЫТИЕ, МОДИФИЦИРОВАННОЕ ОКСИДОМ ГРАФЕНА
CHROMIUM GALVANIC COATING MODIFIED
BY GRAPHENE OXIDE
М.Насрауи*, аспирант, (ORCID: 0000-0002-8152-1793), Ю.В.Литовка, д.т.н., проф.,
(ORCID: 0000-0002-5792-340X) / nasraoui.mariem@gmail.com
M.Nasraoui*, post-graduate, (ORCID: 0000-0002-8152-1793), Yu.V.Litovka, Doctor of Sc. (Technical), Prof., (ORCID: 0000-0002-5792-340X)
DOI: 10.22184/1993-8578.2020.13.1.34.38
Получено: 16.11.2020 г.
Проведено экспериментальное исследование микротвердости полученного хромового гальванического покрытия из стандартного электролита, наномодифицированного оксидом графена. Выявлено, что при добавлении в электролит оксида графена с концентрацией 10 мг/л микротвердость хромового покрытия возрастает до 1064 кг/мм2 (по сравнению с хромовым покрытием, полученным из стандартного электролита хромирования без добавок, увеличение микротвердости составляет 19,8%).
The microhardness of galvanic chromium coating obtained from a standard electrolyte nanomodified by graphene oxide has been studied experimentally. It was observed that when graphene oxide is added to the electrolyte at a concentration of 10 mg/l, the microhardness of the chromium coating increases to 1,064 kg/mm2 (as compared with the chromium coating obtained from the standard chromium electrolyte without additives; the increase in microhardness is 19.8%).
ВВЕДЕНИЕ
Ранее проведенные исследования показали, что использование наночастиц, однослойных углеродных нанотрубок [1], многослойных углеродных нанотрубок (МУНТ) марки "Таунит" [2] и наноалмазов [3] в хромовых гальванических процессах позволяет получать положительные результаты с точки зрения повышения функциональных свойств гальванических покрытий и, в частности, повышения микротвердости и износостойкости покрытий.
Выявлено, что при концентрации однослойных углеродных нанотрубок 50 мг/л микротвердость хромового покрытия возрастает до 858 кг/мм2 [1], при концентрации многослойных углеродных нанотрубок 80 мг/л микротвердость хромового покрытия возрастает до 1 024 кг/мм2 [2], при концентрации наноалмазов 12 г/л микротвердость хромового покрытия возрастает до 1 050 кг/мм2 [3]. По сравнению с хромовым покрытием, полученным из стандартного электролита хромирования без добавок, увеличение микротвердости составляет, соответственно, 16, 20 и 23%.
Интересные результаты получены при использовании в гальванотехнике достаточно нового наноматериала – оксида графена (GO). Значительное увеличение сопротивления поляризации и снижение скорости коррозии наблюдались для композиционных покрытий Zn–GО по сравнению с чистым покрытием Zn [4]. Скорость коррозии постепенно снижалась с увеличением количества оксида графена в покрытиях. При добавлении в электролит оксида графена с разными концентрациями (0,125, 0,25, 0,375 и 0,5 г/л) получено увеличение толщины покрытия до 6,41 мкм. Добавление оксида графена изменило микроструктуру и морфологию электроосажденных композиционных покрытий Zn–GО.
Опираясь на позитивный опыт применения наночастиц: ОУНТ, МУНТ марки "Таунит" и наноалмазов в гальванотехнике, представляет интерес проведение исследований влияния оксида графена на характеристики гальванических процессов и, в частности, на микротвердость хромовых покрытий (фотография оксида графена, полученная с использованием атомно-силового микроскопа, представлена на рис.1).
Технология получения оксида графена основана на усовершенствованном методе Хаммера – Оффемана, который заключается в окислении природного графита перманганатом калия в среде концентрированной серной кислоты и разбавлении реакционной смеси водой. После этого осуществляют обработку реакционной смеси вторым окислителем (перекисью водорода) и промывку полученного углеродсодержащего продукта окисления раствором кислоты, затем водой. В качестве углеродного материала используют графит, а перед обработкой перманганатом калия графит дополнительно обрабатывают раствором перекиси водорода в серной кислоте, причем количество перекиси водорода берут от 0,15 до 0,30 масс. ч. на 1 масс. ч. графита в пересчете на 100%-ную перекись водорода [5]. После отмывки от кислот и солей марганца продукт представляет собой водную дисперсию с концентрацией сухого вещества (оксида графена) 1%. ООО "НаноТехЦентр" (г. Тамбов) выпускает два вида оксида графена: стандартный оксид графена и оксид графена глубокого окисления. Оксид графена глубокого окисления отличается меньшим латеральным размером чешуек (порядка 1–5 мкм) и улучшенной коллоидной стабильностью в водных растворах.
Целью работы является исследование микротвердости полученного осадка технологического процесса получения наномодифицированного хромового гальванического покрытия при добавлении в электролит оксида графена.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Получение гальванического хромового покрытия осуществлялось с помощью наиболее распространенного в промышленности стандартного сульфатного электролита хромирования следующего состава: ангидрид хрома CrO3 – 250 г/л; серная кислота H2SO4 – 2,5 г/л.
В исследовании в качестве катода применялись квадратные пластины, изготовленные из стали Ст3 площадью 0,1 дм2 (30 × 30 мм). Покрывалась только сторона, обращенная к аноду; обратная сторона изолировалась.
В качестве анода использовалась свинцовая пластина следующего состава: 10% олова и 90% свинца. Соотношение площади анод – катод 1 : 1.
После приготовления и приработки электролита хромирования осуществили нанесение хромового покрытия из электролита без добавок.
Далее осуществили нанесение хромового покрытия из электролита, в который добавлялся в разных концентрациях (от 7 до 52 мг/л) оксид графена глубокого окисления, который выпускается ООО "НаноТехЦентр". Перед введением в рабочий электролит водная дисперсия оксида графена глубокого окисления обрабатывалась ультразвуком для уменьшения агрегации частиц.
В каждом варианте наносили покрытие на пять деталей. Микротвердость Нμ полученного покрытия измерялась с помощью прибора ПМТ-3М.
Микротвердомер ПМТ-3М предназначен для измерения микротвердости материалов методом вдавливания в испытуемый материал алмазного наконечника Виккерса с квадратным основанием четырехгранной пирамиды, обеспечивающей геометрическое и механическое подобие отпечатков по мере углубления индентора под действием нагрузки. Измерение диагоналей отпечатков производили с помощью фотоэлектрического окулярного микрометра ФОМ-1-16 с автоматической обработкой результатов измерения. Погрешность измерения составляла 2%.
На каждом образце микротвердость измерялась в пяти точках, в которых отпечатки получались симметричными, после чего результат усреднялся. Далее проводилось усреднение по всем пяти деталям каждого эксперимента.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Результаты представлены в табл.1 и на рис.2 (на рис.2 указаны среднее значение и дисперсия экспериментальных данных).
ОБСУЖДЕНИЕ
В результате проведенных экспериментов выявлено, что микротвердость хромового покрытия при добавлении оксида графена глубокого окисления возрастает, при этом наибольшее значение микротвердости (1064 кг/мм2) получено при концентрации оксида графена глубокого окисления 10 мг/л (по сравнению с хромовым покрытием, полученным из стандартного электролита хромирования без добавок, увеличение микротвердости составляет 19,8 %).
ВЫВОДЫ
Проведено экспериментальное исследование микротвердости полученного хромового гальванического покрытия из стандартного электролита, наномодифицированного оксидом графена глубокого окисления.
Экспериментально установлено, что добавление оксида графена глубокого окисления увеличивает микротвердость хромового покрытия. Выявлено, что наивысшая микротвердость была получена при добавлении оксида графена с концентрацией 10 мг/л, микротвердость хромового покрытия увеличивается с 888 до 1064 кг/мм2 (по сравнению с хромовым покрытием, полученным из стандартного электролита хромирования без добавок, увеличение микротвердости составляет 19,8%).
Хромовое покрытие с повышенной микротвердостью (и, как следствие, с повышенной износостойкостью) представляет интерес для использования на деталях, подверженных динамическим нагрузкам в режиме трения. Срок эксплуатации деталей, хромовое покрытие на которых получено из электролита с оксидом графена, существенно выше, чем при использовании традиционного хромового покрытия.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Литовка Ю.В., Насрауи М., Кузнецова О.А., Майстренко Н.В. Модифицированные однослойными углеродными нанотрубками хромовые гальванические покрытия // Упрочняющие технологии и покрытия. 2018. Т. 14. № 10. С.463–465.
Литовка Ю.В., Дьяков И.А., Кузнецова О.А., Ткачев А.Г., Попов Д.Ю., Столяров Р.А. Наномодифицированные хромовые гальванические покрытия // Гальванотехника и обработка поверхности. 2011. Т. XIX. № 4. С.29–33.
Dolmatov V.Yu., Burkat G.K., Myllymaki V., Vehanen A. Electrochemical Chromium–Diamond Coating // Journal of Superhard Materials. 2015. Vol. 37. No. 2. PP. 82–100.
Rekha M.Y. Chandan Srivastava Microstructure and corrosion properties of zinc-graphene oxide composite coatings // Corrosion Science 152 (2019) 234–248.
Пат. 2709594 Российская Федерация, МПК C01B 32/198, B82B 3/00, B82Y 40/00. Способ получения оксида графена. Ткачев А. Г., Мележик А.В., Осипов А.А., Ткачев М.А. /Заявитель и патентообладатель ООО "НаноТехЦентр" (RU). – № 2018134006; заявл. 26.09.18; опубл. 18.12.19, Бюл. № 35.
CHROMIUM GALVANIC COATING MODIFIED
BY GRAPHENE OXIDE
М.Насрауи*, аспирант, (ORCID: 0000-0002-8152-1793), Ю.В.Литовка, д.т.н., проф.,
(ORCID: 0000-0002-5792-340X) / nasraoui.mariem@gmail.com
M.Nasraoui*, post-graduate, (ORCID: 0000-0002-8152-1793), Yu.V.Litovka, Doctor of Sc. (Technical), Prof., (ORCID: 0000-0002-5792-340X)
DOI: 10.22184/1993-8578.2020.13.1.34.38
Получено: 16.11.2020 г.
Проведено экспериментальное исследование микротвердости полученного хромового гальванического покрытия из стандартного электролита, наномодифицированного оксидом графена. Выявлено, что при добавлении в электролит оксида графена с концентрацией 10 мг/л микротвердость хромового покрытия возрастает до 1064 кг/мм2 (по сравнению с хромовым покрытием, полученным из стандартного электролита хромирования без добавок, увеличение микротвердости составляет 19,8%).
The microhardness of galvanic chromium coating obtained from a standard electrolyte nanomodified by graphene oxide has been studied experimentally. It was observed that when graphene oxide is added to the electrolyte at a concentration of 10 mg/l, the microhardness of the chromium coating increases to 1,064 kg/mm2 (as compared with the chromium coating obtained from the standard chromium electrolyte without additives; the increase in microhardness is 19.8%).
ВВЕДЕНИЕ
Ранее проведенные исследования показали, что использование наночастиц, однослойных углеродных нанотрубок [1], многослойных углеродных нанотрубок (МУНТ) марки "Таунит" [2] и наноалмазов [3] в хромовых гальванических процессах позволяет получать положительные результаты с точки зрения повышения функциональных свойств гальванических покрытий и, в частности, повышения микротвердости и износостойкости покрытий.
Выявлено, что при концентрации однослойных углеродных нанотрубок 50 мг/л микротвердость хромового покрытия возрастает до 858 кг/мм2 [1], при концентрации многослойных углеродных нанотрубок 80 мг/л микротвердость хромового покрытия возрастает до 1 024 кг/мм2 [2], при концентрации наноалмазов 12 г/л микротвердость хромового покрытия возрастает до 1 050 кг/мм2 [3]. По сравнению с хромовым покрытием, полученным из стандартного электролита хромирования без добавок, увеличение микротвердости составляет, соответственно, 16, 20 и 23%.
Интересные результаты получены при использовании в гальванотехнике достаточно нового наноматериала – оксида графена (GO). Значительное увеличение сопротивления поляризации и снижение скорости коррозии наблюдались для композиционных покрытий Zn–GО по сравнению с чистым покрытием Zn [4]. Скорость коррозии постепенно снижалась с увеличением количества оксида графена в покрытиях. При добавлении в электролит оксида графена с разными концентрациями (0,125, 0,25, 0,375 и 0,5 г/л) получено увеличение толщины покрытия до 6,41 мкм. Добавление оксида графена изменило микроструктуру и морфологию электроосажденных композиционных покрытий Zn–GО.
Опираясь на позитивный опыт применения наночастиц: ОУНТ, МУНТ марки "Таунит" и наноалмазов в гальванотехнике, представляет интерес проведение исследований влияния оксида графена на характеристики гальванических процессов и, в частности, на микротвердость хромовых покрытий (фотография оксида графена, полученная с использованием атомно-силового микроскопа, представлена на рис.1).
Технология получения оксида графена основана на усовершенствованном методе Хаммера – Оффемана, который заключается в окислении природного графита перманганатом калия в среде концентрированной серной кислоты и разбавлении реакционной смеси водой. После этого осуществляют обработку реакционной смеси вторым окислителем (перекисью водорода) и промывку полученного углеродсодержащего продукта окисления раствором кислоты, затем водой. В качестве углеродного материала используют графит, а перед обработкой перманганатом калия графит дополнительно обрабатывают раствором перекиси водорода в серной кислоте, причем количество перекиси водорода берут от 0,15 до 0,30 масс. ч. на 1 масс. ч. графита в пересчете на 100%-ную перекись водорода [5]. После отмывки от кислот и солей марганца продукт представляет собой водную дисперсию с концентрацией сухого вещества (оксида графена) 1%. ООО "НаноТехЦентр" (г. Тамбов) выпускает два вида оксида графена: стандартный оксид графена и оксид графена глубокого окисления. Оксид графена глубокого окисления отличается меньшим латеральным размером чешуек (порядка 1–5 мкм) и улучшенной коллоидной стабильностью в водных растворах.
Целью работы является исследование микротвердости полученного осадка технологического процесса получения наномодифицированного хромового гальванического покрытия при добавлении в электролит оксида графена.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Получение гальванического хромового покрытия осуществлялось с помощью наиболее распространенного в промышленности стандартного сульфатного электролита хромирования следующего состава: ангидрид хрома CrO3 – 250 г/л; серная кислота H2SO4 – 2,5 г/л.
В исследовании в качестве катода применялись квадратные пластины, изготовленные из стали Ст3 площадью 0,1 дм2 (30 × 30 мм). Покрывалась только сторона, обращенная к аноду; обратная сторона изолировалась.
В качестве анода использовалась свинцовая пластина следующего состава: 10% олова и 90% свинца. Соотношение площади анод – катод 1 : 1.
После приготовления и приработки электролита хромирования осуществили нанесение хромового покрытия из электролита без добавок.
Далее осуществили нанесение хромового покрытия из электролита, в который добавлялся в разных концентрациях (от 7 до 52 мг/л) оксид графена глубокого окисления, который выпускается ООО "НаноТехЦентр". Перед введением в рабочий электролит водная дисперсия оксида графена глубокого окисления обрабатывалась ультразвуком для уменьшения агрегации частиц.
В каждом варианте наносили покрытие на пять деталей. Микротвердость Нμ полученного покрытия измерялась с помощью прибора ПМТ-3М.
Микротвердомер ПМТ-3М предназначен для измерения микротвердости материалов методом вдавливания в испытуемый материал алмазного наконечника Виккерса с квадратным основанием четырехгранной пирамиды, обеспечивающей геометрическое и механическое подобие отпечатков по мере углубления индентора под действием нагрузки. Измерение диагоналей отпечатков производили с помощью фотоэлектрического окулярного микрометра ФОМ-1-16 с автоматической обработкой результатов измерения. Погрешность измерения составляла 2%.
На каждом образце микротвердость измерялась в пяти точках, в которых отпечатки получались симметричными, после чего результат усреднялся. Далее проводилось усреднение по всем пяти деталям каждого эксперимента.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Результаты представлены в табл.1 и на рис.2 (на рис.2 указаны среднее значение и дисперсия экспериментальных данных).
ОБСУЖДЕНИЕ
В результате проведенных экспериментов выявлено, что микротвердость хромового покрытия при добавлении оксида графена глубокого окисления возрастает, при этом наибольшее значение микротвердости (1064 кг/мм2) получено при концентрации оксида графена глубокого окисления 10 мг/л (по сравнению с хромовым покрытием, полученным из стандартного электролита хромирования без добавок, увеличение микротвердости составляет 19,8 %).
ВЫВОДЫ
Проведено экспериментальное исследование микротвердости полученного хромового гальванического покрытия из стандартного электролита, наномодифицированного оксидом графена глубокого окисления.
Экспериментально установлено, что добавление оксида графена глубокого окисления увеличивает микротвердость хромового покрытия. Выявлено, что наивысшая микротвердость была получена при добавлении оксида графена с концентрацией 10 мг/л, микротвердость хромового покрытия увеличивается с 888 до 1064 кг/мм2 (по сравнению с хромовым покрытием, полученным из стандартного электролита хромирования без добавок, увеличение микротвердости составляет 19,8%).
Хромовое покрытие с повышенной микротвердостью (и, как следствие, с повышенной износостойкостью) представляет интерес для использования на деталях, подверженных динамическим нагрузкам в режиме трения. Срок эксплуатации деталей, хромовое покрытие на которых получено из электролита с оксидом графена, существенно выше, чем при использовании традиционного хромового покрытия.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Литовка Ю.В., Насрауи М., Кузнецова О.А., Майстренко Н.В. Модифицированные однослойными углеродными нанотрубками хромовые гальванические покрытия // Упрочняющие технологии и покрытия. 2018. Т. 14. № 10. С.463–465.
Литовка Ю.В., Дьяков И.А., Кузнецова О.А., Ткачев А.Г., Попов Д.Ю., Столяров Р.А. Наномодифицированные хромовые гальванические покрытия // Гальванотехника и обработка поверхности. 2011. Т. XIX. № 4. С.29–33.
Dolmatov V.Yu., Burkat G.K., Myllymaki V., Vehanen A. Electrochemical Chromium–Diamond Coating // Journal of Superhard Materials. 2015. Vol. 37. No. 2. PP. 82–100.
Rekha M.Y. Chandan Srivastava Microstructure and corrosion properties of zinc-graphene oxide composite coatings // Corrosion Science 152 (2019) 234–248.
Пат. 2709594 Российская Федерация, МПК C01B 32/198, B82B 3/00, B82Y 40/00. Способ получения оксида графена. Ткачев А. Г., Мележик А.В., Осипов А.А., Ткачев М.А. /Заявитель и патентообладатель ООО "НаноТехЦентр" (RU). – № 2018134006; заявл. 26.09.18; опубл. 18.12.19, Бюл. № 35.
Отзывы читателей
