一種復合鍍層的制備及性能研究

呂前薇， 趙世海(1． 天津工業大學 機械工程學院， 天津300387；2．天津市現代機電裝備技術重點實驗室， 天津 300387)

一種復合鍍層的制備及性能研究

呂前薇1，2， 趙世海1，2(1． 天津工業大學 機械工程學院， 天津300387；2．天津市現代機電裝備技術重點實驗室， 天津 300387)

為讓20#鋼鋼領擁有合適的硬度及耐磨性，在鋼領表面通過化學復合鍍技術鍍覆了雙相納米粒子Ni-P-Al2O3-ZrO2鍍層，鋼領鍍層形貌平整且細膩，兩種納米粒子緊密的分布在鋼領基體表面的鍍層上。鍍有復合鍍層的鋼領在顯微硬度計下測定得到最大值780HV，較基本的鎳磷鍍層提高了53%，在磨損試驗機下測定結果顯示，雙相納米粒子Al2O3/ZrO2復合鍍層的鋼領磨損形式由粘著磨損向磨粒磨損轉變，其耐磨性提高了很多。

雙相納米粒子；Ni-P-Al2O3-ZrO2復合鍍層；硬度；耐磨性

0 引言

化學鍍時不外加電流，在金屬表面的催化作用下通過氧化還原反應進行的沉積過程。減少了由于電鍍生產排出物對人類生存環境，存在著潛在的危害，并造成極大的資源浪費的不良后果

因使用化學鍍技術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足需要，此項技術被應用在很多方面[1-3]。

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

本文將納米Al2O3、ZrO2微粒同時鍍覆在鋼領基體表面，獲得了雙相納米粒子復合鍍層。

1 實驗

1.1 鍍前處理

本實驗基體為20#鋼鋼領。因鍍層的質量及沉積速率與鍍前處理關系密切，為此需對基體作相應的合理的前處理。本實驗的鍍前處理過程為：拋光打磨(使用不同型號的砂紙)→堿性化學除油(60-70℃，10-20min)→熱水清洗(70-80℃，2min)→流動水洗(室溫，2min)→超聲波清洗(5min)→熱水清洗→流動水洗→弱酸活化(5%鹽酸，1min)→流動水洗→預熱浸洗(70-80℃，3min)。

1.2 實驗配方

為獲得硬度較高，耐磨性能優異的鋼領鍍層，通過實驗得到基礎鍍液的最優配方，如表1所示，并且兩種納米顆粒的添加量各不相同。單獨添加納米Al2O3顆粒，其添加量為：2g/L，4g/L，6g/L，8g/L ；單獨添加ZrO2顆粒，其添加量為：1g/L，2g/L，3g/L，4g/L，并且根據試驗結果確定一起添加兩種納米粒子量。本次實驗鍍液溫度：(85±2)℃，PH：4．5，攪拌速度：200r/min，施鍍時間：2h。

表1 化學鍍液基礎配方

2 實驗結果分析

2.1 鍍層的微觀形貌

將基體，只鍍有Ni-P、鍍有納米Al2O3、納米ZrO2、雙相納米Al2O3/ZrO2的復合鍍層的鋼領的切塊放在掃描電子顯微鏡下進行微觀形貌觀察，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合鍍層表面上，鍍層緊密的與鋼領基體表面上結合。

圖1 不同復合鍍層的SEM圖

2.2 鋼領鍍層硬度的測定

把鍍覆不同鍍層的鋼領放在顯微硬度計上測試，試驗時間：10s，施加力：50g，對每個鋼領的5個位置進行測試，然后取平均值。

保持酸性化學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，測定對應濃度下所得鍍層鋼領的硬度，實驗結果如圖2所示。

由圖2可看出，納米粒子加入量增大，鍍有復合鍍層的鋼領硬度也增大，在鋼領的硬度出現最大值735HV時加入了6g/L的納米Al2O3，相對只鍍有鎳磷鍍層鋼領的硬度提高了44%，這是因為納米粒細化了鍍層晶粒且納米粒子均勻分布達到彌散強化的效果。繼續提高納米顆粒加入量時，復合鍍層的硬度下降，這是因為此時納米顆粒含量過高，導致加入顆粒之間撞擊激烈，不利于粒子復合，降低了基體的內聚力，使鍍層硬度下降。

同樣的，保持酸性化學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。看圖3知，其結果與納米Al2O3濃度對鍍有復合鍍層鋼領的硬度影響趨勢一致。而鍍有納米ZrO2復合鍍層的鋼領的硬度相對只鍍有鎳磷鍍層鋼領的硬度提高了32%。

根據表2，保持酸性化學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，將鍍有雙相納米復合鍍層的鋼領置于硬度計下進行測試。由圖4可以看出，根據實驗編號3得到的鍍有復合鍍層的鋼領硬度值達到最大值780HV，相對只鍍有鎳磷鍍層鋼領的硬度提高了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 鍍有復合鍍層鋼領的組織結構分析

對根據表2鍍覆得到的鍍有復合鍍層的鋼領，熱處理后進行X射線衍射分析，熱處理溫度：400℃，時間：2h，如圖5所示。

觀察圖(a)可知，經過熱處理后，在2θ=45°時出現了Ni的特征峰，衍射條寬化，向兩側漫開來，復合鍍層由非晶態轉變為晶態。在2θ=47°，52°處呈現了衍射峰，經XRD衍射譜線標定證明為Ni3P的特征峰，說明熱處理后出現了新相。此外，在2θ=14°，29°，63°，71°處還分布著為一些強度不大的納米Al2O3衍射峰。從圖(b)(c(由實驗編號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不同濃度時鍍有復合鍍層鋼領的硬度值

圖3 納米ZrO2不同濃度時鍍有復合鍍層鋼領的硬度值

圖4 兩種納米粒子加入量不同時鍍有雙相納米粒子復合鍍層鋼領的硬度值

圖5 不同復合鍍層的XRD圖

2.4 鍍層耐磨性的測定

分別對鍍有單相粒子Al2O3、ZrO2、雙相粒子Al2O3/ZrO2鍍層的鋼領置于磨損試驗機上進行測定，載荷：50N，磨損失重結果如圖6所示。

由圖6可知，納米粒子承受載荷對犁削起到了阻擋作用，然而鍍層的耐磨性并非會一直增強，這是因為基體嵌合納米顆粒的能力是有限的，而不是納米顆粒越多越好，超過了基體對納米粒子的嵌合能力，在磨損過程中會出現納米粒子大量脫落的現象，磨損失重量增大。

圖6 鍍有3種不同復合鍍層鋼領的磨損失重量

在磨損試驗條件相同情況下得到：鍍有雙相納米粒子復合鍍層的鋼領較鍍有單相納米粒子鍍層的鋼領，其磨損表面沒有出現分布連續的犁溝和嚴重的粘著撕裂，說明其粘著磨損現象得到了改善，在其表面出現了由于磨屑的磨粒作用出現了輕微的磨痕，磨損機理轉向了磨粒磨損。

3 結論

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

(2)經測定鍍有雙相納米粒子復合鍍層的鋼領的硬度比只鍍有鎳磷鍍層的鋼領的硬度提高了56%，比鍍有單相納米復合鍍層鋼領硬度提高的44%，32%都高。

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

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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，主要研究方向為機械設計制造及其自動化。②趙世海(1970- ),男，副教授，主要研究方向為新型紡織機械設計。

天津市科技支撐重點計劃項目(15ZCZDGX00840)