組合超聲場下電沉積Ni-Nd2 O3納米復(fù)合鍍層的摩擦磨損性能

薛玉君，李獻(xiàn)會，敖正紅，李濟(jì)順

(1.河南科技大學(xué)a.機(jī)電工程學(xué)院;b.河南省機(jī)械設(shè)計(jì)及傳動系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南洛陽471003;2.洛陽軸研科技股份有限公司，河南洛陽471003)

0 前言

納米復(fù)合沉積層具有高硬度、耐高溫、抗氧化、耐腐蝕、耐磨損等優(yōu)良特性，這些特點(diǎn)受到了學(xué)者們的廣泛關(guān)注。將納米顆粒引入制備復(fù)合沉積層，有效改善納米復(fù)合沉積層的微觀結(jié)構(gòu)，使得復(fù)合沉積層的性能得到大幅度提高［1］。但是，由于納米顆粒具有的表面能高，電沉積過程中容易團(tuán)聚，嚴(yán)重影響了納米顆粒在沉積層的分布和含量，成為制備高性能納米復(fù)合沉積層的瓶頸。在電沉積過程中引入超聲波，超聲空化可大幅度地弱化納米顆粒之間相互作用，有效抑制納米顆粒團(tuán)聚，使之均勻分散在沉積層中，從而提高納米復(fù)合沉積層的性能［2－3］。組合超聲由兩種或兩種以上不同頻率的超聲波共同工作組成，組合超聲的空化產(chǎn)額高于單一超聲的空化產(chǎn)額，且組合超聲波具有良好的協(xié)同性和空化效應(yīng)［4］。將組合超聲運(yùn)用于納米復(fù)合電沉積中，可有效抑制納米顆粒團(tuán)聚，提高納米復(fù)合鍍層的性能，有望制備出高性能的納米復(fù)合鍍層。

本文利用單一超聲、組合超聲進(jìn)行Ni-Nd2O3納米復(fù)合電沉積試驗(yàn)研究，其中組合超聲場由浴槽式超聲和探頭式超聲復(fù)合組合而成。制備了Ni-Nd2O3納米復(fù)合鍍層，考察了Ni-Nd2O3納米復(fù)合鍍層的微觀結(jié)構(gòu)，測試了復(fù)合鍍層納米顆粒含量、顯微硬度、摩擦磨損性能，研究了組合超聲場下Ni-Nd2O3納米復(fù)合鍍層微觀結(jié)構(gòu)和摩擦磨損性能。

1 試驗(yàn)

1.1 納米復(fù)合鍍層制備

電沉積試驗(yàn)裝置如圖1 所示，主要由電沉積液、WYJ-3010 型直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源、KQ-300VDB 浴槽式超聲波發(fā)生器、探頭式超聲波發(fā)生器、EMS-12 型遙控潛水磁力攪拌器等組成。

試驗(yàn)所選用的陰、陽極材料分別為不銹鋼片(1Cr18Ni9Ti)和電解鎳板(純度大于99.9%)，不銹鋼片的厚度為2 mm，工作面積為20 mm×50 mm，鎳板體積規(guī)格為150 mm×30 mm×3 mm，陰、陽極面積之比為2∶3，兩電極間距為30 mm。

試驗(yàn)采用的電沉積液成分為:潤濕劑(0.5 g/L)、NiSO4·6H2O(300 g/L)、H3BO3(35 g/L)、NiCl2(20 g/L)。所用試劑的純度均為分析純。稀土Nd2O3納米顆粒平均直徑為30 nm，純度大于99.99%。

圖1 電沉積試驗(yàn)裝置示意圖

1.2 納米復(fù)合鍍層微觀結(jié)構(gòu)及性能檢測

鍍層的微觀形貌利用FEI Quanta 200 FEG 場發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡(ESEM)進(jìn)行觀察，并用能譜儀(EDS)測定鍍層中Nd2O3的含量。

鍍層試樣的顯微硬度用HVS-1000 型數(shù)顯顯微硬度儀測定，加載載荷為0.49 N，保持時間為10 s，對試樣取5 個不同測量點(diǎn)進(jìn)行測定，取5 點(diǎn)的平均值作為鍍層試樣的顯微硬度值。

鍍層的摩擦磨損性能在型號為MM1000-Ⅱ摩擦性能測試機(jī)上進(jìn)行測試。試驗(yàn)條件:摩擦狀態(tài)為干摩擦，試驗(yàn)壓力為0.06 MPa，轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，試驗(yàn)溫度為室溫，試驗(yàn)時間為10 min，材料為調(diào)質(zhì)處理的45 號鋼，硬度為HRC56 ～59。

2 結(jié)果與討論

2.1 納米復(fù)合鍍層微觀形貌

圖2a 為直流純Ni 鍍層，表面粗糙，晶粒粗大，不均勻。圖2b 是在直流條件下加入Nd2O3納米顆粒進(jìn)行的復(fù)合電沉積得到的鍍層，從圖2b 中可以看出:鍍層表面有突起存在，相關(guān)研究已證實(shí)其為添加的Nd2O3納米顆粒，由于有Nd2O3納米顆粒起到了強(qiáng)化作用，使表面組織致密性提高，但晶粒還是較粗大，分布不均勻。

圖2 不同電沉積方式下鍍層的表面形貌

圖2c 和圖2d 分別為浴槽式超聲和探頭式超聲條件下制備的鍍層的微觀形貌，與圖2a 對比可知:在這兩種鍍層表面組織致密度加強(qiáng)，但晶粒仍很粗大，表面也很粗糙，可見超聲波在納米復(fù)合電沉積中起到了一定的作用。分析認(rèn)為:超聲波具有優(yōu)良的空化效應(yīng)，在電沉積液中迅速產(chǎn)生空化泡，空化泡在瞬間迅速漲大并破裂，破裂時把吸收的聲場能量在極短的時間和極小的空間內(nèi)釋放出來，可形成高溫和高壓的環(huán)境，同時伴隨有強(qiáng)大的沖擊波和微聲流，能夠破碎納米顆粒團(tuán)聚體，抑制納米顆粒的團(tuán)聚，電沉積液中的納米顆粒分布均勻，從而優(yōu)化了電沉積環(huán)境，使得納米復(fù)合鍍層中的納米顆粒分布均勻［5－6］。

圖2e 為組合超聲條件下得到鍍層的微觀形貌圖。與圖2a ～圖2d 相比，組合超聲作用下Ni-Nd2O3納米復(fù)合鍍層晶粒更細(xì)小，表面更平整，組織更均勻致密。在組合超聲的作用下，復(fù)合鍍層的晶粒尺寸得到了很大程度的細(xì)化，表面性能得到提升。分析認(rèn)為:組合超聲場是利用兩種超聲同時在溶液中傳播形成的超聲場，在組合超聲場中單位時間里產(chǎn)生的空化崩潰次數(shù)多于單一超聲，其空化作用遠(yuǎn)大于單一超聲，有效改善了單一超聲易產(chǎn)生的駐波效應(yīng)，顯著減少駐波造成的死角，增加空化事件，提高了聲化學(xué)產(chǎn)額。與單一超聲電沉積相比，組合超聲單位時間內(nèi)產(chǎn)生的空化泡數(shù)目多，且空化泡蘊(yùn)含的聲場能量要高，產(chǎn)生的沖擊波和微聲流速度更大，對電沉積液中納米顆粒的沖擊效果更明顯，使得納米顆粒團(tuán)聚的幾率大大減小，納米顆粒均勻的分布于電沉積液中，也使得形核更加均勻，細(xì)化了晶粒。所以，組合超聲場下制備的納米復(fù)合鍍層表面更加平整，晶粒更加細(xì)小，組織更加致密均勻。

2.2 顯微硬度

表1 為各種條件下制備的納米復(fù)合鍍層中納米顆粒含量和顯微硬度的最大值。由表1 可以看出:無超聲條件下制備的納米復(fù)合鍍層中Na2O3的含量和顯微硬度低。浴槽式和探頭式超聲波制備的納米復(fù)合鍍層中w(Nd2O3)最大值分別為2.70%和3.10%，顯微硬度分別為HV525 和HV578。探頭式超聲影響鍍層顆粒含量效果比浴槽式超聲更明顯。分析認(rèn)為:超聲波作用提高了鍍層中Na2O3的含量和顯微硬度，且探頭式超聲波作用效果更加明顯，原因在于探頭式超聲波是直接深入電沉積液里，超聲波利用率高，分散納米顆粒的能力強(qiáng)，納米顆粒團(tuán)聚得到抑制，進(jìn)而使得納米顆粒與陰極表面的接觸幾率提高;此外，由于探頭式超聲波的探頭直接深入電沉積液，直接作用于陰極表面，電沉積時陰極析出的氫就不能附著在陰極表面，大大提高了納米顆粒附著在陰極表面的能力。因此，探頭式超聲波條件下制備的納米復(fù)合鍍層中納米顆粒Nd2O3含量高，顯微硬度高。

由表1 還可以看出:組合超聲條件下制備的納米復(fù)合鍍層中w(Nd2O3)最大值達(dá)3.48%，顯微硬度為HV624。對比可知:組合超聲條件下制備的納米復(fù)合鍍層Nd2O3含量比單一超聲的含量平均提高約21%，顯微硬度提高13%。分析認(rèn)為:從組合超聲空化效應(yīng)分析，組合復(fù)合超聲波的空化效應(yīng)明顯強(qiáng)于單一超聲波，抑制納米顆粒團(tuán)聚的能力更強(qiáng)，納米顆粒在電沉積液中分散更充分，單位時間內(nèi)到達(dá)陰極表面的顆粒越多，沉積量就越大。并且由于組合超聲作用電沉積反應(yīng)速度加快，有更多納米顆粒在陰極被基質(zhì)金屬Ni 所包埋，所以組合超聲作用下，復(fù)合鍍層中Nd2O3的含量較高。從組合超聲協(xié)同作用分析，在組合超聲波協(xié)同作用下，大大降低超聲波中駐波的產(chǎn)生，也減少了駐波死角，組合超聲場的空化事件多于單一超聲場，組合超聲作用效率更高。同時，探頭式超聲波的超聲探頭直接深入電沉積液中，沖刷走陰極表面析出的氫，為電沉積提供條件，在兩者協(xié)同作用下復(fù)合鍍層中Nd2O3含量提升，顯微硬度提高。

表1 不同形式超聲波下制備的納米復(fù)合鍍層中Nd2O3 含量和顯微硬度

2.3 摩擦磨損性能

表2 為不同電沉積方式下制備的鍍層的摩擦因數(shù)和磨損率。由表2 可以看出:電沉積方式直接影響鍍層的摩擦因數(shù)和磨損率。添加Nd2O3納米顆粒的復(fù)合鍍層的摩擦因數(shù)和磨損率明顯低于純Ni 鍍層;在超聲條件影響下復(fù)合鍍層的摩擦因數(shù)和磨損率明顯低于無超聲影響的;組合超聲條件制備的復(fù)合鍍層摩擦因數(shù)和磨損率相對最佳。分析認(rèn)為:由于Nd2O3納米顆粒與基質(zhì)金屬共沉積，彌散于納米復(fù)合鍍層中的Nd2O3納米顆粒起到阻礙晶粒中的位錯滑移的作用，產(chǎn)生了彌散強(qiáng)化效應(yīng)，從而使納米復(fù)合鍍層的摩擦因數(shù)和磨損率要低于純鎳鍍層的摩擦因數(shù)和磨損率。結(jié)合圖2 可知:超聲的引入使納米復(fù)合鍍層的微觀結(jié)構(gòu)改變，晶粒得到細(xì)化，致密度提高［7－9］，所以超聲作用下的復(fù)合鍍層摩擦因數(shù)和磨損率都減小;組合超聲作用下，由于其協(xié)同效應(yīng)和空化效應(yīng)，納米復(fù)合鍍層中Nd2O3納米顆粒含量大大增大，彌散強(qiáng)化效果增強(qiáng)，同時鍍層晶粒得到了充分的細(xì)化，晶粒間的結(jié)合力加強(qiáng)，致密度增強(qiáng)，顯微硬度也大大提升，所以組合超聲下的納米復(fù)合鍍層的摩擦因數(shù)最小，磨損率最低。

表2 不同電沉積方式下制備的鍍層的摩擦因數(shù)和磨損率

圖3 為不同電沉積方式下制備的鍍層磨損后表面形貌的SEM 照片。由圖3 可以看出:直流純Ni鍍層表面磨損比較嚴(yán)重，有嚴(yán)重的塑性流動變形，并有寬深的犁溝形成，呈現(xiàn)出拉傷損傷特征(見圖3a)，這主要是由于純Ni 鍍層硬度較低，在干摩擦條件下承載能力較差，在摩擦熱的作用下易發(fā)生軟化，產(chǎn)生嚴(yán)重的塑性形變。直流Ni-Nd2O3納米復(fù)合鍍層的磨損形貌有多條犁溝并伴隨塑性形變，呈典型的磨粒磨損特征(見圖3b)，表明在Nd2O3納米顆粒加入后，在納米顆粒彌散強(qiáng)化的作用下，一定程度上減輕了磨損。浴槽式超聲波作用下的納米復(fù)合鍍層的磨損狀態(tài)為黏著磨損和磨粒磨損特征(見圖3c)。浴槽式超聲作用下制備的納米復(fù)合鍍層中，在超聲作用下，納米顆粒均勻分布，晶粒在一定程度上得到細(xì)化，致密度提高，黏著磨損程度減輕，但在磨損過程中，有硬質(zhì)顆粒的脫落，相對摩擦中在鍍層表面形成溝壑，所以也形成磨粒磨損［10－11］。探頭超聲條件下制備的納米復(fù)合鍍層磨損形貌，呈現(xiàn)磨粒磨損特征，但伴隨有大片層剝落跡象(見圖3d)。探頭式超聲波作用下，由于探頭式超聲利用效率更高，制備出的納米復(fù)合鍍層顆粒含量和顯微硬度提升，耐磨性提升，但在磨損過程中，由于其鍍層致密性不佳，造成了大片層剝落跡象。

圖3 不同電鍍方式下制備的沉積層磨損后的SEM 照片

組合超聲作用下的Ni-Nd2O3納米復(fù)合鍍層的磨損特征表現(xiàn)為輕微的黏著磨損和磨粒磨損(見圖3e)。從圖3e 中可清晰看出:磨損的面積大大減小，從形貌上看，塑性變形程度也大大減輕，摩擦磨損性能得到改善。組合超聲作用下的Ni-Nd2O3納米復(fù)合鍍層中，由于其晶粒細(xì)小，組織致密，硬度較高，表面光滑，所以摩擦中產(chǎn)生的雖然有黏著磨損，但很輕微;在磨損中，有體積極小硬質(zhì)顆粒脫落，又由于基體硬度高，所以磨粒磨損產(chǎn)生的磨痕就很輕微，表現(xiàn)出了較好的耐磨性［12］。

3 結(jié)論

(1)組合超聲場對Ni-Nd2O3納米復(fù)合鍍層微觀形貌有明顯影響，制備出的復(fù)合鍍層表面更加平整，晶粒更加細(xì)小，組織的致密性更高。

(2)組合超聲場條件下制備的Ni-Nd2O3納米復(fù)合鍍層中，Nd2O3納米顆粒含量達(dá)3.48%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，顯微硬度高達(dá)HV624。

(3)組合超聲作用下制備的Ni-Nd2O3納米復(fù)合鍍層摩擦因數(shù)小、磨損率低，表現(xiàn)出優(yōu)良摩擦學(xué)性能。

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