微納米材料對鍍層硬度耐磨性的影響

郜聆羽，王洪亮，黃英（齊齊哈爾北方機(jī)器有限責(zé)任公司，黑龍江 齊齊哈爾 161000）

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微納米材料對鍍層硬度耐磨性的影響

郜聆羽，王洪亮，黃英
（齊齊哈爾北方機(jī)器有限責(zé)任公司，黑龍江 齊齊哈爾 161000）

摘要：通過制備Ni，Ni-SiC（微米）復(fù)合電鍍，Ni-SiC（納米）復(fù)合電鍍，Ni-CNTs復(fù)合電鍍，Ni-CNTs-SiC（微米）復(fù)合電鍍，Ni-CNTs-SiC（納米）復(fù)合電鍍六種鍍層，研究這六種鍍層的顯微硬度、耐磨性，并進(jìn)行對比。分析了碳納米管、碳化硅顆粒的加入對鍍層的顯微硬度和耐磨性的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，納米復(fù)合電鍍層表面平整光滑，其顯微硬度、耐磨性也較純鍍鎳鍍層有顯著的提高。

關(guān)鍵詞：復(fù)合鍍層；顯微硬度；摩擦磨損

微納米復(fù)合材料電鍍技術(shù)是利用電化學(xué)的原理，將微納米顆粒與欲沉積金屬的離子在陰極表面實(shí)現(xiàn)共沉積，并形成具有某些特殊功能的納米復(fù)合材料的工藝過程。本文通過制備Ni，Ni-SiC（微米），Ni-SiC（納米），Ni-CNTs，Ni-CNTs-SiC（微米），Ni-CNTs-SiC（納米）六種鍍層，分析碳納米管、碳化硅顆粒的加入對鍍層的顯微硬度和耐磨性的影響。

1　試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

1.1試驗(yàn)所用材料及設(shè)備

試樣基材采用Q 2 3 5鋼，尺寸為2 0 m m×2 0 mm×3 mm，采用CNTs的平均粒徑為10～20 nm，純度為99.9%，SiC顆粒的平均粒徑為5 μm和80 nm，純度為99.9%。

所需藥品：硫酸鎳（N i S O4.6 H2O）；硼酸（H3BO3）；氯化鈉（NaCl）；丁炔二醇；糖精鈉；十二烷基硫酸鈉。

所需儀器：ND7-2行星式球磨機(jī)、EMS-8A磁力攪拌器、超聲波攪拌器、赫爾槽試驗(yàn)儀、KQ100DB超聲波清洗器、DHG-9070A恒溫干燥箱、MHV2000數(shù)顯顯微硬度計(jì)、TM1200F涂層測厚儀、MX-2600FE掃描電鏡、HIT-Ⅱ摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)。

1.2鍍液配制

電鍍鍍液pH調(diào)整為5，配方如下：

（1）純Ni鍍層：硫酸鎳300 g/L；硼酸35 g/L；氯化鈉48 g/L；丁炔二醇0.9 g/L；糖精鈉0.3 g/L；

（2）Ni-SiC（微米/納米）鍍層: 硫酸鎳300 g/ L；硼酸35 g/L；氯化鈉48 g/L；丁炔二醇0.9 g/L；糖精鈉0.3 g/L；十二烷基硫酸鈉0.12 g/L；SiC（微米/納米）2.5 g/L。

（3）Ni-CNTs鍍層: 硫酸鎳300 g/L；硼酸35 g/ L；氯化鈉48 g/L；丁炔二醇0.9 g/L；糖精鈉0.3 g/ L；十二烷基硫酸鈉0.12 g/L；CNTs 2.5 g/L。

（4）Ni-CNTs-SiC（微米/納米）鍍層: 硫酸鎳300 g/L；硼酸35 g/L；氯化鈉48 g/L；丁炔二醇0.9 g/L；糖精鈉0.3 g/L；十二烷基硫酸鈉0.12 g/L；CNTs 2.5 g/L；SiC（微米/納米）2.5 g/L。

1.3電鍍過程

根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，選用了以下工藝參數(shù)：溫度27℃，電流密度3.5 A/dm2，施鍍時(shí)間2.5 h，攪拌方式機(jī)械攪拌，攪拌速度120 r/min。

本試驗(yàn)使用赫爾槽試驗(yàn)儀來提供直流電源，并通過控制電流來達(dá)到控制電流密度的目的。使用的攪拌器為機(jī)械攪拌器。

1.4鍍層顯微硬度測試

對六種鍍層的硬度進(jìn)行測試，使用儀器為MHV2000數(shù)顯顯微硬度計(jì)。測試參數(shù)：載荷0.98 N，加載時(shí)間10 s。為保證測試數(shù)值的準(zhǔn)確，每種鍍層測試15組數(shù)據(jù)，取其平均值，并對其結(jié)果進(jìn)行分析。

1.5摩擦磨損試驗(yàn)

六種鍍層的摩擦磨損試驗(yàn)，使用HIT-Ⅱ型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，摩擦種類：干滑動摩擦，磨損方式為球-圓盤，對磨材料：GCr15鋼球，試驗(yàn)參數(shù)：載荷8 N，轉(zhuǎn)速100 r/min，測試時(shí)間20 min。記錄其摩擦過程中的摩擦系數(shù)，并觀察磨損形貌。

2　試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

2.1鍍層顯微硬度對比分析

根據(jù)15組試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算得出平均值如下： 純Ni鍍層：475 HV；Ni-CNTs鍍層：570 HV；Ni-SiC（微米）鍍層：730HV；Ni-SiC（納米）鍍層： 774 HV；Ni-CNTs-SiC（微米）鍍層：975 HV；Ni-CNTs-SiC（納米）鍍層：1 065 HV。

通過數(shù)據(jù)可知鍍層硬度呈上升狀態(tài)，明顯純鍍Ni鍍層

這是因?yàn)樵趶?fù)合電沉積過程中，微納米微粒的加入不僅能增大陰極極化，降低金屬成核反應(yīng)的過電位，有利于新晶核的生成，而且能抑制晶粒的聚集和長大，起到細(xì)化基質(zhì)金屬晶粒的作用，同時(shí)由于納米微粒的嵌入可以阻礙或延遲基質(zhì)金屬的位錯(cuò)滑移從而抑制塑性變形，使復(fù)合鍍層得以強(qiáng)化，以及微納米顆粒本身所具有的高強(qiáng)度、高硬度以及其均勻分布在基質(zhì)金屬中所產(chǎn)生的彌散強(qiáng)化效應(yīng)所致。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，碳納米管對鍍層硬度的影響沒有碳化硅顆粒大，這是由于碳納米管本身的硬度比碳化硅顆粒低。而在含有碳化硅顆粒的鍍層中添加碳納米管，會使其鍍層硬度明顯提高，這是因?yàn)樘技{米管的加入更加細(xì)化了基質(zhì)金屬晶粒，使碳化硅顆粒更均勻的分布在鍍層中，加之碳納米管本身的的作用，使其硬度提高。

2.2鍍層摩擦磨損性能分析

2.2.1摩擦系數(shù)分析

測試數(shù)據(jù)經(jīng)處理后得到圖1。

圖1　六種鍍層的摩擦系數(shù)對比

從數(shù)據(jù)結(jié)果可知：六種摩擦系數(shù)的關(guān)系為：純鍍Ni鍍層>Ni-SiC（微米）復(fù)合鍍層>Ni-CNTs復(fù)合鍍層>Ni-SiC（納米）復(fù)合鍍層>Ni-CNTs-SiC(微米)復(fù)合鍍層>Ni-CNTs-SiC(納米)復(fù)合鍍層。

這個(gè)結(jié)果充分證明了CNTs和SiC顆粒的加入對鍍層的耐磨性有很大影響。納米顆粒的耐磨減摩是通過將滑動摩擦變?yōu)榛瑒优c滾動復(fù)合摩擦，從而減小摩擦，或鑲嵌在摩擦副表面，使摩擦發(fā)生在納米顆粒之間或納米顆粒與摩擦副之間，使其摩擦系數(shù)變小，起到耐磨減摩作用。而只加入微米SiC的鍍層摩擦系數(shù)較其它復(fù)合鍍層的大，原因是微米顆粒在摩擦中更容易脫落，脫落的顆粒在鍍層表面，會增加摩擦的阻力，使其摩擦系數(shù)增大。

純鍍Ni鍍層的磨痕很深，而且較寬，加入CNTs后，磨痕明顯變淺，這是由于CNTs的自潤滑作用也被鍍層所擁有，所以降低了鍍層的摩擦系數(shù)，當(dāng)然由于CNTs是硬質(zhì)顆粒，也起到了支承載荷、增加硬度的作用，但是在這一點(diǎn)上CNTs的效果沒有SiC顆粒的明顯。同時(shí)加入CNTs和SiC顆粒，既發(fā)揮了CNTs的自減摩作用，也發(fā)揮了SiC的硬質(zhì)顆粒作用，所以耐磨性明顯提高。

3　結(jié)論

本文通過試驗(yàn)得到以下結(jié)論：

（1）加入固體復(fù)合粒子后形成的Ni-CNTs-SiC

（微米/納米）復(fù)合鍍層，其顯微硬度比純鍍Ni鍍層、Ni-CNTs復(fù)合鍍層和Ni-SiC（微米/納米）復(fù)合鍍層均有所提高。

（2）六種鍍層與G C r 1 5鋼球?qū)δr(shí)，N i-CNTs-SiC（微米/納米）復(fù)合鍍層的耐磨性優(yōu)于純鍍Ni鍍層的耐磨性，而Ni-CNTs復(fù)合鍍層和Ni-SiC（微米/納米）復(fù)合鍍層的耐磨性又比純鍍Ni鍍層的耐磨性好。

（3）Ni-CNTs-SiC（微米/納米）復(fù)合鍍層在磨損的過程中，復(fù)合粒子CNTs和SiC起到了支承載荷、抵抗塑性變形等作用，從而提高了鍍層的抗粘著磨損和磨料磨損的能力，增加其耐磨性。

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(P-01)

Effect of micro and nano materials for coating hardness and wear resistance

中圖分類號：TQ153

文章編號：1009-797X(2016)12-0074-03

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.13520/j.cnki.rpte.2016.12.030

作者簡介：郜聆羽（1984－），女，本科學(xué)歷，畢業(yè)于黑龍江科技學(xué)院，中級職稱（工程師），從事金屬加工技術(shù)工作。

收稿日期：2016-05-06