Kompozitní galvanické povlaky

S vývojem těchto povlaků se začalo po druhé světové válce v USA i dalších zemích, zejména pro vojenské účely, s cílem zlepšit především korozní odolnost. Později byly objeveny i pozitivní vlivy na odolnost proti otěru a na zlepšení životnosti povrchů strojních součástí či nástrojů.

Kompozity jsou složené heterogenní materiály, tvořené minimálně dvěma fázemi, které jsou od sebe rozděleny rozhraním. Fáze mají obvykle rozdílné chemické složení a liší se svými fyzikálními a mechanickými vlastnostmi. Kompozitní materiály se skládají ze základní a disperzní fáze. Základní fáze (označovaná též jako matrice, vazba, pojivo) může být kov, polymer nebo keramika. Disperzní fáze (označovaná též jako plnivo) je volně rozptýlena v matrici. Disperzní fáze se většinou vyskytuje ve formě prášků nebo vláken. Matrice může obsahovat jeden nebo více druhů disperzních látek. Cílem je získat materiál, který má lepší fyzikální a mechanické parametry, než jsou vlastnosti výchozích materiálů, případně zcela nové vlastnosti.

Kompozitní galvanické povlaky jsou zvláštním typem kompozitního materiálu. V literatuře lze nalézt tyto povlaky pod názvem, respektive zkratkou ECC (Electrodeposited Composite Coating). Tyto povlaky mají kovovou, galvanicky vyloučenou matrici, ve které je rozptýleno určité množství disperzních částic. Využitím vlastností slitinových a kompozitních povlaků, jejich vhodnou kombinací i možností tepelného zpracování vznikají široké možnosti jejich uplatnění. Lze tak vylučovat povlaky tvrdé, otěruvzdorné, samomazné, kluzné, antiadhezivní, tepelně odolné, případně s kombinací těchto nebo i dalších vlastností. Rychlé zavedení a využití takovýchto povlaků je podmíněno ověřením jejich vlastností a vyhledáním vhodných technologií, resp. elektrolytů pro jejich vylučování.

Možnost vytvořit kompozitní povlaky s matricí z velké škály kovů nebo slitin a s různými částicemi galvanicky, resp. chemicky přináší výhody (i nevýhody) těchto technologií. Kombinací vhodných matric, částic a technologií se mohou získat povlaky s požadovanými vlastnostmi.
• Lze velmi přesně regulovat tloušťku povlaku.
• Povlak je možné u vhodných matric tepelně zpracovat a tím zlepšit jeho vlastnosti.
• Je ovšem obtížné vyloučit povlaky na součásti složitého tvaru.

Diamant je jednou z nejtvrdších látek. Má vysokou tepelnou vodivost a velmi vysoké hodnoty některých fyzikálních a mechanických parametrů, zejména pevnosti v tahu, tlaku a ve smyku. Naproti tomu má velice nízký koeficient tření a koeficient stlačitelnosti, je vynikajícím elektrickým izolantem a ve většině prostředí nekoroduje.

Povlak Ni-diamant nachází v praxi uplatnění především jako funkční povlak pro nástroje, ale i jako otěruvzdorný povlak. Tento povlak se může získat elektrolytickým nebo chemickým vylučováním z niklových roztoků. Jeho vlastnosti zásadně ovlivňuje velikost částic a technologie použitá k jeho vyloučení.

Otěruvzdorný Ni-diamant je získáván chemickým nebo galvanickým vylučováním niklu za přítomnosti diamantových zrn v elektrolytu. Matricí je zde s výhodou nejčastěji povlak Ni-fosfor (Ni-P). Povlak Ni-P obsahuje obvykle 6 až 10 % fosforu. Technologie bezproudového vylučování povlaku se dosahuje vyloučení po celé ploše dílce bez ohledu na jeho tvar. Podle charakteru povlaku lze použít různé velikosti diamantu. Ten je zakotven v matrici v celém svém objemu. Povlak se může v závěrečné fázi tepelně zpracovat, čímž se zvýší jeho tvrdost a otěruvzdornost.

Takto získaný kompozitní povlak vykazuje vynikající otěruvzdorné vlastnosti. Odolnost proti opotřebení je vzhledem k vysoké tvrdosti povlaku a přítomnosti diamantových částic poměrně značná. V praktických případech je v některých situacích bezproudově vyloučený NiP-diamant) jediným povlakem, který vyhovuje požadavkům na otěruvzdornost, a to i tam, kde nevyhoví nebo nelze použít jiný povlak (např. chrom). Tyto povlaky je možné aplikovat i na materiály z hliníkových slitin a též vytvářet speciální funkční dvojice pro náročné podmínky nebo se speciálními vlastnostmi (textilní stroje).

Řezný povlak Ni-diamant je zhotovován především elektrolyticky. Základním kovem matrice je nikl a disperzní částí je diamant o určitém tvaru a velikostech. Diamant je pevně zakotven v matrici. Tento povlak je aplikován na nástroje jako jeho aktivní část. Povlaky na nástrojích jsou ve většině případů jednovrstvé a základním materiálem nástroje je ocel. Technologie výroby povlaku Ni-diamant umožňuje tento povlak nanášet na různé geometrické tvary nástroje. Nástroje s tímto povlakem jsou vhodné tam, kde obráběný materiál má abrazivní účinky a kde nevadí vyšší koncentrace diamantu (uhlíku). Nástroje s povlakem Ni-diamant mají velmi dobré brousicí i řezné vlastnosti a vysoký řezný výkon.

Pro dosažení optimálních výkonů nástrojů s povlakem Ni-diamant pro obrábění různých materiálů není možné na nástroje aplikovat pouze jeden typ povlaku. Nikl-diamant lze vyrábět v různých modifikacích, jichž je dosaženo, jak změnou složení lázně, tak úpravou výrobního procesu. Zajištění požadovaných vlastností povlaku spočívá v dostatečné kontrole chemického složení lázně před jejím použitím ve výrobě a především v kontinuálním sledování procesu výroby. Proces výroby je proto potřebné nepřetržitě monitorovat a jednotlivé parametry (např. proudovou hustotu) sledovat.

V prováděných experimentech se podařilo prokázat, že kompozitní povlaky na bázi niklu s částicemi diamantu má velmi vhodné aplikační účinky, hlavně co se týče zvětšení mikrotvrdosti povlaku a zvýšení odolnosti proti opotřebení. Velikost zrna, které je schopno zakotvit v niklové matrici, však postupně klesá, a to s rostoucí koncentrací částic diamantu (nanodiamantu). Překvapivým výsledkem je i pokles součinitele tření takovýchto povlaků. Lze to přičíst přítomnosti vhodných diamantových částic ve vyloučeném povlaku. Ukázalo se, že niklové povlaky s částicemi diamantu mají nižší odolnost proti erozi ve srovnání s čistými povlaky Ni.

Nově objevenou amorfní modifikací uhlíku jsou tzv. uspořádané amorfní uhlíkové klastry (OACC - z anglického ordered amorphous carbon clusters). Vytváří se z fullerenů (propojených xylenovými molekulami), jejichž struktura je působením vysokého tlaku desítek GPa zborcena do kompaktní a velmi tvrdé amorfní látky, schopné rýt i diamant. Protože se vytváří při pokojové teplotě, mohla by v průmyslovém využití konkurovat syntetickým diamantům, pro jejichž výrobu jsou nutné teploty kolem 1 500 °C. OACC je pozoruhodný svou strukturou: dosud se uhlíkaté sloučeniny dělily na krystalické (jako diamant) a amorfní. OACC je obojím: amorfní shluky uhlíkových atomů jsou uspořádány do krystalické mřížky (wikipedia.org).

FS ČVUT v Praze, Ústav strojírenské technologie

Dana.Benesova@fs.cvut.cz

Použitá literatura:
[1] BERCOT, P.; PENA-MUNOZ, E.; PAGETTI, J. Electrolytic composite Ni–PTFE coatings: an adaptation of Guglielmi’s model for the phenomena of incorporation. Received 20 February 2002; accepted in revised form 18 April 2002.
[2] BAPU RAMESH, G. N. K.; MOHAN, S. Electrodeposition of Nickel – Polytetrafluorethylene (PTFE) Polymer Composites. In: Plating & Surface Finishing, 1995.
[3] BENEŠOVÁ, D.; KUDLÁČEK, J.; TATÍČEK, F. Analýza galvanických kompozitních povlaků. In: Sborník příspěvků konference Technologické fórum 2010 [CD-ROM]. Praha : České vysoké učení technické v Praze, 2010. ISBN 978-80-01-04586-2.
[4] KREIBICH, V. Vlastnosti a využití kompozitních povlaků. In: Funkčné povrchy 2003. Trenčín : GC – Tech, 2003, s. 98–103. ISBN 80-88914-89-2
[5] LOW, C. T. J.; WILLS, R.G.A.; WALSH F. C.,Electrodeposition of composite coatings containing nanoparticles in a metal deposit. In: Surface & Coatings Technology. Vol. 201, 2006. ISSN 0257-8972.
[6] REDDY, V. V. N.; RAMAMOORTHY, B.; KESAVAN NAIR, P. A study on the wear resistance of electroless Ni–PrDiamond composite coatings. Received 13 May 1999; accepted 1 January 2000.
[7] ALIREZAEI, S.; MONIRVAGHEfi, S. M.; SALEHI, M.; SAATCHI, A. Wear behavior of Ni-P and Ni-P-Al2O3 electroless coatings. Received 9 November 2005; received in revised form 8 October 2006; accepted 17 October 2006.