EN Investigations of mechanical and tribological properties of nanocomposite Ni-P/Si3N4 coating deposited by chemical reduction method on aluminum alloy AW-7075 used on machine parts

polski

PL W niniejszej pracy doktorskiej przedstawiono rezultaty badań właściwości mechanicznych i tribologicznych, a także mikroskopowych i profilometrycznych warstw nanokompozytowych Ni-P/Si3N4 osadzonych na stopie aluminium AW-7075. Zagadnienie wypłynęło, m.in. z przemysłu kolejowego, w którym jeszcze rzadko stosuje się stopy aluminium na części maszyn, pomimo wyraźnie mniejszej masy właściwej w porównaniu do stali. Wynika to głównie z powodu małej odporności stopów aluminiowych na zużywanie ścierne warstwy wierzchniej. W ramach dysertacji wykonano badania możliwości zwiększenia twardości powierzchni i odporności na zużywanie ścierne części ze stopu aluminium przez zastosowanie warstwy nanokompozytowej o odpowiednim składzie chemicznym. Uzyskane wyniki stanowią podstawę do modyfikowania właściwości części wykonanych ze stopów aluminium przez nanoszenie na ich powierzchniach nanokompozytowych warstw Ni-P/Si3N4 metodą redukcji chemicznej. Pozwoli to na zwiększenie ich trwałości, niezawodności, a także rozszerzy zakres ich stosowania. Powierzchniowe warstwy nanokompozytowe Ni-P/Si3N4 zostały osadzone na powierzchni stopu aluminium metodą redukcji chemicznej w kąpieli galwanicznej zawierającej siarczan niklu NiSO4, fosforan(I) monosodu NaH2PO2 oraz fazę dyspersyjną Si3N4 w obecności kwasu hydroksypropionowego HO(CH2)2COOH. Do wytwarzania warstw kompozytowych stosowano materiał ceramiczny Si3N4 w postaci polidyspersyjnego proszku o wielkości cząstek rzędu 20 ÷ 25 nm. Fazę dyspersyjną Si3N4 scharakteryzowano za pomocą transmisyjnej mikroskopii elektronowej. Morfologię wytworzonych warstw badano przy użyciu mikroskopu świetlnego. Natomiast metodą stykową za pomocą profilometru scharakteryzowano topografię badanych powierzchni. Badano wpływ zawartości fazy dyspersyjnej Si3N4 na właściwości mechaniczne i tribologiczne warstw. Wyznaczono mikrotwardość Vickersa, moduł Younga i twardość Martensa badanych warstw metodą DSI (Depht Sensing Indentation) oraz ich adhezję do podłoża metodą zarysowania. W celach porównawczych badano również warstwy Ni-P bez wbudowanej fazy dyspersyjnej oraz stop AW-7075 stanowiący podłoże wytwarzanych warstw. Wbudowanie cząstek Si3N4 w materiał warstwy Ni-P miało na celu zwiększenie twardości materiału powłokowego, zwiększenie odporności na zużywanie ścierne oraz określenie możliwości zastosowania tego rodzaju warstw kompozytowych do pokrywania wyrobów ze stopu aluminium AW-7075. Wyniki badań pozwoliły stwierdzić, że warstwy nanokompozytowe Ni-P/Si3N4 odznaczają się większymi wartościami twardości i modułu Younga, a także lepszą odpornością na zużywanie ścierne w różnych warunkach oraz adhezją do stopu AW-7075, niż warstwy Ni-P.

EN The doctoral dissertation presents the results of examination of mechanical and tribological properties as well as microscopic and profilometric tests of the nanocomposite layers, Ni-P/Si3N4, deposited on AW-7075 aluminum alloy. The issue emerged among others from the railway industry, where aluminum alloys are still rarely used for machine parts, despite the significantly lower weight compared to steel. This is mainly due to the low wear resistance of the surface layer. In the dissertation the research has been carried out to define the possibility of increasing: the surface hardness and wear resistance of aluminum alloy parts by using the nanocomposite layer with an appropriate chemical composition. The obtained results from the conducted tests form the basis for modifying the properties of parts made of aluminum alloys by applying the nanocomposite Ni-P/Si3N4 layers on their surfaces by chemical reduction. This will increase their durability, reliability, but also will enlarge the scope of their application. The nanocomposite Ni-P/Si3N4 surface layers were produced by chemical reduction on aluminum alloy surfaces in a galvanic bath containing: NiSO4, NaH2PO2 and ceramic disperse phase Si3N4 in presence of HO(CH2)2COOH. The nanocomposite layers have been made with the use of the ceramic material, Si3N4, in the form of a polydisperse powder with the particles size of 20 ÷ 25 nm. The characteristics of the Si3N4 phase has been shown by means of transmission electron microscopy. The morphology of the manufactured layers has been examined by means of an optical microscope. The topography of the examined surfaces has been characterised by the contact method with the use of a profile measurement gauge. The influence of the content of the dispersion phase, Si3N4, on the mechanical and tribological properties of the layers has been examined. The DSI method (Depth Sensing Indentation) has been applied to determine Vickers micro hardness, Young’s modulus and Martens hardness of the layers under examination and their adhesion to the substrate by scratch test. For comparison reasons, Ni-P layers without the built-in dispersion phase have also been examined, as well as the AW-7075 alloy, the substrate of the manufactured layers. The Si3N4 particles have been built in the Ni-P layer material in order to increase the hardness, increase in wear resistance of the coating material and to determine the possibility of applying this kind of composite layers for coating products made of the AW-7075 aluminum alloy. The results have shown that the Ni-P/Si3N4 layers have higher values of hardness, and Young’s modulus, and also better wear resistance in various test conditions, than the Ni-P layers and show good adhesion to the AW-7075 alloy.

134

inżynieria mechaniczna

budowa i eksploatacja maszyn

DrOIN 2038

to2020500397

Pobierz plik

publiczny

Norbert Radek

Kielce, Polska

05.03.2019

polski

Pobierz plik

publiczny

Maria Trzaska

Warszawa, Polska

13.03.2019

polski

Pobierz plik

publiczny

rozprawa doktorska

Poznań, Polska

22.05.2019

Rada Wydziału Budowy Maszyn i Zarządzania Politechniki Poznańskiej

doktor nauk-inżynieryjno-technicznych w dyscyplinie: inżynieria mechaniczna