Al2O3濃度對柔性摩擦輔助電鍍Ni-Co復(fù)合鍍層性能的影響

摘 要：利用柔性摩擦輔助電沉積在炮鋼表面制備n-Al2O3/Ni-Co復(fù)合鍍層，研究鍍液中Al2O3濃度對Ni-Co復(fù)合鍍層的組織結(jié)構(gòu)和性能影響。結(jié)果表明，當(dāng)Al2O3為5 g·/L-1時(shí)，鍍層平均晶粒尺寸最?。?.6 nm），顯微硬度最大（573.28 HV）；腐蝕電化學(xué)研究表明，此時(shí)鍍層自腐蝕電位正移至-0.304 V，自腐蝕電流較小（1.313μA·/cm-22），耐腐蝕性較好。

關(guān) 鍵 詞：Al2O3濃度；Ni-Co復(fù)合鍍層；晶粒尺寸；顯微硬度；耐腐蝕性

中圖分類號：TG174.441 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號： 1004-0935（2024）08-00001156-0×4

Al2O3納米顆粒作為常見的硬質(zhì)顆粒[1]，其與Ni基親和性好[2]。該顆粒作為第二相惰性陶瓷顆粒有著有較好的硬度、耐蝕性和高溫耐受性[3-6]。武鋼[7]等人制備Ni-Co-Al2O3復(fù)合鍍層，研究發(fā)現(xiàn)Ni-Co-Al2O3復(fù)合鍍層具有較高的硬度、優(yōu)越的高溫耐磨性和抗高溫氧化性能。汪笑鶴[8]等人利用電刷鍍技術(shù)制備Ni-Co基Al2O3復(fù)合鍍層，研究發(fā)現(xiàn)鍍液中的納米顆粒小于100 nm時(shí)，鍍層組織的晶粒發(fā)生細(xì)化。

柔性摩擦形式兼具硬質(zhì)摩擦形式和包套摩擦形式的優(yōu)點(diǎn)：硬度高、耐磨性好、柔韌性好、易變性強(qiáng)。這些優(yōu)點(diǎn)使該材質(zhì)更加容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，從而提高鍍層質(zhì)量。呂鏢等人[9]系統(tǒng)地研究了不同材質(zhì)的柔性摩擦介質(zhì)對沉積層性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)生物鬃毛具有最佳的晶粒細(xì)化和缺陷抑制作用。卓威[10]等人研究動(dòng)柔性摩擦接觸壓力對鍍層性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)接觸壓力控制得當(dāng)時(shí)，納米晶鎳鍍層表面平整、致密，耐腐蝕性也得到顯著提高。

本文利用以上兩種技術(shù)制備n-Al2O3/Ni-Co復(fù)合鍍層，研究兩種技術(shù)的協(xié)同作用以及鍍液Al2O3濃度對鍍層性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)通過柔性摩擦輔助脈沖電沉積的方式制備樣品。制備樣品時(shí)所用到的柔性摩擦由刷板由豬鬃毛所制成。兩塊刷版平行且毛刷相對地固定于驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上，速度可由控制組件調(diào)節(jié)。在電解槽中，裝入陰極試樣的固定架并置于槽中間的卡槽之上使其在槽中心固定，雙陽極置于基體的兩側(cè)且與其平面平行，陽、陰極間距為50 mm，分別連接脈沖電源的正負(fù)極。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

基體（陰極）為炮鋼試樣（PCrNi3MoVA），化學(xué)成分如表1[11]所示。使用電火花線切割機(jī)將其切割成規(guī)格為20 mm×50 mm×3 mm的試樣以方便操作。陽極為鍍覆銥鉭涂層（IrO2+Ta2）的鈦網(wǎng)，規(guī)格為100 mm×100 mm×1 mm。

1.3 電鍍工藝

1.3.1 樣品前處理

基體經(jīng)240＃，600＃，1000＃，1500＃砂紙打磨，超聲波清洗5 min后用靜音無油機(jī)吹干。預(yù)處理：除油10min（80 ℃）→去離子水清洗（80 ℃）→去離子水清洗（室溫）→酸洗30 s→去離子水清洗（室溫）。

1.3.2 Ni-Co納米復(fù)合鍍層電鍍工藝

采用大舜電鍍設(shè)備有限公司生產(chǎn)的SMD-10P多脈沖電鍍電源，通過SY-DF3-5A磁力攪拌加熱鍋對鍍液進(jìn)行水浴加熱，溫度及攪拌速度均由該攪拌加熱鍋進(jìn)行調(diào)控。將刷板固定于驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上，通過速度扭矩調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的速度從而調(diào)控刷板在陰極表面摩擦的速度。工藝條件：溫度50 ℃，電鍍總時(shí)長60 min（預(yù)鍍10 min+刷鍍50 min），刷板相對速度13 m·min-1，鍍液pH值3.5，平均電流密度3 A·/dm-22。鍍液組成如表2所示。

1.4 鍍層表征

利用日本理學(xué)Ultima IV型X射線衍射儀（XRD）研究鍍層的物相結(jié)構(gòu)，Cu靶，管電壓為40 kV，管電流為40 mA，衍射角范圍為10 °～90°，掃描步長設(shè)置為5 /min；采用FUTURE-TECH CORP超微載荷顯微硬度計(jì)FM-300測定鍍層顯微硬度，取點(diǎn)5次求取平均值；采用CHI760E電化學(xué)工作站對不同工藝條件下制備的n-Al2O3/Ni-Co復(fù)合鍍層分別進(jìn)行電化學(xué)極化曲線測試和交流阻抗測試，兩項(xiàng)測試均在三電極體系中進(jìn)行，其中，納米復(fù)合鍍層為工作電極，飽和甘汞電極為參比電極，鉑電極為輔助電極。制作工作電極時(shí)將鍍層切割成測試面面積1 cm2的試樣。電化學(xué)測試使用的腐蝕液選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5wt.% NaCl溶液（pH=7）。交流信號幅值為5 mV；開路電位250 mV，掃描速率為0.3333 mV·/s-1。

2 結(jié)果討論

2.1 結(jié)構(gòu)檢測

圖1為不同Al2O3濃度下n-Al2O3/Ni-Co復(fù)合鍍層的XRD圖譜。由于Al2O3納米顆粒在電沉積過程中被Ni、Co包裹而被物相結(jié)構(gòu)分析儀掃到，導(dǎo)致無法在XRD圖譜中體現(xiàn)。在該圖中對照組（0 g·/L-1）與其他組對比可知，加入Al2O3納米顆粒鍍層的衍射峰發(fā)生寬化，說明鍍層晶粒細(xì)化，這是由于納米顆粒具備細(xì)晶強(qiáng)化的作用，即在電沉積過程中，Ni2+、Co2+與納米顆粒的結(jié)合可以改變原子核的數(shù)量和尺寸[12]。

圖2為不同Al2O3濃度下n-Al2O3/Ni-Co復(fù)合鍍層的平均晶粒尺寸。由上述分析可知，Al2O3納米顆粒細(xì)晶強(qiáng)化的作用促進(jìn)鍍層成核量，隨著Al2O3納米顆粒濃度的增大，鍍層晶粒有逐漸細(xì)化的趨勢，在5 g/L時(shí)納米復(fù)合鍍層的平均晶粒尺寸達(dá)到最小（9.6 nm），而在濃度為12.5 g/L時(shí)，鍍液環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞，其鍍層形貌有較多孔隙，晶粒尺寸雖稍有下滑但不明顯，可能是鍍層表面析氫嚴(yán)重從而生成氫氧化物的影響。

由上述分析可知，Al2O3納米顆粒細(xì)晶強(qiáng)化的作用促進(jìn)鍍層成核量，隨著Al2O3納米顆粒濃度的增大，鍍層晶粒有逐漸細(xì)化的趨勢，在5 g·L-1時(shí)納米復(fù)合鍍層的平均晶粒尺寸達(dá)到最?。?.6 nm），而在濃度為12.5 g·L-1時(shí)，鍍液環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞，其鍍層形貌有較多孔隙，晶粒尺寸雖稍有下滑但不明顯，可能是鍍層表面析氫嚴(yán)重從而生成氫氧化物的影響。

2.2 顯微硬度分析

圖3為不同Al2O3濃度下n-Al2O3/Ni-Co復(fù)合鍍層的顯微硬度，由圖可知隨著Al2O3濃度的增大，鍍層硬度先增大后減小，這是由于Al2O3納米顆?？娠@著提高鍍層硬度[13]。且硬度變化晶粒細(xì)化的趨勢一致，符合Hall-Petch關(guān)系。且當(dāng)Al2O3質(zhì)量濃度為5 g·L-1/L時(shí)鍍層的顯微硬度最大（573.28 HV）。這是由于在5 g·L-1/L時(shí)，鍍層中的Al2O3納米顆粒含量最多，而納米顆粒在異常共沉積過程中作為異質(zhì)形核點(diǎn)，使新晶核形成的概率提高、生長速率加快，同時(shí)阻礙了已有的晶核連續(xù)生長，細(xì)化晶粒的同時(shí)提高納米復(fù)合鍍層的致密性，進(jìn)而提高了納米復(fù)合鍍層的硬度[12]。有研究表明，納米顆粒增強(qiáng)鎳基復(fù)合鍍層的硬度隨復(fù)合鍍層中納米顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增大[14]，且粒子對位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)發(fā)生阻礙[15]，所以Al2O3質(zhì)量濃度為5 g·L-1/L時(shí)，n-Al2O3/Ni-Co復(fù)合鍍層的顯微硬度最大。而這也是不溶性納米顆粒和柔性摩擦對鍍層的協(xié)同作用結(jié)果。

2.3 電化學(xué)行為

不同Al2O3濃度條件下的n-Al2O3/Ni-Co復(fù)合鍍層極化曲線如圖4所示，據(jù)圖4可知，不同濃度下的n-Al2O3/Ni-Co復(fù)合鍍層均未存在鈍化現(xiàn)象，且腐蝕趨勢變化較為一致。通過計(jì)算分析得到的自腐蝕電位、自腐蝕電流及電阻如表3所示。

分析得出，與存在Al2O3納米顆粒鍍層相比，對照組（0 g·L-1/L）的鍍層耐腐性能相對較弱；且在Al2O3濃度為5 g·L-1/L時(shí)Ni-Co納米復(fù)合鍍層的耐蝕性較好，原因如下：1、）在自腐蝕電位中處于相對較低的水平，且自腐蝕電阻超出其他鍍層一個(gè)量級。而電阻與自腐蝕電流成反比，該鍍層自腐蝕電流也為最小。2、）納米顆粒的摻雜可提高鍍層的耐腐蝕性[16]。在該鍍層內(nèi)包裹著分散均勻Al2O3納米顆粒，在彌散強(qiáng)化的作用下，阻礙晶粒的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而優(yōu)化晶體結(jié)構(gòu)，減少鍍層的缺陷和空隙等[17]，使表面致密，耐腐蝕性增強(qiáng)。

在Al2O3濃度為2.5 g·L-1/L時(shí)，Al2O3顆粒大多鑲嵌于鍍層之上而未被包裹，導(dǎo)致其自腐蝕電位正移明顯。但隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，該鍍層的自腐蝕電流增大，極化電阻減小，鍍層耐腐蝕性能下降。Al2O3濃度為12.5 g·L-1/L時(shí)，由于Al2O3濃度較高時(shí)，鍍層表面生成Ni、Co類氫氧化物，使鍍層出現(xiàn)局部性的耐腐蝕性能變好，導(dǎo)致其自腐蝕電流較小，但該鍍層整體性能較差[18]。

43結(jié) 論（結(jié)束語）

本文在脈沖電沉積的基礎(chǔ)上，采用柔性摩擦技術(shù)，在不同的鍍液Al2O3濃度下制備了n-Al2O3/Ni-Co復(fù)合鍍層，研究Al2O3濃度對鍍層組織結(jié)構(gòu)以及性能的影響。得到如下結(jié)論：

1）鍍液Al2O3質(zhì)量濃度為5 g·L-1/L時(shí)制備的n-Al2O3/Ni-Co復(fù)合鍍層晶面衍射峰出現(xiàn)明顯寬化，并測得該鍍層晶粒尺寸最小（9.6 nm），因此顯微硬度值提高至573.28 HV；

2）通過腐蝕電化學(xué)研究表明，由于Al2O3納米顆粒彌散強(qiáng)化的作用，導(dǎo)致該鍍層晶界缺陷降低使自腐蝕電位正移（-0.304 V），自腐蝕電流最小（11.313 μA·/cm-2），具備較好耐腐蝕性。

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