沉積方式對N i-SiC鍍層形貌和性能的影響

夏法鋒，田濟語，許秀英（東北石油大學機械科學與工程學院，黑龍江大慶163318）

沉積方式對N i-SiC鍍層形貌和性能的影響

夏法鋒，田濟語，許秀英
（東北石油大學機械科學與工程學院，黑龍江大慶163318）

采用直流電鍍、脈沖電鍍和超聲波-脈沖電鍍方法，在20鋼表面制備Ni-SiC陶瓷復合鍍層。利用原子力顯微鏡(AFM)、掃描電鏡(SEM)、顯微硬度計以及摩擦磨損試驗機研究沉積方式對Ni-SiC陶瓷復合鍍層顯微組織及摩擦學性能的影響。結果表明，采用超聲波-脈沖電鍍制備所得的鍍層晶粒更加細小，組織致密性更高、組織表面更加光滑，SiC陶瓷粒子均勻分布、無明顯團聚。其最大顯微硬度為926.5 Hv，摩擦系數最小值為0.33，且鍍層的撕裂情況較輕，犁溝較淺。

電鍍；Ni-SiC鍍層；摩擦學性能

隨著當今復合鍍層領域的飛速發展，金屬陶瓷復合鍍層的制備及其發展受到了諸多學者的關注［1］。Ni-SiC陶瓷復合鍍層是將陶瓷粒子引入Watt型鍍鎳液中，通過電鍍工藝制備得到具有較高的耐磨性和抗高溫氧化性等多種優良特性的鎳基鍍層。SiC陶瓷粒子是一種具有較強抗氧化性、較高硬度、較好耐磨性能以及較小熱膨脹系數的陶瓷材料，其在機械、化工以及航空航天等多種領域已得到廣泛應用［2,3］。目前，有關沉積方式對Ni-SiC陶瓷復合鍍層形貌和性能影響的研究相對較少。因此，本文采用直流電鍍、脈沖電鍍以及超聲波-脈沖電鍍等三種電鍍方法，在20鋼基體表面上制備Ni-SiC陶瓷復合鍍層，利用原子力顯微鏡(AFM)、掃描電鏡(SEM)、顯微硬度計以及摩擦磨損試驗機研究沉積方式對Ni-SiC陶瓷復合鍍層顯微組織及摩擦學性能的影響，以獲得最佳的沉積方式，為Ni-SiC陶瓷復合鍍層的實際應用提供相應的技術基礎［4,5］。

1　制備方法

1.1基體前處理

基體材料選用20鋼，其尺寸為25mm×15mm×5 mm。通過機械拋光處理，使得基體的表面粗糙度在0.1 m左右。在電鍍加工開始之前，將基體進行前處理，其工序包括：除油(CH3COCH3)、除銹、活化(10%稀鹽酸10s左右)、去離子水清洗等。

1.2鍍層制備

Ni-SiC陶瓷復合鍍層的增強相采用純度為99.98%、粒徑為40 nm的SiC陶瓷粒子，在Watt型鍍鎳液中添加10g/L。Watt型鍍鎳液的配方有：270g/L NiSO4·6H2O，40g/L NiCl2·H2O，25g/L H3BO3，0.25g/L C12H25SO4Na。直流電鍍Ni-SiC陶瓷復合鍍層的工藝參數如下：電流密度4 A/dm2、電鍍時間45min；脈沖電鍍Ni-SiC陶瓷復合鍍層的工藝參數如下：電流密度4 A/dm2、脈沖頻率110 kHz、脈沖占空比65%、電鍍時間45min；超聲波-脈沖電鍍Ni-SiC陶瓷復合鍍層的工藝參數如下：超聲波功率180W、電流密度4 A/dm2、脈沖頻率110 kHz、脈沖占空比65%、電鍍時間45 min。

1.3鍍層表征及性能測試

通過原子力顯微鏡(NanoScope IIIa型)對Ni-SiC陶瓷復合鍍層的立體形貌進行觀察；通過掃描電鏡（JSM-6460LV型）對Ni-SiC陶瓷復合鍍層的表面狀態進行分析；通過顯微硬度計（HX-1型）對鍍層的硬度進行檢測，其施加的載荷為100 g，時間為35 s；通過摩擦磨損試驗機（MMW-1型）對Ni-SiC陶瓷復合鍍層進行摩擦學性能分析，其施加的載荷為25 N，試驗時間為100min，轉速為520 r/min，摩擦副為淬火鋼(硬度為HRC55)。

2　結果與討論

2.1鍍層微觀形貌分析

圖1　 Ni-SiC鍍層的AFM照片Fig.1 AFmimages ofNi-SiC ceramic composite coatings

圖1為直流電鍍、脈沖電鍍以及超聲波-脈沖電鍍Ni-SiC陶瓷復合鍍層的原子力顯微鏡（AFM）照片。由圖可見：沉積方式對Ni-SiC陶瓷復合鍍層的表面形貌影響較大。直流電鍍沉積所得的鍍層表面晶粒較為粗大、組織不致密；而在脈沖電鍍和超聲波-脈沖電鍍制備所得的鍍層中，金屬晶粒的細化程度較高，組織致密性得到改善。尤其是超聲波-脈沖電鍍制備所得的鍍層晶粒更加細小，組織致密性更高、組織表面更加光滑，SiC陶瓷粒子均勻分布、無明顯團聚。這表明隨著脈沖電流的引入，電化學極化現象得到提高，晶核的形成速度大于晶粒生長速度，進而金屬晶粒得到細化。同時，由于超聲波具有獨特的空化效應，使得體積較大的鎳晶粒被粉碎，進而增加鎳晶核數量，還對SiC陶瓷粒子團聚進行抑制，使其在鍍層中均勻分散。

2.2鍍層顯微硬度測定

圖2　 Ni-SiC陶瓷復合鍍層的動態顯微硬度曲線Fig.2 microhardness dynamic curves of Ni-SiC ceramic composite coatings

直流電鍍、脈沖電鍍以及超聲波-脈沖電鍍Ni-SiC陶瓷復合鍍層的動態顯微硬度曲線如圖2所示。由圖2可見，復合鍍層的顯微硬度隨電鍍時間的增加而增大。當電鍍時間在10～20min時，鍍層顯微硬度的增加趨勢較為迅速。其原因為20鋼基體鍍覆Ni-SiC陶瓷復合鍍層后，高硬度的SiC陶瓷粒子引入，使基體的硬度迅速增加。當電鍍時間在20～50min時，隨著復合鍍層中SiC陶瓷粒子復合量的增加，使得鍍層的顯微硬度不斷增大。而超聲波-脈沖電鍍Ni-SiC陶瓷復合鍍層顯微硬度的增加量最大，最大值為926.5 Hv。即超聲波可促進SiC陶瓷顆粒在鍍層中超聲波可促進SiC陶瓷顆粒在鍍層中的均勻分布，對SiC粒子的彌散強化效應起到增強作用。因此，超聲波-脈沖電鍍Ni-SiC陶瓷復合鍍層的顯微硬度得到明顯提高。

2.3鍍層摩擦學性能分析

圖3　 Ni-SiC陶瓷復合鍍層的摩擦系數曲線Fig.3 The fric tion coefficien t curves of Ni-SiC ceramic composite coatings

直流電鍍、脈沖電鍍以及超聲波-脈沖電鍍Ni-SiC陶瓷復合鍍層的摩擦系數曲線如圖3所示。由圖3可見，鍍層在經過20min的磨損后，其摩擦系數趨于穩定。3種制備方法制備Ni-SiC陶瓷復合鍍層的平均摩擦系數分別為0.64、0.56和0.33。由此可知超聲波-脈沖電鍍Ni-SiC陶瓷復合鍍層的摩擦系數最小。這是因為超聲波、脈沖電流可細化基質鎳晶，使SiC陶瓷粒子在鍍層均勻分散，因此鍍層具有較小的粗糙度，進而其摩擦系數較小。

圖4　 Ni-SiC陶瓷復合鍍層的磨損后SEM照片Fig.4 SEmimages of Ni-SiC ceramic composite coatings after ab rasion

Ni-SiC陶瓷復合鍍層試樣在摩擦磨損試驗機（MMW-1型）上試驗100min后，通過掃描電鏡對其進行觀察，結果如圖4所示。3種鍍層磨損表面均存在撕裂和剝落現象。其中，直流電鍍和脈沖電鍍制備所得的Ni-SiC陶瓷復合鍍層撕裂情況嚴重，具有較深的犁溝；而超聲波-脈沖電鍍鍍層的撕裂情況較輕，犁溝較淺。這是因為超聲波、脈沖電流對SiC陶瓷粒子的分散起到促進作用，進而提高鍍層的承載能力，改善鍍層的抗磨性能。

3　結論

a.沉積方式對Ni-SiC陶瓷復合鍍層的形貌有較大影響。超聲波-脈沖電鍍鍍層晶粒更加細小，組織更加致密、光滑，SiC陶瓷粒子均勻分布、無明顯團聚。

b.Ni-SiC陶瓷復合鍍層的顯微硬度隨電鍍時間的增加而增大，超聲波-脈沖電鍍Ni-SiC陶瓷復合鍍層顯微硬度的增加程度最明顯，其最大顯微硬度為926.5 Hv。

c.直流電鍍、脈沖電鍍和超聲波-脈沖電鍍Ni-SiC陶瓷復合鍍層的平均摩擦系數分別為0.64、0.56和0.33。直流電鍍和脈沖電鍍制備所得的Ni-SiC陶瓷復合鍍層撕裂情況嚴重；而超聲波-脈沖電鍍鍍層的撕裂情況較輕，犁溝較淺。

［1］吳化，陳濤，王慶輝.電沉積Ni-SiC納米復合鍍層的顯微組織分析［J］.材料工程，2011，（12）：48-52.

［2］胡小剛，張敏，潘玉麗，等.鍍液溫度對電化學制備Ni-SiC納米復合鍍層微觀結構的影響［J］.中國表面工程，2013，26（6）：70-74.

［3］馬明碩，常立民，徐利.雙脈沖電沉積Ni-SiC復合鍍層的摩擦學性能［J］.材料保護，2010，43（1）：19-21.

［4］馬春陽，丁俊杰，楚殿慶.脈沖電沉積工藝參數對Ni-SiC復合鍍層性能的影響［J］.兵器材料科學與工程,2012，35（4）：65-67.

［5］王紅星，毛向陽，沈彤.納米SiC顆粒對微米Ni-SiC復合鍍層性能的影響［J］.中國有色金屬學報，2015，25（6）：1560-1566.

Effect of preparation methods on morpho logy anDproperty of Ni-SiC coatings

XIA Fa-feng,TIAN Ji-yu,XUXiu-ying
(CollegeofMechanicalScienceanDEngineering,NortheastPetroleumUniversity,Daqing163318,China)

Ni-SiC ceramic composite coatingswere depositeDon the surfaceof20 steelby directcurrent(DC),pulse current (PC)anDultrasound-pulse current deposition methods,respectively.The effect of deposition methods on microstructures andwear propertieswas researcheDby atomic forcemicroscopy(AFM),scanningelectronmicroscope(SEM),microhardness tester anDfriction tester.The results shoWthat the coatings depositeDby ultrasound-pulse currentmethoDhas the smaller grains,themor e compactness tissue,the surface ismore smooth,SiC ceramic particlesare uniformly distributed,no obvious reunion.The maximummicrohardness is 926.5 Hv,the minimumfriction coefficient is 0.33.The tearing situation of coatings is lighter,anDhas the shalloWfurrows.

Electrodeposition;Ni-SiC ceramic composite coating;Wearproperty

TH117.1

A

1674-8646（2016）03-0013-03

2016-01-23

黑龍江省教育廳科學技術研究項目（12531084）

夏法鋒(1974-)，男，山東泰安人，教授，博士，主要從事特種加工研究。