eng
Выпуск #3-4/2021
М.Насрауи
Хромическое гальваническое покрытие, модифицированное комбинацией многослойных углеродных нанотрубок и наноалмазов
Хромическое гальваническое покрытие, модифицированное комбинацией многослойных углеродных нанотрубок и наноалмазов
Просмотры: 1754
DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.3-4.206.211
Проведено экспериментальное исследование микротвердости хромового гальванического покрытия, наномодифицированного комбинацией многослойных углеродных нанотрубок и наноалмазов. Выявлено, что добавление в электролит многослойных углеродных нанотрубок и наноалмазов приводит к возрастанию микротвердости хромового покрытия до 1084 кг/мм2.
Проведено экспериментальное исследование микротвердости хромового гальванического покрытия, наномодифицированного комбинацией многослойных углеродных нанотрубок и наноалмазов. Выявлено, что добавление в электролит многослойных углеродных нанотрубок и наноалмазов приводит к возрастанию микротвердости хромового покрытия до 1084 кг/мм2.
Теги: carbon nanotubes chrome galvanic coating microhardness nanodiamonds наноалмазы; микротвердость углеродные нанотрубки хромовое гальваническое покрытие
ХРОМИЧЕСКОЕ ГАЛЬВАНИЧЕСКОЕ ПОКРЫТИЕ, МОДИФИЦИРОВАННОЕ КОМБИНАЦИЕЙ МНОГОСЛОЙНЫХ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК И НАНОАЛМАЗОВ
CHROMIUM GALVANIC PLATING MODIFIED BY A COMBINATION OF MULTILAYER CARBON NANOTUBES AND NANODIAMONDS
М.Насрауи*, аспирант, (ORCID: 0000-0002-8152-1793) / nasraoui.mariem@gmail.com
M.Nasraoui*, Post-graduate
DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.3-4.206.211
Получено: 18.06.2021 г.
Проведено экспериментальное исследование микротвердости полученного хромового гальванического покрытия из стандартного электролита, наномодифицированного комбинацией многослойных углеродных нанотрубок МУНТ и наноалмазов. Выявлено, что при добавлении в электролит комбинации многослойных углеродных нанотрубок МУНТ "Таунит" (80 мг/л) и наноалмазов (12 г/л), микротвердость хромового покрытия возрастает до 1084 кг/мм2 (по сравнению с хромовым покрытием, полученным из стандартного электролита хромирования без добавок, увеличение микротвердости составило 27%).
An experimental study of the microhardness of the obtained chromium plating from a standard electrolyte modified with a combination of multilayer carbon nanotubes (MLCNT) and nanodiamonds was carried out. It was revealed that when the combination of MLCNT of "Taunit" series (concentration of 80 mg/l) and nanodiamonds (concentration of 12 g/l) is added to the electrolyte, the microhardness of the chromium coating increases to 1,084 kg/mm2 (as compared with the chromium coating obtained from the standard chromium electrolyte without additives, the increase in microhardness is 27%).
ВВЕДЕНИЕ
Проведенные ранее исследования показали, что использование наночастиц однослойных углеродных нанотрубок [1], многослойных углеродных нанотрубок (МУНТ) марки "Таунит" [2], наноалмазов [3] и оксида графена [4] 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 1024 кг/мм2 [2], при концентрации наноалмазов 12 г/л микротвердость хромового покрытия возрастает до 1050 кг/мм2 [3], при концентрации оксида графена 10 мг/л микротвердость хромового покрытия возрастает до 1064 кг/мм2 [4]. По сравнению с хромовым покрытием, полученным из стандартного электролита хромирования без добавок, увеличение микротвердости составляет, соответственно, 16, 20, 23 и 24%.
Опираясь на позитивный опыт применения по отдельности наночастиц ОУНТ, МУНТ марки "Таунит", наноалмазов и оксида графена в гальванотехнике, представляет интерес проведение исследований влияния их комбинаций на характеристики гальванических процессов и, в частности, на микротвердость хромовых покрытий.
На рис.1 и 2 показаны изображения изломов образцов с хромовым покрытием, выполненные на сканирующем электронном микроскопе Merlin. На рис.1 видны многослойные углеродные нанотрубки, внедрившиеся в хромовое покрытие; на рис.2 видна пластинка оксида графена.
Целью работы было исследование микротвердости полученного осадка технологического процесса получения наномодифицированного хромового гальванического покрытия при добавлении в электролит комбинации многослойных углеродных нанотрубок МУНТ "Таунит" (80 мг/л) и наноалмазов (12 г/л).
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Получение гальванического хромового покрытия осуществляли с помощью наиболее распространенного в промышленности стандартного сульфатного электролита хромирования следующего состава: хромовый ангидрид 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 пластина следующего состава: олово – 10% и свинец – 90%. 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 была добавлена комбинация многослойных углеродных нанотрубок МУНТ "Таунит" (80 мг/л) и наноалмазов (12 г/л).
Первая добавка наноразмерного материала – водная суспензия алмазной шихты, содержащая 62 мас. % детонационных наноалмазов (ДНА) [5]. Перед введением в электролит суспензию обрабатывали ультразвуком на установке ИЛ 100-6/4, частота 22 кГц, интенсивность звука 786 Вт/см2, время обработки – 30 мин.
Вторая добавка наноразмерного материала представляла собой многослойные углеродные нанотрубки в виде растворимых шипучих таблеток, которые добавлялись в объем электролита для получения устойчивого коллоидного раствора [6]. Углеродные нанотрубки смешивались со следующими компонентами: поверхностно-активное вещество (ПАВ) – поливинилпирролидон; гидрокарбонат натрия и лимонная кислота – после чего запрессовывались в таблетки. Давление прессования составляло 32 кг/мм2.
Диспергирование этих агломератов осуществлялось воздействием выделяющегося при растворении гидрокарбоната натрия углекислого газа.
Результаты экспериментов по определению микротвердости хромового покрытия с добавлением многослойных углеродных нанотрубок "Таунит" (80 мг/л) и наноалмазов (12 г/л) по отдельности и их комбинаций приведены на рис.3.
ОБСУЖДЕНИЕ
При добавлении смеси наноалмазов с концентрацией 12 г/л и многослойных углеродных нанотрубок "Таунит" 80 мг/л микротвердость хромового покрытия увеличивается до 1084 кг/мм2.
Увеличение микротвердости составляет 27% по сравнению с хромовым покрытием, полученным из стандартного электролита хромирования без добавок. Результаты не находятся в пределах погрешности измерений (которая для использованного прибора ПМТ-3 составляет 2%).
Таким образом, добавление смеси наноалмазов и многослойных углеродных нанотрубок "Таунит" позволяет получить значение микротвердости, превышающее на 4–7% значения этого качественного показателя при использовании наноалмазов и многослойных углеродных нанотрубок "Таунит" по отдельности.
На рис.4 показан пример микроиндентирования.
ВЫВОДЫ
Проведено экспериментальное исследование микротвердости полученного хромового гальванического покрытия из стандартного электролита, наномодифицированного смесью наноалмазов (12 г/л) и MУНT "Таунит" (80 мг/л).
Экспериментально установлено, что добавление смеси наноалмазов (12 г/л) и MУНT "Таунит" (80 мг/л) увеличивает микротвердость хромового покрытия. Выявлено, что наивысшая микротвердость была получена при добавлении смеси наноалмазов (12 г/л) и MУНT "Таунит" (80 мг/л), микротвердость хромового покрытия увеличивается с 853 до 1084 кг/мм2 (по сравнению с хромовым покрытием, полученным из стандартного электролита хромирования без добавок, увеличение микротвердости составляет 27%).
Хромовое покрытие с повышенной микротвердостью (и, как следствие, с повышенной износостойкостью) представляет интерес для использования в деталях, подверженных динамическим нагрузкам в режиме трения. Срок эксплуатации деталей, хромовое покрытие на которых получено из электролита со смесью наноалмазов (12 г/л) и MУНT "Таунит" (80 мг/л), существенно выше, чем при использовании этих наноструктур по отдельности или 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.
Литовка Ю.В., Насрауи М. Хромовое гальваническое покрытие, модифицированное оксидом графена. Наноиндустрия, 2020, т. 13, № 1(94), с. 34–38. DOI: 10.22184/1993-8578.2020.13.1.34.38.
Патент № RU 2 384 524 C2 Российская Федерация, МПК C01B 31/06(2006.01), B82B 1/00(2006.01). Способ получения стабильной суспензии детонационных наноалмазов / Долматов В.Ю., Марчуков В.А., Сущев В.Г., Веретенникова М.В. Заявитель и патентообладатель Федеральное государственное унитарное предприятие "Специальное конструкторско-технологическое бюро "Технолог" (ФГУП "СКТБ "Технолог"): № 2008117751/15, заявл.29.04.08: опубл. 20.03.10.
Дьяков И.А., Литовка Ю.В., Ткачев А.Г. Применение углеродных нанотрубок "ТАУНИТ" в гальванотехнике: монография. Саратов: Ай Пи Эр Медиа. 2018. 207 c.
Декларация о конфликте интересов. Автор заявляет об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
CHROMIUM GALVANIC PLATING MODIFIED BY A COMBINATION OF MULTILAYER CARBON NANOTUBES AND NANODIAMONDS
М.Насрауи*, аспирант, (ORCID: 0000-0002-8152-1793) / nasraoui.mariem@gmail.com
M.Nasraoui*, Post-graduate
DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.3-4.206.211
Получено: 18.06.2021 г.
Проведено экспериментальное исследование микротвердости полученного хромового гальванического покрытия из стандартного электролита, наномодифицированного комбинацией многослойных углеродных нанотрубок МУНТ и наноалмазов. Выявлено, что при добавлении в электролит комбинации многослойных углеродных нанотрубок МУНТ "Таунит" (80 мг/л) и наноалмазов (12 г/л), микротвердость хромового покрытия возрастает до 1084 кг/мм2 (по сравнению с хромовым покрытием, полученным из стандартного электролита хромирования без добавок, увеличение микротвердости составило 27%).
An experimental study of the microhardness of the obtained chromium plating from a standard electrolyte modified with a combination of multilayer carbon nanotubes (MLCNT) and nanodiamonds was carried out. It was revealed that when the combination of MLCNT of "Taunit" series (concentration of 80 mg/l) and nanodiamonds (concentration of 12 g/l) is added to the electrolyte, the microhardness of the chromium coating increases to 1,084 kg/mm2 (as compared with the chromium coating obtained from the standard chromium electrolyte without additives, the increase in microhardness is 27%).
ВВЕДЕНИЕ
Проведенные ранее исследования показали, что использование наночастиц однослойных углеродных нанотрубок [1], многослойных углеродных нанотрубок (МУНТ) марки "Таунит" [2], наноалмазов [3] и оксида графена [4] 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 1024 кг/мм2 [2], при концентрации наноалмазов 12 г/л микротвердость хромового покрытия возрастает до 1050 кг/мм2 [3], при концентрации оксида графена 10 мг/л микротвердость хромового покрытия возрастает до 1064 кг/мм2 [4]. По сравнению с хромовым покрытием, полученным из стандартного электролита хромирования без добавок, увеличение микротвердости составляет, соответственно, 16, 20, 23 и 24%.
Опираясь на позитивный опыт применения по отдельности наночастиц ОУНТ, МУНТ марки "Таунит", наноалмазов и оксида графена в гальванотехнике, представляет интерес проведение исследований влияния их комбинаций на характеристики гальванических процессов и, в частности, на микротвердость хромовых покрытий.
На рис.1 и 2 показаны изображения изломов образцов с хромовым покрытием, выполненные на сканирующем электронном микроскопе Merlin. На рис.1 видны многослойные углеродные нанотрубки, внедрившиеся в хромовое покрытие; на рис.2 видна пластинка оксида графена.
Целью работы было исследование микротвердости полученного осадка технологического процесса получения наномодифицированного хромового гальванического покрытия при добавлении в электролит комбинации многослойных углеродных нанотрубок МУНТ "Таунит" (80 мг/л) и наноалмазов (12 г/л).
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Получение гальванического хромового покрытия осуществляли с помощью наиболее распространенного в промышленности стандартного сульфатного электролита хромирования следующего состава: хромовый ангидрид 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 пластина следующего состава: олово – 10% и свинец – 90%. 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 была добавлена комбинация многослойных углеродных нанотрубок МУНТ "Таунит" (80 мг/л) и наноалмазов (12 г/л).
Первая добавка наноразмерного материала – водная суспензия алмазной шихты, содержащая 62 мас. % детонационных наноалмазов (ДНА) [5]. Перед введением в электролит суспензию обрабатывали ультразвуком на установке ИЛ 100-6/4, частота 22 кГц, интенсивность звука 786 Вт/см2, время обработки – 30 мин.
Вторая добавка наноразмерного материала представляла собой многослойные углеродные нанотрубки в виде растворимых шипучих таблеток, которые добавлялись в объем электролита для получения устойчивого коллоидного раствора [6]. Углеродные нанотрубки смешивались со следующими компонентами: поверхностно-активное вещество (ПАВ) – поливинилпирролидон; гидрокарбонат натрия и лимонная кислота – после чего запрессовывались в таблетки. Давление прессования составляло 32 кг/мм2.
Диспергирование этих агломератов осуществлялось воздействием выделяющегося при растворении гидрокарбоната натрия углекислого газа.
Результаты экспериментов по определению микротвердости хромового покрытия с добавлением многослойных углеродных нанотрубок "Таунит" (80 мг/л) и наноалмазов (12 г/л) по отдельности и их комбинаций приведены на рис.3.
ОБСУЖДЕНИЕ
При добавлении смеси наноалмазов с концентрацией 12 г/л и многослойных углеродных нанотрубок "Таунит" 80 мг/л микротвердость хромового покрытия увеличивается до 1084 кг/мм2.
Увеличение микротвердости составляет 27% по сравнению с хромовым покрытием, полученным из стандартного электролита хромирования без добавок. Результаты не находятся в пределах погрешности измерений (которая для использованного прибора ПМТ-3 составляет 2%).
Таким образом, добавление смеси наноалмазов и многослойных углеродных нанотрубок "Таунит" позволяет получить значение микротвердости, превышающее на 4–7% значения этого качественного показателя при использовании наноалмазов и многослойных углеродных нанотрубок "Таунит" по отдельности.
На рис.4 показан пример микроиндентирования.
ВЫВОДЫ
Проведено экспериментальное исследование микротвердости полученного хромового гальванического покрытия из стандартного электролита, наномодифицированного смесью наноалмазов (12 г/л) и MУНT "Таунит" (80 мг/л).
Экспериментально установлено, что добавление смеси наноалмазов (12 г/л) и MУНT "Таунит" (80 мг/л) увеличивает микротвердость хромового покрытия. Выявлено, что наивысшая микротвердость была получена при добавлении смеси наноалмазов (12 г/л) и MУНT "Таунит" (80 мг/л), микротвердость хромового покрытия увеличивается с 853 до 1084 кг/мм2 (по сравнению с хромовым покрытием, полученным из стандартного электролита хромирования без добавок, увеличение микротвердости составляет 27%).
Хромовое покрытие с повышенной микротвердостью (и, как следствие, с повышенной износостойкостью) представляет интерес для использования в деталях, подверженных динамическим нагрузкам в режиме трения. Срок эксплуатации деталей, хромовое покрытие на которых получено из электролита со смесью наноалмазов (12 г/л) и MУНT "Таунит" (80 мг/л), существенно выше, чем при использовании этих наноструктур по отдельности или 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.
Литовка Ю.В., Насрауи М. Хромовое гальваническое покрытие, модифицированное оксидом графена. Наноиндустрия, 2020, т. 13, № 1(94), с. 34–38. DOI: 10.22184/1993-8578.2020.13.1.34.38.
Патент № RU 2 384 524 C2 Российская Федерация, МПК C01B 31/06(2006.01), B82B 1/00(2006.01). Способ получения стабильной суспензии детонационных наноалмазов / Долматов В.Ю., Марчуков В.А., Сущев В.Г., Веретенникова М.В. Заявитель и патентообладатель Федеральное государственное унитарное предприятие "Специальное конструкторско-технологическое бюро "Технолог" (ФГУП "СКТБ "Технолог"): № 2008117751/15, заявл.29.04.08: опубл. 20.03.10.
Дьяков И.А., Литовка Ю.В., Ткачев А.Г. Применение углеродных нанотрубок "ТАУНИТ" в гальванотехнике: монография. Саратов: Ай Пи Эр Медиа. 2018. 207 c.
Декларация о конфликте интересов. Автор заявляет об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
Отзывы читателей
