Изучение Nanoindentation Влияния Добавок Nanodiamond На Никел-Бориде Химического Способа Получения Покрытия

С открытия синтеза детонации для ultradispersed диамантов в 1960s, остают, что исследована полная мощность nanodiamonds. Синтез Детонации производит nanosized частицы углерода при средние диаметры ~5 nm, отличая сердечником диаманта покрытым графитообразными слоями и аморфным углеродом. Поверхность частиц nanodiamond богата в различных функциональных группах и может более в дальнейшем быть functionalized. Главные свойства сердечника диаманта совмещенного с большой и химически настраиваемый поверхностью позволяют им быть использованным в большом разнообразии путей: начальное исследование выполненное главным образом в бывшем Советском Союзе предлагает обширный ряд промышленных применений. Такие пользы включают химическое и электрохимическое co-низложение с металлами, ultradispersed смесями диамант-полимера, полировать, смазкой, и биомедицинскими применениями.

Коммерчески, гальванизировать и добавки смазки в настоящее время показывают самый высокий потенциал. Все Еще никакое принятое мнение относительно механизма которым свойства покрытия улучшены на добавлении частиц nanodiamond к ванне низложения. 2 алтернативы в настоящее время под рассмотрением. Объяснять улучшение включением nanodiamond в структуру покрытий; другое предлагает что nanodiamond улучшает условия низложения приводящ к в уменьшенных шестоватых структуре и пористости покрытия.

Добавление nanodiamond к покрынным покрытиям специально важно для Ni-Основанных покрытий которые ожидано, что заменяют Cr-Содержа покрытия в настоящее время в пользе, которые требуют токсических химикатов для их продукции. Были показаны, что действуют покрытия ni-B в частности хорошими. Покрывано с Ni-B, остаточные поры в нержавеющей стали или другие металлы будут заполненными, которая приводит к в улучшенных механически свойствах интерфейса. Покрытия также уменьшают сопротивление износа корозии и увеличения сравненное к стальному субстрату. Однако, сравнивано к покрытиям Cr, покрытия Ni-B отличают более низкими механически свойствами и сопротивлением износа, оба должный к их шестоватой структуре. Предыдущие результаты показывали что добавки nanodiamond могут увеличить твердость Ni-Основанных покрытий фактором 2-3. Разметанные nanodiamonds добавленные в ванну низложения эпирически были показаны к дальнейшему увеличению tribological свойства покрытий Ni-B. Но все еще, роль nanodiamond в наблюдаемых явлениях остает мутноватой.

Цель этого изучения расследовать структуру и механически свойства покрытий Ni-B покрынных с и без добавок nanodiamond к ванне низложения для того чтобы получить более лучшую проницательность в роль nanodiamond в процессе низложения Ni-B.

Покрытия ni-B были депозированы на 4 стальных плитах через химический способ получения покрытия при ванна содержа nanoparticles диаманта поставленные NanoBlox Inc. (США) и без добавок диаманта (Таблицы 1). Структура nanoparticles диаманта которые формируют коллоидный раствор в ванне низложения, описана в другом месте. Для более дополнительных изучений крест-секционный образец был отрезан от плит, был установлен в пластмассе и земле термальн-установки используя бумагу карбида кремния и был отполирован используя порошок глинозема 0.05μm разметанный в полируя ткани.

Таблица 1. Описание образцов используемых в этом изучении и их механически свойств определенном nanoindentation.

* - Стандартное отступление
** - ND стоит для nanodiamond

Механически свойства были измерены через глубин-воспринимая вмятие используя Nano Индентер XP (MTS). Все indents были выполнены используя подсказку Berkovich к глубине μm 2. Твердость и модули высчитаны непрерывно в течении нагрузки путем использование непрерывного варианта измерения (CSM) жесткости для всех indents на всех 4 образцах Ni-B.

Были записаны, что определили спектры Raman присутсвие диаманта в образцах. Каждый образец был изучен на множественные этапы используя Спектрометр 1000 Renishaw Raman с лазером Ar+ с длиной волны возбуждения 514.5nm.

Электронная микроскопия Скеннирования используя излучение поля SEM FEI XL30 с энерги-дисперсивным спектрометром Рентгеновского Снимка (EDS) была выполнена для того чтобы рассмотреть словотолкование покрытий и осмотреть остаточные впечатления indent.

Дифрактометр GiegerFlex D/Max-B (Rigaku) с радиацией CuKα был использован для того чтобы выполнить изучения XRD для того чтобы определить состав участка образцов.

Спектры XRD (FIG. 1) подтвердило что как-покрынные образцы AP и AP-ND (ND стоит для nanodiamond) Рентгеновский Снимок аморфический. Одиночный обширный пик центризованный близко к положению главных дифракционных максимумов Ni2B и Ni3B, соответствует к аморфическому Ni-B (Смокве 1 a, b). XRD также показывает что жара - обработанные HT и HT-ND образцов кристаллически демонстрирующ узкие пики боридов никеля (Смоквы 1 c, d). Furthermore, картины XRD предлагают что хотя и HT и HT-ND образцов были выкристаллизовываны после обжигать, HT-ND все еще содержит значительное количество аморфического материала как показан венчиком и гораздо точнее зерна боридов никеля обозначенных более обширными пиками нашли в этом образце. Более высокая температура термической обработки или более длиннее время обработки могут быть необходимы полно выкристаллизовывать покрытия произведенные в присутствии к nanodiamond. Кратко описание состава и значения FWHM для большей частью пика Ni2B суммированы в Таблице 2. Пока XRD позволяет нам определить участки борида никеля, оно не обеспечивает информацию на присутсвии nanodiamond в образцах. Спектр XRD порошка nanodiamond показанного в FIG. 1 e не соответствует при любые пики найденные в других образцах. Это предлагает что nanodiamond должно быть под пределом обнаружения XRD если включено.

Диаграмма 1. спектры XRD для изученных образцов (см. Таблицу 1 для описания образцов).

Состав Таблицы 2. образцов как определено XRD. Для кристаллических образцов, высчитанное FWHM для (показан пик 2 1 1) Ni2B на 45.9˚ (d = 1,9757 Å). Для аморфических образцов, показано высчитанное FWHM для аморфического пика.

Словотолкование и структура покрытий были изучены SEM. Изображение SEM профиля образца AP-ND ясно показывает дентритам что показывает типичный шестоватый механизм роста покрытий Ni-B (Смоква 2 a). Поверены, что будут Эти колонки аморфически, как предложено XRD. Сравнивая размер колонки разниц в образца AP и образца AP-ND 2 наблюдайте (Смоква 2 b, c). Средняя ширина колонок более мала для образцов содержа nanodiamonds чем снаружи. Была найдены, что была средняя ширина дентритов 0,8 μm ± 0,1 и 0,6 μm ± 0,05 для образцов AP и AP-ND, соответственно. Furthermore, добавление nanodiamond водит к более прямым колонкам с men6we ветвями и рукояток.

Диаграмма 2. (a) Шестоватая микроструктура как-покрыно, AP-ND, образец депозированный от диамант-содержа ванны. Insets показывают микроструктуру для обоих образцов: (b) образец депозированный без добавки nanodiamond, AP, и (c) образца депозированного с nanodiamond, AP-ND.

Backscattered изображения SEM HT и HT-ND образцов показывают что хорошо отработанная шестоватая структура значительно уменьшает по мере того как аморфический материал преобразован в кристаллические зерна после термической обработки (FIG. 3). В случае HT образца, некоторые зоны остают шестоватыми или аморфическими пока другие области, в частности те близко поверхность преобразовывают в кристаллические equiaxial зерна. Это нет образца HT-ND аргументы за, предлагая что добавление nanodiamond заблокировало нуклеацию и рост зерна.

Диаграмма 3. Сравнение микроструктуры жары - обработанные образцы. (a) образец депозированный без добавки nanodiamond, HT, и (b) образца депозированного с nanodiamond, HT-ND.

Результаты Вмятия для изученных образцов показаны в Нагрузке Таблицы 1. против кривых смещения для всех образцов показаны в FIG. 4. Термической Обработке твердости повышений покрытий Ni-B. Это может быть объяснено преобразованием от аморфических как-депозированных покрытий к более трудным кристаллическим участкам Ni3B и Ni2B как подтвержено XRD (FIG. 1). Добавление nanodiamond также поднимает твердость фактором подобным к тому достиганную путем обжигать и причиняет малое увеличение в модуле. Термическая Обработка образцов депозированных с добавками nanodiamond к ванне делает не дальнейшее увеличение твердость но увеличивает модуль фактором 2. Эти измеренные свойства в соответствии с нагрузки против смещения изгибают (FIG. 4) которые показывают увеличение в необходимой нагрузке с термической обработкой или добавлением nanodiamond. Поэтому, такие покрытия соответствующи для поднимать модуль и твердость или поднимать твердость без требовать термической обработки. Термическая обработка Сочетание из и добавление nanodiamond не вели к дальнейшему увеличению в твердости по сравнению с HT образца или образцом AP-ND. Это может быть объяснено фактом что микроструктура образца HT-ND все еще содержала аморфический материал (FIG. 1 d). Если образец смог быть обработан таким образом для того чтобы сформировать малые кристаллические зерна в присутствии к nanodiamonds, то дополнительный твердеть может быть достижим.

Диаграмма 4. нагрузка Представителя против вмятия смещения изгибает для испытанных образцов.

Изображения Конца-вверх типичного indent для каждого образца показаны в FIG. 5. Отказы увиденные в HT образца были найдены на много indents в том образце и признаковы хрупкого излома. Потому Что нет шипучк-в случаях можно найти в нагрузке против смещения изгибает для этого образца, одно может предполагать что этот малый трескать не помешал с точностью измерений вмятия. Хотя nanoindentation не обеспечивает никакую количественную информацию о твёрдости материала, это изображение предлагает что образец правоподобные хрупкие, которые подразумевали бы что добавление nanodiamond может также увеличить твёрдость покрытия. Это согласилось бы с отношением Hall-Petch, принимая во внимание добавление nanodiamond было показаны, что уменьшило средний размер дентрита образца AP-ND. Форма indent в выставках образца AP-ND несколько больше упругой релаксации сравнила для того чтобы попробовать AP. Эта упругая релаксация обозначена более вогнутым остаточным впечатлением. Сравнено для того чтобы попробовать AP больше упругой релаксации также наблюдается в образце HT-ND. Этот образец показывает самое высокое количество дуктильной кучи-вверх предлагая улучшенную дуктильность покрытия с дополнением nanodiamond к ванне. Эти заключения в соответствии с данных показанных в выставках Образца HT-ND Таблицы 1. удивительно более высокий модуль сравненный к всем другим покрытиям и почти дважды значение HT образца. Модуль Сочетание из высокий с высокой дуктильностью довольно уникально и очень важен для потенциальных применений.

Диаграмма 5. изображения SEM indents от образцов. (a) как-покрынный образец AP, (b) обожженный HT образца, (c) как-покрынный образец AP-ND, и (d) обожженный образец HT-ND.

Отображение EDS было выполнено для того чтобы определить если и, то где диамант пребывает в покрытии. Сводка этих результатов показана в Диаграмме 6. Хотя некоторый углерод был обнаружен, никакая корреляция между положением углерода и микроструктурой не смогла быть увидена. Обычно, порошки nanodiamond с 5 частицами nm формируют агломераты от 10 к сотниам нанометров в размере в ванне низложения. Таким Образом, если диамант был включен в покрытие, то мы рассчитывали бы увидеть те агломераты. Углерод ни был найден в форме больших агломератов, ни он показалось, что собирал вдоль границ между зернами. Изучения Raman образцов депозированных от ванны содержа nanodiamond не показывают никакие характеристики nanodiamond, поэтому значительные изменения в механически свойствах не могут быть объяснены внесением nanodiamond в структуре покрытий. Мы оцениваем что с никакой спектроскопии Raman, XRD или EDS показывали присутсвие диаманта, даже если настоящий момент оно должен быть на концентрации чем 1 WT %. и значительно повлиять на механически свойства. Путем использование правила смесей, мы не смогли объяснить наблюдаемую разницу в модуле между образцами AP и AP-ND добавлением 1 WT %. или из диаманта. Необходимо, что объяснило Внесение в количестве хотя бы нескольких процентов наблюдаемую увеличенную твердость и модуль после низложения и этого количества диаманта смог легко быть обнаружен используемыми методами. Таким Образом, увеличение в механически свойствах нет результата составного образования покрытия диаманта/металла. Недавняя работа показывала что nanodiamond аккумулирует на поверхности покрытий Ni, влияющ на свои рост и структуру. Мы принимаем подобное поведение в нашей системе Ni-B. Это предположение соглашается с самым последним рапортом где добавки nanodiamond не включали в покрытие. Диамант также не прореагировал с матрицей металла даже когда использовано в карбиде формируя металлы. Факт который после добавлять nanodiamond ванна низложения смогла быть использована на месяцы без пополнять и без потери в свойствах покрытия поддерживает факт что диамант очень медленно уничтожен в процессе низложения.

Диаграмма 6. Карта Рентгеновского Снимка зоны как-покрынного образца, AP-ND, депозированного от диаманта содержа ванну. (a) показано первоначально изображение с адвокатским сословием маштаба для всех изображений, (b) карта кислорода, (c) карта никеля, и (d) карта углерода. Никакую сегрегацию кислорода или углерода вдоль границ между зернами можно увидеть.

•         Была показаны, что улучшает добавка Nanodiamond к ванне низложения твердость, модуль, и дуктильность electroless депозированных покрытий Ni-B. Добавка увеличивала твердость покрытий, но не как эффектно как отжиг.

•         Кажется, что отнесен твердея механизм к уточнению размера дентрита на добавлении nanodiamond в ванну.

•         Термическая Обработка образцов депозированных от диамант-содержа ванны низложения не вела к увеличенной твердости за той из жары - обработанный образец диаманта-менее потому что добавление nanodiamond к ванне вело к ингибитированию образования зерна, и поэтому вел к более аморфическому материалу и более малым зернам.

•         Термическая Обработка покрытий Ni-B депозированных от ванны с добавками nanodiamond улучшает модуль и дуктильность. Это может быть объяснено точной зернистой структурой покрытия произведенного в присутствии к nanodiamond.

Спасибо к Др. G. Yushin, Z.G. Cambaz, P. Rossi, D. Mattia, R. Черточке, S. Amini, и Др. D. Filimonov для экспириментально помощи и полезных обсуждений. Образцы были обеспечены Исследование NanoBlox, Inc. было conduced в Средстве Характеризации Материалов на Институте A.J. Drexel Нанотехнологии и Лаборатории для Исследования на Структуре Дела (LRSM) на Пенсильванском Университете. Эта работа была поддержана Nanoblox. A.J. Gurga было поддержано даром DGE-0221664 NSF IGERT.

1. Shenderova, O. & McGuire, G., Руководство Nanomaterials (ed. Gogotsi, Y.) (Давление CRC, Нью Йорк, 2006).

2. Yushin, N.G., Osswald, S., Padalko, V.I., Bogatyreva, G.P. & Gogotsi, Y., «Влияние спекать на структуре nanodiamond», Диамант и Родственные Материалы, (14), 1721-1729, 2005.

3. Dolmatov, V., «Диаманты Ultradispersed Синтеза Детонации: Свойства и Применения», Русское Химическое Просмотрение, (70), 607-626, 2001.

4. Wang, L., Gao, Y., Xue, Q., Liu, H., Xu, T., «Влияния Частиц Nano-Диаманта на Структуре и Tribological Свойстве Покрытий Ni-matix Nanocomposite», Наука Материалов и Инджиниринг, (309 313-318), 2004.

5. Engel, P., Schwarz, G. & Волк, K.G., «Характеризация фильмов нитрида хромия подготовленных ион-луч-помогать Технологией низложения», Поверхности и Покрытий, (112), 286-290, 1999.

6. Krishnaveni, K., Sankara Narayanan, N.T.S. & Seshadri, K.S., «покрытия Ni-B Electrodeposited: Образование и оценка сопротивления твердости и износа», Химии Материалов и Физики, (В Давлении, Исправленном Доказательстве).

7. Ozkan Gulsoy, H., «Влияние добавлений борида никеля на поведениях спекать впрыски отлило порошок в форму нержавеющей стали ПЭ-АШ 17-4», Scripta Materialia, (52), 187-192, 2005.

8. Hou, F., Wang, W. & Guo, H., «Влияние распыляемости nanoparticles ZrO2 в Ni-ZrO₂ гальванизировали покрытия nanocomposite на механически свойствах покрытий nanocomposite», Прикладная Поверхностная Наука, (252), 3812-3817, 2006.

9. Burkat, K.G., Fujimura, T., Dolmatov, V.Y., Orlova, A.E. & Veretennikova, M.V., «Подготовка составных электрохимических никел-диаманта и покрытий утюг-диаманта в присутствии к nanodiamonds синтеза детонации», Диамант и Родственные Материалы, (14), 1761-1764, 2005.

10. Dolmatov, V., Диаманты Ultradisperse Синтеза Детонации: Продукция, Свойства и Применения (Санкт-Петербург, Заявляет Polytechnical Университет (в Русском), 2003).

11. Osswald, S., Yushin, N.G., Mochalin, V., Kucheyev, S. & Gogotsi, Y., «Управление коэффициента углерода sp2/sp3 и химия поверхности порошков nanodiamond селективной оксидацией в воздухе», Журнал Общества Американского Химиката, (В Давлении, Исправленном Доказательстве).

12.   Свойства Ibanez, A. & Fatas, E., «Механически и структурных electrodeposited меди и их отношения с Технологией параметров», Поверхности и Покрытий электросаждения, (191), 7-16, 2005.

13.   Petrov, I. et al., «Nickel Гальванические Покрытия Codeposited с Частями Детонации Nanodiamond», Диаманта и Родственных Материалов, (В Давлении, Исправленном Доказательстве).

14.   Aleksensky, A.E. et al., «Nanodiamonds вставили с металлами: переходы участка структуры и диамант-графита», Диамант и Родственные Материалы, (13), 2076-2080, 2004.

15.   Andreyev, покрытия M., Anishchik, V., Markova, L. & Kuznetsova, T., «Ионного Луча основанные на Ni и Cr с ultradispersed диамантами--структура и свойства», Вакуум, (78), 451-454, 2005.