占空比對(duì)脈沖電鍍Ni-Co-Al2O3-WS2?復(fù)合鍍層摩擦學(xué)性能的影響

摘 """""要：為提高CrNi3MoVA鋼的耐磨性能，用脈沖電沉積法在CrNi3MoVA鋼表面制備了Ni-Co-Al₂O₃-WS₂復(fù)合鍍層，利用掃描電鏡（SEM）和X射線衍射儀（XRD）分析鍍層的表面形貌和物相結(jié)構(gòu)，用納米壓痕儀和往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測試鍍層的納米力學(xué)性能與摩擦學(xué)性能。結(jié)果表明：Ni-Co-Al₂O₃-WS₂復(fù)合鍍層表面呈結(jié)節(jié)狀凸起，隨著占空比的增加，鍍層表面結(jié)節(jié)密度減少，（111）晶面擇優(yōu)取向更加明顯。占空比為0.1的復(fù)合鍍層擁有最高的硬度7.24 GPa，最低的平均摩擦系數(shù)0.38和體積磨損率1.52×10^-4"mm³·（N·m）^-1。鍍層中的n-Al₂O₃顆粒會(huì)支撐在摩擦面上減少摩擦副間的接觸面積，同時(shí)與n-WS₂顆粒與在剪切作用下脫落形成潤滑膜，發(fā)揮協(xié)同減磨作用提高鍍層摩擦學(xué)性能。

關(guān) "鍵 "詞：Ni-Co-Al₂O₃-WS₂復(fù)合鍍層；脈沖電沉積；占空比；摩擦學(xué)性能

中圖分類號(hào)：TG174.441"""""文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A """"文章編號(hào)： 1004-0935（2024）07-0993-0×

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隨著時(shí)代的發(fā)展，傳統(tǒng)材料的效能已經(jīng)無法滿足工業(yè)與裝備制造領(lǐng)域?qū)σ啄p零件的防護(hù)要求，鍍覆合金涂層作為材料表面防護(hù)的有效手段備受研究者的關(guān)注。其中，Ni-Co二元合金鍍層由于其高硬度、良好的結(jié)合強(qiáng)度和優(yōu)異的耐磨性被廣泛用于摩擦學(xué)應(yīng)用中^[1]。此外，在Ni-Co合金鍍層中添加硬質(zhì)耐磨顆?；蚓哂懈邼櫥缘能涱w?？墒蛊淞W(xué)性能和摩擦學(xué)性能進(jìn)一步加強(qiáng)，例如Al₂O₃、SiC、MoS₂、WS₂等^[2-5]。脈沖電沉積技術(shù)是制備金屬基復(fù)合鍍層的最常用方法，脈沖電流導(dǎo)通期內(nèi)吸附在陰極的雜質(zhì)與氫可以在電流關(guān)斷時(shí)間內(nèi)回到鍍液中，相比直流電沉積，可以獲得致密性好、晶粒細(xì)小、硬度與耐磨性性能優(yōu)異的鍍層^[6-7]，同時(shí)通過調(diào)節(jié)脈沖參數(shù)可以對(duì)鍍層的組織與性能進(jìn)行控制。本文利用脈沖電沉積技術(shù)在CrNi3MoVA高強(qiáng)度鋼表面制備Ni-Co-Al₂O₃-WS₂復(fù)合鍍層，研究脈沖占空比對(duì)復(fù)合鍍層表面形貌、物相結(jié)構(gòu)、納米力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能的影響。

1 "實(shí)驗(yàn)部分

1.1 "鍍層制備

基體材料為CrNiMoVA高強(qiáng)度鋼，尺寸為20 mm×50 mm×2 mm，其化學(xué)成分表如表1所示。在電沉積前，將基材表面按240#、600#、1000#、1500#砂紙依次打磨，打磨好后分別置于丙酮、酒精中超聲清洗15 min，然后在10 g·L^-1"Na₂CO₃+10"g·L^-1"Na₃PO₄+10 g·L^-1"Na₂SiO₃堿洗液中除油10 min，最后在1% HCl+1% H₂SO₄的酸洗液中活化30 s。

選用上海麥克林生化科技有限公司生產(chǎn)的Al₂O₃顆粒（平均粒徑30～50 nm）與WS₂顆粒（平均粒徑100 nm），純度高于99.9%。鍍液組成為：六水合硫酸鎳（NiSO₄·6H₂O）180～200 g·L^-1，七水合硫酸鈷（CoSO₄·7H₂O）30～35 g·L^-1，六水合氯化鎳（NiCl₂·6H₂O）40～45 g·L^-1，硼酸（H₃BO₃）30～35 g·L^-1，糖精（C₇H₅NO₃S）2～2.5 g·L^-1，十二烷基硫酸鈉（C₁₂H₂₅NaSO₄）0.08～0.11 g·L^-1，十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）0.08～0.11 g·L^-1，n-Al₂O₃顆粒5 g·L^-1，n-WS₂顆粒5 g·L^-1。以鍍覆銥鉭涂層的鈦網(wǎng)作為雙陽極，陰極為紫銅片。電源為大舜電鍍設(shè)備有限公司生產(chǎn)的脈沖電鍍電源，鍍液溫度由集加熱控溫和攪拌于一體的磁力攪拌水浴鍋控制，電沉積過程具體工藝參數(shù)如表2所示。

1.2 "表征與測試

采用日立S-3400N掃描電鏡和日本理學(xué)Ultima IV型X射線衍射儀（XRD）對(duì)鍍層的微觀形貌和物相結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征檢測，X射線衍射儀掃描范圍為10°～100°，掃描速度10°·min^-1。采用美國安捷倫G200納米壓痕儀測量復(fù)合鍍層的硬度與彈性模量，泊松比選擇0.3，壓入深度為1"000 nm。利用HSR-2M 型高速往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)研究鍍層的摩擦學(xué)性能，試驗(yàn)所用摩擦副為直徑4 mm的GCr15鋼球（HRC61～63），載荷為5 N，滑動(dòng)行程為5 mm，滑動(dòng)時(shí)間15 min，環(huán)境溫度為25 ℃。采用奧林巴斯OLS4100型3D激光顯微鏡測試鍍層的磨損深度，結(jié)合磨痕長度與寬度計(jì)算體積磨損率。體積磨損率評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)為：

W=V/L·S"""""""""""""（1）

式中：W—體積磨損率；

V—磨損體積，mm³；

L—加載載荷，N；

S—滑動(dòng)位移，m。

2 "結(jié)果與討論

2.1 "微觀形貌

圖1為鍍液中不同脈沖占空比條件下沉積的Ni-Co-Al₂O₃-WS₂復(fù)合鍍層的表面形貌。從圖中可以明顯看出，復(fù)合鍍層表面粗糙，均呈現(xiàn)不規(guī)則“結(jié)節(jié)狀”凸起，這是由于WS₂顆粒的堆積形成的。在占空比0.1條件下，復(fù)合鍍層表面沉積的WS₂最多，結(jié)節(jié)也更加緊密。隨著占空比的增加，鍍層表面WS₂結(jié)節(jié)的高度和密度降低。原因是單位周期內(nèi)導(dǎo)通時(shí)間延長后，陰極與鍍液界面處因反應(yīng)而消耗的離子得不到有效的補(bǔ)充，濃差極化^[8]現(xiàn)象加劇，金屬離子不能及時(shí)地運(yùn)動(dòng)到陰極附近將吸附在陰極表面的納米顆粒包埋進(jìn)鍍層內(nèi)，從而導(dǎo)致納米顆粒的含量下降。同時(shí)增大占空比后峰值電流密度會(huì)降低，提供電沉積過程的能量減小，也不利于顆粒沉積^[9]。

2.2 "物相結(jié)構(gòu)

圖2是不同脈沖占空比下Ni-Co-Al₂O₃-WS₂復(fù)合鍍層的XRD圖譜。復(fù)合鍍層在14.4°均出現(xiàn)WS₂顆粒的（002）密排六方結(jié)構(gòu)衍射峰，說明WS₂被成功包覆進(jìn)鍍層內(nèi)，其他位置為Ni-Co鍍層典型的（111）、（200）和（220）面心立方晶體結(jié)構(gòu)衍射峰。由于Al₂O₃顆粒含量相對(duì)較少，并且大部分被結(jié)晶的Ni、Co包裹住而未被檢測到，因此圖譜中Al₂O₃特征峰強(qiáng)度較低，并不明顯。值得注意的是，隨著占空比的增加，Ni-Co鍍層（111）晶面的衍射峰強(qiáng)度增強(qiáng)，擇優(yōu)取向更明顯。這是由于隨著脈沖占空比的提高，鍍層內(nèi)納米顆粒含量下降，導(dǎo)致大部分的Ni-Co鍍層晶體結(jié)構(gòu)被檢測出來。

2.3 "納米力學(xué)性能

不同脈沖占空比下Ni-Co-Al₂O₃-WS₂復(fù)合鍍層的硬度與彈性模量如圖3所示。在較低占空比0.1條件下，復(fù)合鍍層的硬度為最大值，高達(dá)7.24 GPa，彈性模量為212.5 GPa。當(dāng)占空比較小時(shí)，陰極表面附近得到有效補(bǔ)充的金屬離子濃度更高，晶粒成核速率增大，晶核數(shù)目增多，晶粒更細(xì)小，鍍層的強(qiáng)度和硬度也會(huì)提高^[10]。另外，由于Al₂O₃顆粒為硬質(zhì)陶瓷顆粒，低占空比下有更多的Al₂O₃顆粒的彌散分布鍍層晶界處，晶界密度增大阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，使鍍層的硬度更高。而增大導(dǎo)通時(shí)間后除了不利于消除濃差極化，還會(huì)降低脈沖峰值電流密度，形成粗晶、孔隙率高、致密性差的復(fù)合鍍層^[11]。故占空比提高后，鍍層的硬度與彈性模量均有所降低，占空比為0.9的鍍層硬度最低，為5.77 GPa。

2.4 "摩擦學(xué)性能

圖4為不同占空比條件下Ni-Co-Al₂O₃-WS₂鍍層的平均摩擦系數(shù)及體積磨損率。從圖中可以看出，在0.1占空比下，鍍層擁有最低的平均摩擦系數(shù)0.38和體積磨損率1.52×10^-4"mm³·（N·m）^-1，耐磨性最好。結(jié)合圖5復(fù)合鍍層的磨損形貌可知，此條件下鍍層磨損機(jī)制為輕微的黏著磨損和磨粒磨損。這是由于占空比較小的條件下鍍層內(nèi)部會(huì)包埋有更多的納米WS₂和Al₂O₃顆粒，WS₂顆粒的層狀結(jié)構(gòu)形成低強(qiáng)度剪切潤滑膜^[12]，保證鍍層低摩擦系數(shù)。Al₂O₃顆粒填補(bǔ)摩擦面縫隙并作為介質(zhì)支撐在鋼球與摩擦面間，保證鍍層的耐磨性，在二者的協(xié)同作用下提高鍍層的摩擦學(xué)性能。而當(dāng)占空比提高后，鍍層的平均摩擦系數(shù)與體積磨損率有所升高，其中占空比0.9時(shí)鍍層摩擦系數(shù)升至0.57，磨損痕跡顯示此時(shí)磨痕內(nèi)粘著磨損嚴(yán)重，條狀犁溝明顯，伴隨疲勞磨損造成的剝落現(xiàn)象，耐磨性較差。

平均摩擦系數(shù)及體積磨損率

3 "結(jié)論

采用脈沖電沉積技術(shù)成功制備Ni-Co-Al₂O₃- WS₂復(fù)合鍍層，研究了脈沖占空比復(fù)合鍍層組織形貌、物相結(jié)構(gòu)、納米力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能的影響。得出以下結(jié)論：

1）通過共沉積工藝，n-WS₂顆粒與n-Al₂O₃顆粒成功嵌入并分布在Ni-Co-Al₂O₃-WS₂復(fù)合鍍層中，鍍層表面呈現(xiàn)不規(guī)則結(jié)節(jié)狀凸起形貌，隨著占空比的增加，鍍層結(jié)構(gòu)沿（111）方向擇優(yōu)生長。

2）占空比為0.1的Ni-Co-Al₂O₃-WS₂復(fù)合鍍層納米擁有最高的硬度7.24 GPa，最低的平均摩擦系數(shù)0.38和體積磨損率1.52×10^-4 mm³·（N·m）^-1，耐磨性最佳。

3）摩擦磨損過程中，復(fù)合鍍層中的n-WS₂顆粒會(huì)在剪切力的作用下脫落并填補(bǔ)在摩擦面縫隙處形成潤滑膜，n-Al₂O₃顆粒支撐在摩擦面上起到“微滾珠”作用，減少摩擦副間的實(shí)際接觸面積，發(fā)揮協(xié)同減磨作用提高鍍層耐磨性。

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Effect of Pulse Duty Cycle on the Tribological Properties of

Ni-Co-Al₂O₃-WS₂"Composite Coating

ZHAO Lang "JIN Hao TAO Shao-hu LV LYU"Biao LIU Quan "GUO Ce'-an

（1."Shenyang Ligong University， Shenyang"Liaoning Province"Shenyang 郵編110159，，"China；;

2. Taiyuan Satellite Launch Center， Shanxi Province"Xinzhou Shanxi Province"郵編036304，，"China）

Abstract：""Ni-Co-Al₂O₃-WS₂"composite coating was prepared on the surface of CrNi3MoVA steel by pulse electrodeposition to improve the wear resistance of CrNi3MoVA steel. The surface morphology and phase structure of the coating were analyzed using scanning electron microscopy （SEM） and X-ray diffraction （XRD）， and the nano mechanical and tribological properties of the coating were tested using a nanoindentation instrument and a reciprocating friction and wear tester. The results showed"that the surface of the Ni-Co-Al₂O₃-WS₂"composite coating exhibits exhibited"nodular protrusions. With the increase of the duty cycle， the density of nodules on the coating surface decreasesdecreased， and the preferred orientation of the （111） crystal plane becoames"more obvious. The composite coating with a duty cycle of 0.1 has had"the highest hardness of 7.24 GPa， the lowest average friction coefficient of 0.38， and a wear rate of """"""1.52×10^-4"mm³·（N·m）^-1. The n-Al₂O₃"particles in the coating will can"support on the friction surface to reduce the contact area between the friction pairs， and at the same time， they will can"detach with the n-WS₂"particles under shear to form a lubricating film， exerting a synergistic anti wear effect to improve the tribological performance of the coating.

Key words：""Ni-Co-Al₂O₃-WS₂"composite coating; Pulse electrodeposition; Duty cycle; Tribological properties