Ni-P-Al2O3化學(xué)復(fù)合鍍層的制備及其耐磨性能

周長海，　劉愛蓮,　許玉容,　李鳳春

(1.黑龍江科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 哈爾濱 150022; 2.哈爾濱建成集團(tuán)有限公司, 哈爾濱 150030)

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Ni-P-Al2O3化學(xué)復(fù)合鍍層的制備及其耐磨性能

周長海1，劉愛蓮1,許玉容2,李鳳春2

(1.黑龍江科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 哈爾濱 150022; 2.哈爾濱建成集團(tuán)有限公司, 哈爾濱 150030)

碳鋼表面進(jìn)行化學(xué)鍍處理,對(duì)提高碳鋼的耐磨性能有重要作用。在Q235鋼表面制備Ni-P鍍層及不同納米Al2O3顆粒含量的Ni-P-Al2O3鍍層。通過掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀和摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)鍍層的表面形貌、相組成及摩擦磨損性能進(jìn)行研究。結(jié)果表明:Ni-P-Al2O3鍍層的磨損量、摩擦系數(shù)均小于Ni-P鍍層,分別為2.6 mg和0.5;Ni-P-Al2O3鍍層的磨損以犁溝磨損為主,磨粒磨損和黏著磨損為輔,Ni-P鍍層的磨損為犁溝磨損。該研究可以為Ni-P-Al2O3鍍層的實(shí)際應(yīng)用提供理論支持。

Ni-P; Al2O3顆粒; 化學(xué)鍍; 耐磨性

0　引　言

化學(xué)鍍Ni-P鍍層技術(shù)廣泛用于化工裝置、汽車工業(yè)、電子設(shè)備等領(lǐng)域,已成為現(xiàn)代工業(yè)不可或缺的表面增強(qiáng)處理工藝[1]。為了進(jìn)一步提高化學(xué)鍍Ni-P的綜合性能,根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域通常在化學(xué)鍍液中加入SiC、Al2O3、B4C、TiO2等不溶于水的顆粒,制備出高硬度、耐磨、自潤滑等復(fù)合化學(xué)鍍層[2-5]。近些年來,納米技術(shù)的不斷發(fā)展也促進(jìn)了納米顆粒在化學(xué)鍍中的應(yīng)用[6]。納米Al2O3由于價(jià)格低廉、硬度高、耐腐蝕優(yōu)良,在化學(xué)鍍復(fù)合鍍中受到眾多學(xué)者的廣泛研究[5-7-9]。有研究發(fā)現(xiàn),鍍層中納米Al2O3的添加可以顯著提高材料耐磨性能,但不同研究者對(duì)化學(xué)復(fù)合鍍Ni-P-Al2O3鍍層的磨損機(jī)制仍存在不同的觀點(diǎn)[5,7-8]。鑒于此,筆者研究制備出Ni-P鍍層與不同含量Al2O3化學(xué)復(fù)合鍍Ni-P-Al2O3鍍層,以期通過對(duì)比分析,探究兩種鍍層的磨損機(jī)制,為豐富化學(xué)復(fù)合鍍Ni-P-Al2O3鍍層在摩擦磨損領(lǐng)域中的應(yīng)用起到理論支持作用。

1　實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用基體材料為板材Q235鋼。試樣尺寸為35 mm×15 mm×3 mm,經(jīng)SiC砂紙磨至800#后,用丙酮對(duì)試樣進(jìn)行清洗,以備后續(xù)化學(xué)鍍。化學(xué)鍍采用的試劑均為分析純,Al2O3體積分?jǐn)?shù)≥99%,粒徑尺寸為60～80 nm。

1.2化學(xué)鍍工藝

化學(xué)鍍Ni-P的鍍液為:硫酸鎳質(zhì)量濃度30 g/L,次亞磷酸鈉20 g/L,檸檬酸鈉10 g/L,乙酸鈉20 g/L。溫度85 ℃,pH 4.5,施鍍時(shí)間1 h。

化學(xué)鍍Ni-P-Al2O3的鍍液為:硫酸鎳質(zhì)量濃度30 g/L,次亞磷酸鈉25 g/L,檸檬酸鈉5 g/L,乙酸鈉20 g/L,乳酸體積分?jǐn)?shù)0.20%。溫度85 ℃,pH 5.5,施鍍時(shí)間1 h。Al2O3添加量分別為20、25、30 g/L。

化學(xué)鍍工藝流程:鍍前的機(jī)械處理→化學(xué)除油→水洗→化學(xué)除銹→水洗→敏化→水洗→活化→水洗→化學(xué)復(fù)合鍍→水洗→烘干→鍍層后處理。

除油采用NaOH溶液,質(zhì)量濃度為50 g/L,時(shí)間為2～3 min。除銹采用5%HCl溶液,時(shí)間為2～3 min。敏化液采用SnCl21 g和HCl 4 mL配制成100 mL的溶液,敏化時(shí)間2 min?；罨捎?0%HCl溶液,活化時(shí)間5 min。

1.3摩擦磨損實(shí)驗(yàn)

3.2.1 資源分類管理。為了方便檢索，為了方便管理，設(shè)計(jì)科學(xué)的科學(xué)合理的資源分類體系，具備資源分類管理功能。按照資源類型，展現(xiàn)12個(gè)資源庫中所有資源。在此模塊中提供資源分類的查看、新增、修改、刪除等功能。

利用HXS-1000Z型維氏硬度計(jì)測(cè)量鍍層的顯微硬度,載荷為0.5 kg,加載時(shí)間10 s,每組取10個(gè)數(shù)據(jù)的平均值。采用HIT-Ⅱ型摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行鍍層的摩擦磨損性能測(cè)試。摩擦副為800#水磨SiC砂紙,載荷1 N,時(shí)間300 s,轉(zhuǎn)速500 r/min。采用FC204型天平(精度0.000 01 g)稱量磨損前后鍍層的質(zhì)量差,進(jìn)行磨損量分析。

1.4鍍層成分及形貌分析

鍍層及磨損形貌采用FEI Quanta 200型掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀測(cè)。涂層的相成分采用D/max2500PCRagiku標(biāo)準(zhǔn)型全自動(dòng)X射線衍射儀進(jìn)行檢測(cè)。

2　結(jié)果與分析

2.1制備態(tài)鍍層的表面形貌及成分

圖1為Ni-P鍍層及Al2O3質(zhì)量濃度為25 g/L復(fù)合鍍層的表面形貌。

圖1　化學(xué)鍍層的表面形貌

從圖1a中可以看出，Ni-P鍍層表面為多邊形顆粒形貌,且大小不一,具有小顆粒聚集長大的趨勢(shì),顯示了非晶特征,與文獻(xiàn)[1]中Ni-P鍍層表面形貌一致。圖1b呈現(xiàn)出微小粒子均勻鑲嵌于鍍層的形貌特征,顯示出明顯的Ni-P-Al2O3復(fù)合鍍層表面形貌特征[5-6,9],但鍍層表面較粗糙,并有殘存的鹽在某些區(qū)域形成晶體覆蓋在鍍層表面。且鍍層未顯示與Ni-P鍍層一致的表面形貌,表面呈現(xiàn)出顆粒狀,表明鍍層有明顯的晶化特征,這點(diǎn)從XRD圖譜中可以看出。

圖2為Ni-P鍍層及Ni-P-Al2O3復(fù)合鍍層表面XRD圖譜?？梢钥闯?Ni-P鍍層的XRD圖譜在衍射角2θ=45°附近呈現(xiàn)明顯的衍射峰,且衍射強(qiáng)度在40°～50°的衍射角范圍內(nèi)連續(xù)緩慢變化,表現(xiàn)為非晶態(tài)特征的漫散峰,它與Ni(111)峰的位置重合,體現(xiàn)出一定的晶體特征,這種結(jié)構(gòu)可以看作是由非晶態(tài)向晶態(tài)的過渡階段,與文獻(xiàn)[1]中關(guān)于化學(xué)鍍Ni-P鍍層的成分一致。Ni-P-Al2O3復(fù)合鍍層的XRD圖譜與Ni-P鍍層圖譜相似,也存在一個(gè)漫散峰,但衍射角范圍有所縮小,表明鍍層的晶化程度加大,這與圖1b中Ni-P-Al2O3鍍層的表面形貌一致。同時(shí),Al2O3特征峰存在,證實(shí)鍍層中含有Al2O3粒子,說明所采用化學(xué)復(fù)合鍍工藝成功制備出Ni-P-Al2O3鍍層。

圖2　化學(xué)鍍Ni-P及Ni-P-Al2O3鍍層的XRD圖譜

2.2鍍層磨損量

對(duì)Ni-P鍍層及三種Al2O3質(zhì)量濃度的Ni-P-Al2O3復(fù)合鍍層的磨損量進(jìn)行了測(cè)量,如圖3所示。圖3a為三種Al2O3含量的Ni-P-Al2O3復(fù)合鍍層在載荷1 N、磨損時(shí)間300 s后的磨損量,可以看出，三種鍍層的磨損量均較小,在Al2O3質(zhì)量濃度為25 g/L時(shí)的鍍層磨損量最小,為2.6 mg。與Q235、Ni-P鍍層在相同實(shí)驗(yàn)條件下得到的磨損量進(jìn)行對(duì)比,如圖3b所示,可以看出，25 g/L Al2O3的復(fù)合鍍層磨損量也最小。對(duì)Ni-P鍍層及25 g/L Ni-P-Al2O3復(fù)合鍍層的顯微硬度進(jìn)行了測(cè)試,得到Ni-P鍍層的顯微硬度為HV0.5295.1 MPa,而Ni-P-Al2O3復(fù)合鍍層的顯微硬度達(dá)到HV0.5533.4 MPa?？梢钥闯?Al2O3的添加提高了鍍層的硬度1.8倍,歸因于Al2O3本身的高硬度[10]。在摩擦過程中Al2O3顆?？善鸬街文Σ撩姹砻尕?fù)荷的作用,減輕了SiC顆粒對(duì)鍍層的磨損,因此25 g/L Al2O3的復(fù)合鍍層磨損量較Ni-P鍍層小。

圖3　鍍層的磨損量

2.3摩擦系數(shù)

圖4為Q235鋼、Ni-P鍍層及25 g/L Al2O3含量Ni-P-Al2O3復(fù)合鍍層摩擦磨損測(cè)試時(shí)的平均摩擦系數(shù)。由圖4可以看出,Q235的摩擦系數(shù)接近0.6,Ni-P鍍層的摩擦系數(shù)稍低,Ni-P-Al2O3復(fù)合鍍層摩擦系數(shù)最低,約為0.5,與文獻(xiàn)[11]中采用電沉積方法制備的Ni-P及Ni-P-Al2O3復(fù)合鍍層的摩擦系數(shù)相當(dāng)。這主要由于納米級(jí)Al2O3在化學(xué)鍍過程中易于發(fā)生團(tuán)聚,形成球形顆粒，原始Al2O3顆粒呈球形,在摩擦磨損過程中降低了鍍層與SiC的接觸面積,降低了滑動(dòng)摩擦系數(shù),因而Ni-P-Al2O3復(fù)合鍍層的摩擦系數(shù)較小。

圖4　Q235和不同復(fù)合鍍層的摩擦系數(shù)

2.4磨損形貌

圖5為Ni-P、Ni-P-Al2O3復(fù)合鍍層在1 N載荷磨損300 s后的表面形貌。從圖5a可以看出,Ni-P鍍層磨損表面有明顯的犁溝磨損痕跡,且犁溝比較寬。犁溝內(nèi)沒有附著物存在,沒有塑性變形的跡象,且犁溝兩側(cè)顯示了較為鋒銳的棱角特征,這說明Ni-P鍍層磨損過程中顯示了典型的犁削機(jī)制[1]。而Ni-P-Al2O3復(fù)合鍍層的磨損形貌雖然也顯示了犁溝狀,但犁溝寬度、深度較Ni-P鍍層要小,如圖5b所示。犁溝顯示了連續(xù)過渡區(qū),未出現(xiàn)棱角特征,同時(shí)某些犁溝內(nèi)存在黏著物,顯示了黏著磨損的特征。還可以看出,Al2O3粒子在鍍層上的分布較為均勻,在犁溝兩側(cè)突出剩余部分Al2O3粒子的分布比較密集。這說明在磨損條件下,Al2O3粒子的存在可以起到減小磨削的作用。

摩擦磨損過程中,材料的抗磨損性能取決于摩擦力的大小和來源,對(duì)摩擦系數(shù)及磨損形貌均產(chǎn)生直接作用。由于鍍層表面存在一定的粗糙度,在法向載荷的作用下,摩擦介質(zhì)砂紙與鍍層表面間的接觸發(fā)生在微凸體之間。接觸的微凸體除了發(fā)生彈性變形外,還產(chǎn)生塑性變形,使得兩表面間形成緊密接觸,以至于分子力通過界面發(fā)生作用,形成界面黏著。在Ni-P-Al2O3鍍層中Al2O3的添加,一方面顯著降低摩擦副的實(shí)際接觸面積,抑制了砂紙SiC微凸體對(duì)鍍層表面的犁溝作用,另一方面Al2O3在鍍層中的彌散分布使產(chǎn)生黏著效應(yīng)的有效接觸面積減少。因此,Ni-P-Al2O3鍍層的磨損顯示了局部的黏著磨損,如圖5d所示。同時(shí),Ni-P-Al2O3鍍層在磨損過程中脫落的 Al2O3顆粒一定程度上對(duì)鍍層起到機(jī)械拋光作用,因而呈現(xiàn)了犁溝效應(yīng)較Ni-P鍍層明顯減弱的現(xiàn)象。此外,所采用摩擦介質(zhì)砂紙為SiC粒子,對(duì)鍍層軟質(zhì)表面產(chǎn)生“犁削”作用,因而兩種鍍層基本上都顯示了典型犁溝磨損機(jī)制,這與文獻(xiàn)[5]和[8]中報(bào)道相一致?？傮w上,Ni-P鍍層的磨損主要為犁溝磨損,而Ni-P-Al2O3鍍層的磨損以犁溝磨損為主,磨粒磨損和黏著磨損為輔。

圖5　鍍層磨損的表面形貌

3　結(jié)　論

在Q235鋼表面制備了Ni-P鍍層與Ni-P-Al2O3鍍層,通過形貌、相成分及摩擦磨損性能進(jìn)行分析,得到如下結(jié)論:

(1)Ni-P-Al2O3鍍層耐磨性最佳時(shí),Al2O3顆粒質(zhì)量濃度為25 g/L。

(2)Ni-P-Al2O3鍍層磨損以犁溝磨損為主,磨粒磨損和黏著磨損為輔。

(3)Ni-P鍍層的磨損主要為犁溝磨損。

[1]姜曉霞, 沈偉. 化學(xué)鍍理論及實(shí)踐[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2000.

[2]ZHANG SHUSHENG, HAN KEJIANG, CHENG LIN. The effect of SiC particles added in electroless Ni-P plating solution on theproperties of composite coatings [J]. Surface and Coatings Technology, 2008, 202(12): 2807-2812.

[3]EBRAHIMIAN-HOSSEINABADI M, AZARI-DORCHEH K, VAGHEFI S M M. Wear behavior of electroless Ni-P-B4C composite coatings [J]. Wear, 2006, 260(1/2): 123-127.

[4]MOMENZADEH M, SANJABI S. The effect of TiO2nanoparticle codeposition on microstructure and corrosion resistance of electroless Ni-P coating [J]. Materials and Corrosion, 2012, 63(7): 614-619.

[5]鄭曉華, 劉輝, 章榮, 等. 不同納米氧化鋁含量Ni-P-Al2O3化學(xué)鍍層的高溫磨損性能[J]. 中國有色金屬學(xué)報(bào), 2014, 24(7): 1804-1811.

[6]許喬瑜, 何偉嬌. 化學(xué)鍍鎳-磷基納米復(fù)合鍍層的研究進(jìn)展[J]. 電鍍與涂飾, 2010, 29(10): 23-26.

[7]姚素薇, 穆高林, 張衛(wèi)國. 化學(xué)鍍Ni-P/納米Al2O3復(fù)合鍍層結(jié)構(gòu)及性能研究[J]. 材料保護(hù), 2007, 40(10): 26-28.

[8]雪金海, 吳蒙華. 熱處理對(duì)Ni-P-A12O3化學(xué)復(fù)合鍍層摩擦磨損性能的影響[J]. 材料保護(hù), 2011, 44(10): 65-67.

[9]王勇, 杜克勤, 郭興華, 等. 化學(xué)鍍Ni-P-A12O3復(fù)合鍍層的研究[J]. 電鍍與環(huán)保, 2013, 33(4): 22-25.

[10]郭鶴桐, 張?jiān)? 復(fù)合鍍層[M]. 天津: 天津大學(xué)出版社, 1991.

[11]彭成章, 朱玲玲. 電沉積 Ni-P/納米 Al2O3復(fù)合鍍層的摩擦磨損與耐鋁液侵蝕性能[J]. 中國有色金屬學(xué)報(bào), 2010, 20(6): 1177-1182.

(編輯徐巖)

Researches on fabrication and wear properties of electroless Ni-P-Al2O3composite coatings

ZHOUChanghai1,LIUAilian1,XUYurong2,LIFengchun2

(1.School of Mateirials Science & Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China; 2.Harbin Jiancheng Group Corporation, Harbin 150030, China)

This paper is concerned with a research motivated by the realization that the electroless plating on carbon steels plays an important role in improving their wear resistance. The study involves fabricating the Ni-P electroless coating and electroless Ni-P-Al2O3composite coatings with different content of nano-Al2O3particles on Q235 steel and characterizing the surface morphology, chemical composition and wear properties using scanning electron microscopy, X-ray diffraction and friction and wear testing machine. The study shows that the Ni-P-Al2O3composite coatings have abrasion loss and the frication coefficient, both of which are lower than those of Ni-P electroless coating, and are 2.6 mg and 0.5, respectively; Ni-P-Al2O3composite coatings are governed by the wear mechanism dominated furrow and complemented by abrasive and adhesive wear. The Ni-P electroless coating ischaracterized by furrow wear. The research may provide the theoretical support for the practical application of electroless Ni-P-Al2O3composite coatings.

Ni-P; Al2O3particle; electroless plating; wear property

2015-05-01

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51201062);黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(12543069)

周長海(1980-),男,黑龍江省賓縣人,講師,博士,研究方向:合金氧化與涂層性能,E-mail:dlut2325@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.03.007

TQ153.2

2095-7262(2015)03-0261-04

A