2006年1O月 润滑与密封 Oct.2006 第1O期(总第182期) LUBRICA13ON ENGINEERING No.10(serial No.182) 喷射纳米A12 O 增强镍基复合镀层的摩擦行为研究 梁志杰 曹 勇 乔玉林 原津萍 (1.全军装备表面工程重点实验室北京100072;2.装甲兵工程学院装备再制造工程系 北京100072; 3.66345理论教研室山西长治046000) 摘要:采用摩擦喷射电沉积工艺制备了纳米A1 0,镍基复合镀层,观察了镀层的表面形貌,测试了镀层的显微硬 度,并考察了镀层在不同载荷下的摩擦行为,并初步探讨了其磨损机制。结果表明:当纳米A1 0,质量浓度为5O L 时,获得的复合镀层表面平整、晶粒细小、组织致密;显微硬度达到最高,较纯镍镀层提高了39%;在500 N、油润滑 条件下复合镀层耐磨性提高了30.4%。复合镀层的磨损机制主要是磨粒磨损,而纯镍镀层主要是粘着磨损和磨粒磨损。 关键词:摩擦喷射电沉积;复合镀层;纳米颗粒;耐磨性 中图分类号:TQ153文献标识码:A文章编号:0254—0150(2oo6)10—068—4 Wear Behavior of Ni一(nano-Al2 03)Composite Coatings Prepared by Friction&Spay Plating Liang Zhijie ’ Cao Yong ’ Qiao Yulin Yuan Jinping (1.Key Laboratory for Equipment’S Surface Engineering of PLA,Beijing 100072,China; 2.Faculty of Remanufacture Engineering,Academy of Armored Force Engineering,Beijing 100072,China; 3.Section of Teaching&Learning on Theory,Unit 66345 of PLA,Changzhi Shanxi 046000,China) Abstract:Ni一(nano—A1203)composite coatings were prepared by Friction&Spay plating.Surface morphologies were observed,micro hardness was tested,wear behavior Was investigated,and worn mechanism Was discussed.The results show that when nano—A12 O3 particles concentration is 50 g/L,Ni一(nano—A12 03)composite coatings have more glabrous surface, ifner crystal grind,and more compact mierostructure than those of Ni coatings;composite coatings’mierohardness attains HV650,is 39%higher than that of pure Ni coating;wear resistance of composite coatings is 30.4%higher than that of pure Ni coating under the load of 500 N and oil lubricating.The worn mechanism of composite coatings is dominating grain worn,while the WOrn mechanism of pure Ni coating is adhesive worn and grain WOrn. Keywords:Friction&Spray plating;composite coating;nanoparticles:wear resistance 采用电沉积方法制备的纳米颗粒增强金属基复合 液喷射供送”、“摩擦块对镀层表面的有益摩擦”和 镀层在工作温度、耐磨性、耐蚀性以及杀菌性等性能 “脉冲电源的断续供电”使得镀层沉积速率大幅度提 都有大幅度提高。文献[1—5]研究表明,Ni—w纳 高,镀层性能显著改善。研究表明 ,摩擦喷射金 米结构梯度镀层经热处理后硬度高达HV 1 300,优 属镀层表面平整,粗糙度较小,孔隙率较低,耐磨性 于硬cr镀层,并具有优良的抗高温氧化性;Ni— 较好,镀厚能力大幅度提高。但目前研究较多的都是 O 纳米复合镀层在 O,质量分数为3.1%时, 单金属镀层,采用该工艺将纳米颗粒加入到镀层中提 其耐磨性能最佳;碳纳米管镍基复合镀层的耐腐蚀性 高镀层性能的研究尚不多见,本文作者利用纳米 明显优于同条件下的镍镀层;纳米Ni.P抗菌复合镀 A1 0,颗粒作为增强相,采用摩擦喷射电沉积工艺制 层对绿脓杆菌的杀菌性能达到100%,对大肠杆菌的 备出了镍基复合镀层,研究了镀层的表面形貌,镀层 杀菌率达到90%。因此,近年来对各种纳米功能复 硬度随纳米A1 0,颗粒浓度的变化及其摩擦行为,并 合镀层的研究进入了一个新阶段。 初步探讨了其磨损机制。 摩擦喷射电沉积技术是一种金属原子电沉积和机 1 实验材料及方法 械摩擦同时进行的表面技术 。由于其特殊的“镀 1.1 试样制备 镀液组成:硫酸镍265 g/L、柠檬酸铵50 g/L、 收稿日期:2005—12—26 硫酸钠20 g/L、冰乙酸30 g/L、十二烷基硫酸钠 作者简介:梁志杰(1952一),男,副教授,目前主要从事纳米 0.O1 g/L、氨水适量。 表面工程和发动机再制造工程研究.E—mail:cr0001@126.con1. 纳米A1 O,镍基复合镀液的制备:量取纳米A1 O, 维普资讯 http://www.cqvip.com
2006年第10期 梁志杰等:喷射纳米A1:0,增强镍基复合镀层的摩擦行为研究 69 颗粒并加入到镍基镀液中,加入表面活性剂,搅拌均 匀,超声波分散15 min,然后放人球磨机中球磨24 h,磨球为玛瑙球,制成均匀悬浮的高浓度镍基复合 镀液。制备复合镀层时,根据所需纳米A1:0,颗粒的 浓度按比例配制。 试样基材:45 钢,尺寸为,/40 mln x 10 mm。 工艺流程:工件预处理一电净一去离子水冲洗一 2 活化液活化一去离子水冲洗一3 活化液活化一去离 子水冲洗一无电擦拭一特殊镍镀液施镀打底层一无电 擦拭一纳米A1:0 镍基复合镀液施镀试验镀层一镀后 处理。 1.2性能试验方法 1.2.1硬度测试方法 选取试验试样的纵截面作为测试面,对其镶样、 打磨、抛光。硬度测试在YIMT.3显微硬度计上进行, 测试载荷0.50 N,加载时间15 s,缓慢加载和卸载。 每个试样取5个点进行测试,取其平均值作为该试样 的硬度值。 1.2.2摩擦磨损性能试验 摩擦磨损特性在MM-200环块式摩擦磨损试验机 上进行。摩擦副材料为淬火态45 钢,块试样尺寸为 20 mm X20 mm X 10 mm,硬度为HRC 54,摩擦副上 试样静止,下试样(有镀层)滚动。 试验条件:室温,30 机油连续润滑,法向载荷 为500 N,滑动线速度为0.42 m/s,滑动总行程为 1 000 nl。 采用称重法评价镀层的耐磨性,称量精度为0.1 n1g,摩擦因数根据摩擦力矩计算得到。试验前后将 试样放入丙酮中并采用超声波清洗5 min。 1.3表面形貌观察 从试样上切割试验试样,镀层的表面形貌以及磨 痕形貌的观察分析在配置EDS的Quant 200扫描电镜 上进行。 2实验结果及讨论 2.1镀层形貌分析 {a)纯镍镀层 (b)n—AI2O3/Ni镀层(50 g/L) 图1镀层的表面形貌 图1给出了纯镍和纳米Al:0,镍基复合镀层的表 面形貌。由图1(a)可见,纯镍镀层表面晶簇的边 界半径较大,呈现类似于电刷镀纯镍镀层“菜花头” 形状胞体,但较电刷镀纯镍层平整,结晶生长方式为 柱状晶。加入纳米A1:0 颗粒后,镀层表面胞体变得 细小、平整、均匀、致密,晶族边界半径较小,表面 粗糙度、孑L隙率小,镀层由较多半径较小的柱状晶紧 密排列(图1(b))。 纯镍镀层的类似“菜花头”形貌是由于在电沉 积过程中,优先沉积的镍多晶单元在微观上造成了突 起,容易产生“尖端效应”,使该处电流密度增大, 从而该处沉积速度加快,并产生正反馈循环作用,最 终使镀层表面形成“菜花头”形状的胞状组织 。 当在镀液中加入纳米A1:0,颗粒后,纳米A1 0 颗粒 在“喷射”作用下被直接输送到阴极表面,呈均匀 弥散分布,高活性的纳米A1:0 颗粒能够降低金属成 核反应的过电位,有利于提高形核率,并使镍晶粒原 有的生长方式发生改变,并随着纳米颗粒浓度的增 加,改变其生长方式的作用也增强,同时电极表面纳 米A1 0 颗粒的杂质效应也会阻碍尖端效应的发生, 在上述两方面相互作用下使得金属晶核容易形成且不 易长大 ,导致镍晶粒细化,并使得复合镀层表面 更平整,孑L隙率更小,组织更致密。 2.2 纳米A1,0 对镀层硬度的影响 图2为复合镀层硬度 00 与镀液中纳米M:0,颗粒> 浓度的关系曲线。可以看三s50 出,当质量浓度小于50 500 L时,随着镀液中纳米 50 M 0,颗粒浓度的增加, … 0 20 4O 60 80 100 120 镀层硬度呈增大趋势;当 nano-Al203质量浓度/(普L。) 纳米A1:0,颗粒质量浓度 图2镀层显微硬度与镀液中 为50 L时,镀层的显 纳米A1:0 浓度的关系 微硬度达到最大,为HV 650,比纯镍镀层(HV 468)提高了39%;随后随镀液中纳米A1 0 颗粒浓 度的增加呈下降趋势。分析认为,弥散分布于镀层中 的纳米A1 0,颗粒会阻碍金属基体的位错运动并 了晶界滑移,使镀层获得有效的强化,即产生了弥散 强化效应。此外.电沉积进入镀层中的纳米A1,0 颗 粒也会提高形核率,使晶粒细小,即产生了细晶强化 效应。在弥散强化和细晶强化作用下,复合镀层硬度 得到了提高。在质量浓度小于50 L时,随镀液中 纳米A1:0 颗粒浓度的增加,进入复合镀层中的纳米 M:0,颗粒浓度也增加,弥散强化、细晶强化作用增 强,使得复合镀层硬度提高。但是,当纳米A1,0 颗 粒浓度大于50 L以后,由于镀液中A1 0 颗粒浓度 维普资讯 http://www.cqvip.com
70 润滑与密封 总第182期 的增加会增加其在镀液中的团聚性,减弱了其在镀层 表面的均匀弥散分布效应,团聚体在“摩擦块的有 益摩擦”和“镀液的喷射供送”粒径选择作用下, 重新回到镀液中,导致镀层中复合浓度降低,从而使 得镀层硬度降低。 2.3镀层摩擦性能及磨损机制 图3所示为不同载荷下,镀层磨损失重随镀液中 纳米A1,O 颗粒浓度变化的关系曲线。可以看出:在 载荷为100 N、500 N下,复合镀层的磨损质量失重 均低于纯镍镀层。随着纳米A1 0,颗粒浓度的增加, 磨损质量失重呈下降趋势,达到最小值之后,随着纳 米A1,0 颗粒浓度的增加,磨损质量失重呈增加趋 势。当纳米A1 0 颗粒浓度达到50 g/L时,磨损质量 失重达到最小,载荷为100 N时,磨损质量失重降幅 达27.6%;载荷为500 N时,磨损质量失重降幅达 30.4%,由此可见,复合镀层具有优良的耐磨性能且 在高载荷下的耐磨性能更 20 叫 三16 12 蛰8 0 20 40 6O 80 100 120 llano—AI203质量浓度/(g.L ) 图3磨损失重随镀液 图4摩擦因数随镀液 中纳米颗粒浓度 中纳米颗粒浓度 变化的关系曲线 变化的关系曲线 图4所示为不同载荷下,镀层的摩擦因数随镀液 中纳米A1 0 颗粒浓度变化的关系曲线。可以看出, 纳米A1,0 颗粒的加入可以明显改善复合镀层的减摩 性能。当纳米A1:0 颗粒质量浓度为50 L时,100 N条件下复合镀层的摩擦因数为0.15,较纯镍镀层 降低了14.8%。500 N时,复合镀层的摩擦因数较纯 镍镀层降低了12.5%。 图5示出了纯镍镀层及复合镀层在500 N载荷下 的表面磨损SEM形貌图片,由图5(a)可以看出, 纯镍镀层磨损表面较为粗糙,分布着与滑动方向相 同、深而宽、连续分布的犁沟,晶簇为穿晶粉碎性破 碎,见图5(b),并伴有一定程度的粘着,见图5 (C),磨损较为严重。根据纯镍镀层的组织形貌和显 微硬度可以推断:纯镍镀层表面粗糙度较大.“菜花 头”表面突出部分在滑动磨损过程中受到的切向力 较大,且受力不均匀;同时镀层孔隙率较大,相同载 荷下,单位面积上需要承载的载荷较大,而镀层的硬 度较低,镀层承载能力较弱,在高载荷作用下极易出 现变形和脱落。因此,纯镍镀层的耐磨性较差。由于 镀层表面的粗糙度较大,也导致了镀层的摩擦因数较 大。 (a)纯镍镀层 Ni复 ̄/(s0g・L- ) (e)Nano-AI203/Ni复合镀层,(s0g・L ) 图5镀层表面磨损形貌SEM照片 由图5(d)可以看出,与纯镍镀层相比,复合 镀层表面较为光洁,分布着浅而窄的磨痕,有少量细 小的磨屑脱落,见图5(e)。这主要是复合镀层的细 晶强化、弥散强化、高密度位错强化以及纳米A1 0 颗粒的“微轴承”和“自修复”综合作用的结果。 复合镀层表面平整、致密、粗糙度较小,使得镀层表 面在滑动磨损过程中实际接触面积较大,单位面积上 受到的切向力较小,且受力均匀,同时镀层硬度较 高,使得复合镀层均匀承载能力提高;镀层中弥散分 布的纳米Al 0 颗粒作为硬质点起到了支撑作用,有 效减少了摩擦副之间的粘着和转移 。 ;电沉积过 程中,摩擦块对镀层表面的“有益摩擦”使得金属 晶格发生严重畸变,缺陷增多,位错密度增加,提高 了镀层的抗变形能力;复合镀层脱落的纳米A1,0 球 状颗粒分散在镀层表面,起到了“微轴承”作用; 少量细小的磨屑也可填补在镀层的空隙中,起到 “自修复”的作用 ,同时增加了实际接触面积,减 小了单位面积上的载荷,因此在以上各因素共同作用 下,复合镀层的耐磨性能得以提高。平整的复合镀层 表面以及纳米A1 0 颗粒的“微轴承”作用使得镀层 维普资讯 http://www.cqvip.com
2006年第1O期 梁志杰等:喷射纳米A1:O,增强镍基复合镀层的摩擦行为研究 71 的摩擦因数也低于纯镍镀层。 3结论 (1)纳米A1,O 颗粒的加入可以显著改善摩擦喷 射电沉积镍基复合镀层的表面形貌。当纳米A1:O,颗 粒质量浓度达到50 g/L时,获得的复合镀层表面致 密、平整、粗糙度较小。 (2)当质量浓度小于50 g/L时,随着镀液中纳 米A1 O,颗粒浓度的增加,镀层硬度呈增大趋势;当 纳米A1 O,颗粒质量浓度为50 g/L时,镀层的显微硬 度达到最高,达到HV 650,较纯镍镀层(HV468) 提高了39%;随后随镀液中纳米A1 0,颗粒浓度的增 加呈下降趋势。 (3)不同载荷下,复合镀层的耐磨性均优于纯 镍镀层。随纳米A1 0,颗粒浓度的增加,磨损质量失 重呈下降趋势,当纳米A1 0,颗粒质量浓度为50 g/L 时,镀层耐磨性最好,之后,随纳米A1 0 颗粒浓度 的增加磨损质量失重呈上升趋势。 (4)复合镀层的磨损机制主要是磨粒磨损,而 纯镍镀层主要是粘着磨损和磨粒磨损。 参考文献 【1】王宏智,姚素薇,张卫国. .w纳米结构梯度镀层耐热及 高温氧化性能[J].化工学报,2003,54(2):237— 240. Wang Hongzhi,Yao Suwei,Zhang Weiguo.Heat Resistance and High Temperature Oxidation Resistance of Ni—W Gradient Deposit with Nanostructure[J].Journal of Chemical Industry and Engineering(China),2003,54(2):237—240. 【2】黄新民,谢跃勤,吴玉程,等.(Ni.P).纳米TiO,颗粒化 学复合镀层的摩擦特性[J].电镀与精饰,2001.23 (5):1—4. Huang Xinmin,Xie Yueqin,Wu Yucheng,et a1.Friction Behavior of Nano-TiO2/(Ni・P)Eleetroless Composite Coat. ings[J].Plating&Finishing,2001,23(5):1—4. 【3】王健雄,陈小华,彭景翠,等.碳纳米管镍基复合镀层材 料耐腐蚀性的初步研究[J].腐蚀与防护,2002,23 (1):6—10. Wang Jianxiong,Chen Xiaohua,Peng Jingcui,et a1.A Pre. 1iminary Investigation of the Corrosion Resistance of Ni.Carbon Nanotubes Composite Coating[J].Corrosion&Protection. 2002,23(1):6—10. 【4】桑付明,成旦红.Ni・纳米SiO 复合镀层耐蚀性的初探 [J].电镀与环保,2003,23(6):16—20. Sang Fuming,Cheng Danhong.A Preliminary Discussion of hte Corrosion Resistance of Nano SiO2-Ni Composite Coating [J].Electroplating Pollution Control,2003,23(6):16— 2O. 【5】姚素薇,迟广俊,张卫国,等.Ni.P基纳米抗菌复合镀层 [J].化工学报,2002,53(9):9O4—9O6. Yao Suwei,Chi Guangjun,Zhang Weiguo,et a1.Nano- composite Ni-P Based Deposit with Antibacterial Activity[J]. Journal of Chemical Industry and Engineering(China), 2002,53(9):9O4—9O6. 【6】梁志杰.现代表面镀覆技术[M].北京:国防工业出版 社.2005:133. 【7】李尚周,余红雅,董重里,等.镍钨.D/SHS TiB 复合摩 擦电喷镀的研究[J].表面技术,2003(6):25—27. Li Shangzhou,Yu Hongya,Dong Zhongli,et a1.Study on Nj—W-D/SHS TiB2 Composing Coating Prepared by Rubbing Plating[J].Surface Technology,2003(6):25—27. 【8】梁延德.电刷镀机械研磨复合沉积试验研究[J].电加 工,1999(2):12—14. Liang Yande.Study on Composite Depositing by Brush Plating &Mechanicla Lapping[J].Electirc Machining,1999(2): 12—14. 【9】曹勇,梁志杰,谢凤宽.摩擦喷射复合电沉积技术研究 [J]. 表面技术,2004,33(3):22—24. Cao Yong,Liang Zhijie,Xie Fengkuan.Research on firction &spay composite electro-deposition technoloyg[J].Surface Technology,2004,33(3):22—24. 【1O】李培耀,周细应,王文治.碳纳米管镍基复合刷镀层的 组织和性能[J].机械工程材料,2005,29(4):6o一 62. Li Peiyao,Zhou Xiying,Wang We ̄hi.Microstructure and Pmpemes of CNTs Composite Coating[J].Materials for Me. chanical Engineering,2005,29(4):60—62. 【11】涂伟毅,徐滨士,蒋斌,等.n.AI:0,/Ni电刷镀复合镀 层组织与沉积机制[J].材料工程,2003(7):31—35. Tu Weiyi,Xu Binshi,Jiang Bin,et a1.Study on Micro. structure and Co-deposition Mechanism of n.AI,O1/Ni Com. opsite Coaitng Prepared by Electro-bmsh Plating[J].Jour. nal of Materilas Engineering,2003(7):31—35. 【12】马亚军,朱张校,丁莲珍.镍基纳米AI O 粉末复合电 刷镀镀层的耐磨性[J].清华大学学报:自然科学版, 2002,42(4):498—500. Ma Yajun,Zhu Zhangxiao,Ding Lianzhen.Wear Resist. ance of Ni/Nano-AI2 03 Composite Coatings Plated by Com- opsite Bush Plating[J].Journal of Tsinghua University:Sci &Teeh,2002,42(4):498—500. 【13】Wang S C,W C J.Kinetics of eleetroplating process of nano-sized ceramic partiele/Ni composite[J j.Materials Chemistry and Physics,2003,78:574—580. 【14】王红美,蒋斌,徐滨士,等.纳米SiO 颗粒增强镍基复 合镀层的组织与微动磨损性能研究[J].摩擦学学报, 2005,25(4):289—293. Wang Hongmei,Jiang Bin,Xu Binshi,et a1.Microstruc. ture and Fretting Wear Behavior of Ni Based Composite Coat- ings Reinforced by SiO2 Nano-particles[J].Tribology, 2005,25(4):289—293.
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