(Ni-P)-Al2O3納米微粒復合鍍層硬度和耐磨性測試

常京龍， 吳慶利

(1.天津冶金職業技術學院機械工程系，天津 300400;2.大連機床集團，遼寧大連 116620)

(Ni-P)-Al2O3納米微粒復合鍍層硬度和耐磨性測試

常京龍1， 吳慶利2

(1.天津冶金職業技術學院機械工程系，天津 300400;2.大連機床集團，遼寧大連 116620)

為了改進鋼材表面性能，采用復合化學鍍技術制備(Ni-P)-Al2O3納米微粒復合鍍層，由于納米微粒獨特的物理化學特性致使使得到的復合鍍層具有多種優良性能。通過Ni-P合金鍍層、(Ni-P)-Al2O3納米微粒復合鍍層和熱處理后的(Ni-P)-Al2O3納米微粒復合鍍層硬度和耐磨性能測試，得出(Ni-P)-Al2O3納米微粒復合鍍層尤其是熱處理后其硬度和耐磨性能得到很大的改善。

(Ni-P)-Al2O3納米微粒復合鍍層;硬度;耐磨性

引 言

現代科技進步對鋼材的表面性能要求越來越高，很多重要零件普通鋼材不能滿足使用要求［1-2］。為此研究改進鋼鐵零件表面性能的技術和方法，且取得浸鍍、噴涂或拋光等眾多豐富成果，這些處理方法得到的零件表面存在的不足，不能更好地滿足生產需要，因此必須探索金屬材料改性新途徑。

近年來，納米材料的應用研究是國內外材料領域研究的一個熱點，在改善鋼材表面性能方面也取得一些新的應用成果［3-4］。納米復合化學鍍是正處于不斷完善、深化和發展之中的新技術，它是在化學鍍液中加入不溶性納米微粒，通過納米微粒與基質金屬共沉積得到具有新型優質特性納米復合鍍層［5-6］。目前納米復合化學鍍過程中有些現象原因還不明確，例如對納米粒子在鍍液中懸浮和沉積并鑲嵌在鍍層中的機理還沒有達成共識。改變鍍液成分和更換納米微粒種類可制備出性能各異的納米復合鍍層，用于滿足生產實際不同需要。

本文對納米復合化學鍍制備的(Ni-P)-Al2O3納米微粒復合鍍層進行硬度和耐磨性測試，得出該復合鍍層經過熱處理后具有更高硬度、更強的耐磨性。

1 (Ni-P)-Al2O3納米微粒復合化學鍍工藝與特點

1.1 (Ni-P)-Al2O3納米微粒復合鍍原理與工藝

電化學理論認為，硫酸鎳化學鍍溶液在還原劑NaH2PO2的作用下，在具有催化活性鋼材基體表面上，鎳離子被還原成單質鎳，H2PO2-被氧化成H2PO3-離子，部份 H2PO2-離子被還原成磷，獲得鎳-磷合金鍍層。在鍍液中加入Al2O3納米微粒，Al2O3納米微粒和鎳-磷合金共沉積得到(Ni-P)-Al2O3納米微粒復合鍍層。制備時需要在鍍液中添加絡合劑、緩沖劑和表面活性劑，以保證正常沉積速度和鍍層質量。

復合化學鍍(Ni-P)-Al2O3納米微粒復合鍍液的組成及操作條件為:2 g/L Al2O3納米微粒，25 g/L NiSO4·6H2O，20 g/L NaH2PO2·H2O，15 mL C3H6O3，5 g/L C6H8O7，15 g/L CH4COONa，0.2 mg/L C4H6CO4Pb，150 mg/L十二烷基硫酸鈉，θ為84～86℃，pH 為 4.6。

制備時先將基體鋼材清洗除銹、打磨拋光、酸洗、除油和活化，按照要求和程序配制鍍液并加熱到工藝規定的溫度，將基體鋼材置于鍍液中。鍍液置于恒溫水浴中，用電動攪拌器以轉速為120 r/min均勻攪拌，輔以通斷比為1∶4間歇超聲波，復合化學鍍(Ni-P)-Al2O3納米微粒復合鍍層。施鍍完成后取出鍍件并清洗烘干放入高溫電爐進行恒溫熱處理，改變(Ni-P)-Al2O3納米微粒復合鍍層組織結構，消除應力，提高硬度和耐磨性。

1.2 (Ni-P)-Al2O3納米微粒復合鍍層結構與工藝特點

(Ni-P)-Al2O3納米微粒復合鍍層表面形貌如圖1所示。由圖1可以看出，鍍層表面比較均勻地分布大量Al2O3納米微粒，納米微粒尺寸在100～200 nm之間，有少量100 nm以下，存在輕微團聚現象。

(Ni-P)-Al2O3納米微粒復合鍍層具有多相結構，Ni-P合金鍍層中金屬的晶粒大大細化，熱處理后出現新相;(Ni-P)-Al2O3納米微粒復合鍍層除因硬度提高而耐磨性增強外，耐腐蝕耐高溫性能也得到很大改善，高載荷時鍍層的耐磨性更明顯;鍍層的耐磨性不但與其硬度有關，也與表面狀況和組織結構直接相關［6-7］。

化學鍍工藝與鍍層性能的特點為［7-9］:1)熱處理對復合鍍層性能影響很大;2)納米微粒尺寸越小得到的復合鍍層的硬度和耐磨性能越好;3)保證納米微粒均勻、穩定分散懸浮在鍍液中很關鍵，必須選擇合適的納米粒子分散方法;4)鍍液中Al2O3納米粒子和表面活性劑含量、鍍液溫度與pH等因素明顯影響復合鍍層的制備和顯微硬度;5)鍍件表面前處理直接影響鍍層質量;6)Al2O3納米微粒共沉積機理有待明確。

圖1 復合鍍層微觀形貌

2 (Ni-P)-Al2O3納米微粒復合鍍層硬度測試

使用HX-200型顯微硬度計(寧夏吳忠微型試驗機廠生產)測試鍍層顯微硬度。

2.1 熱處理溫度對鍍層硬度的影響

將鍍件在電爐中進行回火后空冷處理，測試工藝條件下制備的Ni-P合金鍍層和(Ni-P)-Al2O3納米微粒復合鍍層在不同溫度熱處理1 h的顯微硬度，得硬度隨溫度變化曲線如圖2所示:

圖2 鍍層硬度隨熱處理溫度變化

由圖2得出:(Ni-P)-Al2O3納米微粒復合鍍層硬度高于Ni-P合金鍍層，隨著熱處理溫度的升高，兩種鍍層硬度都得到提高，(Ni-P)-Al2O3納米微粒復合鍍層硬度提高更大，且400℃左右熱處理兩種鍍層同時達到最高硬度，隨后開始下降。熱處理有效提高(Ni-P)-Al2O3納米微粒復合鍍層的硬度。

2.2 鍍液中Al2O3納米微粒對鍍層硬度的影響

分別測試鍍液中不同ρ(Al2O3)下制備的(Ni-P)-Al2O3納米微粒復合鍍層顯微硬度，包括未經熱處理和經過400℃ 1 h熱處理兩種類型，得到鍍層硬度隨Al2O3納米微粒質量濃度變化曲線，如圖3所示:

從圖3得出，經過熱處理的(Ni-P)-Al2O3納米微粒復合鍍層硬度得到很大提高。隨著鍍液中Al2O3納米微粒粒子質量濃度的增加，兩種鍍層的硬度都增大，且當ρ(Al2O3)為2 g/L均達到最大值，繼續提高Al2O3粒子的質量濃度鍍層硬度逐漸下降。

圖3 鍍層硬度隨納米ρ(Al2O3)的變化

3 (Ni-P)-Al2O3納米微粒復合鍍層耐磨性測試

在MMW-1A萬能摩擦磨損試驗機上進行線接觸干摩擦對摩試驗。天津市天馬儀器有限公司生產的TD2001電子天平測量鍍層磨損質量。

試驗的下試樣為GCr15淬火鋼環，上試樣是復合鍍層試件;載荷30 N，鋼環轉速150 r/min，對摩t為10 min。

3.1 熱處理溫度對鍍層耐磨性的影響

分別測試合理工藝條件下制備的Ni-P合金鍍層和(Ni-P)-Al2O3納米微粒復合鍍層在不同溫度熱處理1 h對磨的磨損質量(△m)，得磨損量隨熱處理溫度變化曲線，如圖4所示:

圖4 鍍層耐磨性隨熱處理溫度的變化

從圖4得出，(Ni-P)-Al2O3納米微粒復合鍍層耐磨性優于Ni-P合金鍍層。隨著熱處理溫度的提高，復合鍍層的耐磨性逐漸增強，當達到400℃左右時，磨損質量最小，耐磨性最強，隨著熱處理溫度進一步上升，復合鍍層磨損質量增大即耐磨性降低。說明(Ni-P)-Al2O3納米微粒復合鍍層耐磨性得到有效強化，熱處理后耐磨性得到進一步增強。

3.2 鍍液中Al2O3納米微粒對鍍層耐磨性的影響

分別測試鍍液中不同ρ(Al2O3)條件下制備的(Ni-P)-Al2O3納米微粒復合鍍層磨損質量，包括未經熱處理和經過400℃ 1 h熱處理兩種類型，得到鍍層耐磨性隨Al2O3粒子質量濃度變化曲線，如圖5所示:

圖5 鍍層耐磨性隨ρ(Al2O3)的變化

由圖5得到，熱處理后(Ni-P)-Al2O3納米微粒復合鍍層耐磨性得到顯著增強。鍍層的耐磨性與鍍液中的Al2O3納米微粒粒子質量濃度關系密切，隨著鍍液中Al2O3納米微粒粒子質量濃度的增加，兩種鍍層的耐磨性都增強，且當Al2O3納米微粒質量濃度2 g/L時耐磨性最強，繼續提高Al2O3納米微粒質量濃度，耐磨性開始逐漸下降。

3.3 熱處理后復合鍍層的摩擦系數

圖6為合理工藝條件下制備的(Ni-P)-Al2O3納米微粒復合鍍層熱處理前后摩擦系數變化對比:

圖6 復合鍍層摩擦系數變化

從圖6得出，(Ni-P)-Al2O3納米微粒復合鍍層400℃熱處理1 h后和未熱處理相比摩擦系數明顯減小，且波動幅度不大，熱處理后(Ni-P)-Al2O3納米微粒復合鍍層耐磨性得到改善。

4 結論

1)與Ni-P合金鍍層相比，(Ni-P)-Al2O3納米微粒復合鍍層具有較高的硬度、耐磨損性能，且經熱處理還能得到更顯著提高。

2)優化制備工藝條件和選擇合理熱處理溫度能夠得到性能良好的(Ni-P)-Al2O3納米微粒復合鍍層。

3)采用復合化學鍍技術制備(Ni-P)-Al2O3納米微粒復合鍍層有效改進鋼材表面性能，具有推廣使用價值。

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Hardness and Wear Resistance of(Ni-P)-Al2O3Nanoparticle Composite Coating

CHANG Jing-long1，WU Qing-li2
(1.Department of Mechanical Engineering，Tianjin Metallurgical Vocation-Technolgy lnstitute，Tianjin 300400，China;2.Dalian Machine Tool Group Corporation，Dalian 116620，China)

In order to improve the surface performance of steel，(Ni-P)-Al2O3nanoparticle composite coating was prepared by composite plating technology on steel because of its unique physical and chemical properties.And the hardness and wear resistance of conventional Ni-P coating，(Ni-P)-Al2O3nanoparticle composite coating before and after heat treatment were determined.The results show that the hardness and wear resistance of(Ni-P)-Al2O3nanoparticle composite coating especially after heat treatment were greatly improved.

(Ni-P)-Al2O3nanoparticle composite coating;hardness;wear resistance

TG174.44

A

1001-3849(2011)10-0013-04

2011-07-26

2011-08-25