一種復(fù)合鍍層的制備及性能研究

呂前薇， 趙世海(1． 天津工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 天津300387；2．天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300387)

一種復(fù)合鍍層的制備及性能研究

呂前薇1，2， 趙世海1，2(1． 天津工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 天津300387；2．天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300387)

為讓20#鋼鋼領(lǐng)擁有合適的硬度及耐磨性，在鋼領(lǐng)表面通過(guò)化學(xué)復(fù)合鍍技術(shù)鍍覆了雙相納米粒子Ni-P-Al2O3-ZrO2鍍層，鋼領(lǐng)鍍層形貌平整且細(xì)膩，兩種納米粒子緊密的分布在鋼領(lǐng)基體表面的鍍層上。鍍有復(fù)合鍍層的鋼領(lǐng)在顯微硬度計(jì)下測(cè)定得到最大值780HV，較基本的鎳磷鍍層提高了53%，在磨損試驗(yàn)機(jī)下測(cè)定結(jié)果顯示，雙相納米粒子Al2O3/ZrO2復(fù)合鍍層的鋼領(lǐng)磨損形式由粘著磨損向磨粒磨損轉(zhuǎn)變，其耐磨性提高了很多。

雙相納米粒子；Ni-P-Al2O3-ZrO2復(fù)合鍍層；硬度；耐磨性

0 引言

化學(xué)鍍時(shí)不外加電流，在金屬表面的催化作用下通過(guò)氧化還原反應(yīng)進(jìn)行的沉積過(guò)程。減少了由于電鍍生產(chǎn)排出物對(duì)人類(lèi)生存環(huán)境，存在著潛在的危害，并造成極大的資源浪費(fèi)的不良后果

因使用化學(xué)鍍技術(shù)鍍覆在基體上的鍍層均勻性好、硬度較高、耐磨性和耐蝕性等能一定程度的滿(mǎn)足需要，此項(xiàng)技術(shù)被應(yīng)用在很多方面[1-3]。

納米粒子較一般材料的硬度和強(qiáng)度高的多，將納米粒子與基礎(chǔ)鍍層復(fù)合得到的鍍層硬度增加，且由于鍍層中的納米粒子對(duì)載荷的承受起到重要作用，而對(duì)犁削起到了阻擋作用從而使耐磨性得到了改善，常見(jiàn)的有在基體上鍍覆SiC鍍層，Al2O3鍍層，金剛石鍍層等[4-11]；將軟質(zhì)相粒子且具有層狀結(jié)構(gòu)的Gr、MoS2、WS2及PTFE等與基礎(chǔ)鍍層復(fù)合得到摩擦系數(shù)降低的自潤(rùn)滑鍍層[12-13]；更有將將SiC、MoS2同時(shí)與基礎(chǔ)鍍層復(fù)合得到耐磨減摩鍍層[14]。

本文將納米Al2O3、ZrO2微粒同時(shí)鍍覆在鋼領(lǐng)基體表面，獲得了雙相納米粒子復(fù)合鍍層。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 鍍前處理

本實(shí)驗(yàn)基體為20#鋼鋼領(lǐng)。因鍍層的質(zhì)量及沉積速率與鍍前處理關(guān)系密切，為此需對(duì)基體作相應(yīng)的合理的前處理。本實(shí)驗(yàn)的鍍前處理過(guò)程為：拋光打磨(使用不同型號(hào)的砂紙)→堿性化學(xué)除油(60-70℃，10-20min)→熱水清洗(70-80℃，2min)→流動(dòng)水洗(室溫，2min)→超聲波清洗(5min)→熱水清洗→流動(dòng)水洗→弱酸活化(5%鹽酸，1min)→流動(dòng)水洗→預(yù)熱浸洗(70-80℃，3min)。

1.2 實(shí)驗(yàn)配方

為獲得硬度較高，耐磨性能優(yōu)異的鋼領(lǐng)鍍層，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到基礎(chǔ)鍍液的最優(yōu)配方，如表1所示，并且兩種納米顆粒的添加量各不相同。單獨(dú)添加納米Al2O3顆粒，其添加量為：2g/L，4g/L，6g/L，8g/L ；單獨(dú)添加ZrO2顆粒，其添加量為：1g/L，2g/L，3g/L，4g/L，并且根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定一起添加兩種納米粒子量。本次實(shí)驗(yàn)鍍液溫度：(85±2)℃，PH：4．5，攪拌速度：200r/min，施鍍時(shí)間：2h。

表1 化學(xué)鍍液基礎(chǔ)配方

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 鍍層的微觀(guān)形貌

將基體，只鍍有Ni-P、鍍有納米Al2O3、納米ZrO2、雙相納米Al2O3/ZrO2的復(fù)合鍍層的鋼領(lǐng)的切塊放在掃描電子顯微鏡下進(jìn)行微觀(guān)形貌觀(guān)察，如圖1所示。從圖中可以看到存在鍍層而且很清晰，納米粒子緊密分布在復(fù)合鍍層表面上，鍍層緊密的與鋼領(lǐng)基體表面上結(jié)合。

圖1 不同復(fù)合鍍層的SEM圖

2.2 鋼領(lǐng)鍍層硬度的測(cè)定

把鍍覆不同鍍層的鋼領(lǐng)放在顯微硬度計(jì)上測(cè)試，試驗(yàn)時(shí)間：10s，施加力：50g，對(duì)每個(gè)鋼領(lǐng)的5個(gè)位置進(jìn)行測(cè)試，然后取平均值。

保持酸性化學(xué)鍍根本鍍液的其他組分不變，改變鍍液中納米Al2O3添加量，分別為 ：2g/L，4g/L，6g/L，8g/L，測(cè)定對(duì)應(yīng)濃度下所得鍍層鋼領(lǐng)的硬度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

由圖2可看出，納米粒子加入量增大，鍍有復(fù)合鍍層的鋼領(lǐng)硬度也增大，在鋼領(lǐng)的硬度出現(xiàn)最大值735HV時(shí)加入了6g/L的納米Al2O3，相對(duì)只鍍有鎳磷鍍層鋼領(lǐng)的硬度提高了44%，這是因?yàn)榧{米粒細(xì)化了鍍層晶粒且納米粒子均勻分布達(dá)到彌散強(qiáng)化的效果。繼續(xù)提高納米顆粒加入量時(shí)，復(fù)合鍍層的硬度下降，這是因?yàn)榇藭r(shí)納米顆粒含量過(guò)高，導(dǎo)致加入顆粒之間撞擊激烈，不利于粒子復(fù)合，降低了基體的內(nèi)聚力，使鍍層硬度下降。

同樣的，保持酸性化學(xué)鍍根本鍍液的其他組分不變，改變鍍液中納米ZrO2的添加量，分別為：1g/L，2g/L，3g/L，4g/L?？磮D3知，其結(jié)果與納米Al2O3濃度對(duì)鍍有復(fù)合鍍層鋼領(lǐng)的硬度影響趨勢(shì)一致。而鍍有納米ZrO2復(fù)合鍍層的鋼領(lǐng)的硬度相對(duì)只鍍有鎳磷鍍層鋼領(lǐng)的硬度提高了32%。

根據(jù)表2，保持酸性化學(xué)鍍根本鍍液的其他組分不變，一起加入納米Al2O3顆粒和納米ZrO2顆粒，將鍍有雙相納米復(fù)合鍍層的鋼領(lǐng)置于硬度計(jì)下進(jìn)行測(cè)試。由圖4可以看出，根據(jù)實(shí)驗(yàn)編號(hào)3得到的鍍有復(fù)合鍍層的鋼領(lǐng)硬度值達(dá)到最大值780HV，相對(duì)只鍍有鎳磷鍍層鋼領(lǐng)的硬度提高了56%，納米Al2O3加入量為4g/L，納米ZrO2加入量為3g/L。

表2 Al2O3/ZrO2兩種納米粒子的加入量

2.3 鍍有復(fù)合鍍層鋼領(lǐng)的組織結(jié)構(gòu)分析

對(duì)根據(jù)表2鍍覆得到的鍍有復(fù)合鍍層的鋼領(lǐng)，熱處理后進(jìn)行X射線(xiàn)衍射分析，熱處理溫度：400℃，時(shí)間：2h，如圖5所示。

觀(guān)察圖(a)可知，經(jīng)過(guò)熱處理后，在2θ=45°時(shí)出現(xiàn)了Ni的特征峰，衍射條寬化，向兩側(cè)漫開(kāi)來(lái)，復(fù)合鍍層由非晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)。在2θ=47°，52°處呈現(xiàn)了衍射峰，經(jīng)XRD衍射譜線(xiàn)標(biāo)定證明為Ni3P的特征峰，說(shuō)明熱處理后出現(xiàn)了新相。此外，在2θ=14°，29°，63°，71°處還分布著為一些強(qiáng)度不大的納米Al2O3衍射峰。從圖(b)(c(由實(shí)驗(yàn)編號(hào)3所得鍍層))中可以看出有Ni3P的衍射峰和納米粒子。

圖2 納米Al2O3不同濃度時(shí)鍍有復(fù)合鍍層鋼領(lǐng)的硬度值

圖3 納米ZrO2不同濃度時(shí)鍍有復(fù)合鍍層鋼領(lǐng)的硬度值

圖4 兩種納米粒子加入量不同時(shí)鍍有雙相納米粒子復(fù)合鍍層鋼領(lǐng)的硬度值

圖5 不同復(fù)合鍍層的XRD圖

2.4 鍍層耐磨性的測(cè)定

分別對(duì)鍍有單相粒子Al2O3、ZrO2、雙相粒子Al2O3/ZrO2鍍層的鋼領(lǐng)置于磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測(cè)定，載荷：50N，磨損失重結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，納米粒子承受載荷對(duì)犁削起到了阻擋作用，然而鍍層的耐磨性并非會(huì)一直增強(qiáng)，這是因?yàn)榛w嵌合納米顆粒的能力是有限的，而不是納米顆粒越多越好，超過(guò)了基體對(duì)納米粒子的嵌合能力，在磨損過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)納米粒子大量脫落的現(xiàn)象，磨損失重量增大。

圖6 鍍有3種不同復(fù)合鍍層鋼領(lǐng)的磨損失重量

在磨損試驗(yàn)條件相同情況下得到：鍍有雙相納米粒子復(fù)合鍍層的鋼領(lǐng)較鍍有單相納米粒子鍍層的鋼領(lǐng)，其磨損表面沒(méi)有出現(xiàn)分布連續(xù)的犁溝和嚴(yán)重的粘著撕裂，說(shuō)明其粘著磨損現(xiàn)象得到了改善，在其表面出現(xiàn)了由于磨屑的磨粒作用出現(xiàn)了輕微的磨痕，磨損機(jī)理轉(zhuǎn)向了磨粒磨損。

3 結(jié)論

(1)鍍有Ni-P-Al2O3-ZrO2的鋼領(lǐng)鍍層形貌平整且細(xì)膩，兩種納米粒子緊密的分布在鋼領(lǐng)基體表面的鍍層上。

(2)經(jīng)測(cè)定鍍有雙相納米粒子復(fù)合鍍層的鋼領(lǐng)的硬度比只鍍有鎳磷鍍層的鋼領(lǐng)的硬度提高了56%，比鍍有單相納米復(fù)合鍍層鋼領(lǐng)硬度提高的44%，32%都高。

(3)在配方編號(hào)為3，(4g/L 的Al2O3、3g/L 的ZrO2)鍍有雙相納米粒子Al2O3/ZrO2復(fù)合鍍層的鋼領(lǐng)的磨損失重量最小，而且其磨損形式轉(zhuǎn)向磨粒磨損。

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Preparation and properties studies of Ni-P-Al2O3-ZrO2composite coatings

LV Qianwei1,2, ZHAO Shihai1,2
(1.School of Mechanical Engineering,Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387; 2.Tianjin Key Laboratory of Advanced Mechatronics Equipment Technology, Tianjin 300387)

The Ni-P-Al2O3-ZrO2compositcoating was prepared by electroless plating on the surface of textile ring to impove the hardness and wear resistance.The suferce of the textile ringis smooth and delicate ,and the two kinds of nanoparticles are closely dispersed on the coating of the surface of the textile ring.The hardness of the textile ring with the composite coatings could reach the maximum 780HVin the microhardness tester and it compared with the basic nickel-phosphorus coating increased by 53%.The results by wear machinae show that the wear resistance of Al2O3/ZrO2composite coating improved and the wear form changes from adhesive wear to abrasive wear.

Ni-P-Al2O3-ZrO2Composite Coating for Biphasic Nanoparticles;hard;wear resistance

①呂前薇(1991- ),女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。②趙世海(1970- ),男，副教授，主要研究方向?yàn)樾滦图徔棛C(jī)械設(shè)計(jì)。

天津市科技支撐重點(diǎn)計(jì)劃項(xiàng)目(15ZCZDGX00840)