組合超聲場下電沉積Ni-Nd2 O3納米復合鍍層的摩擦磨損性能

薛玉君，李獻會，敖正紅，李濟順

(1.河南科技大學a.機電工程學院;b.河南省機械設計及傳動系統重點實驗室，河南洛陽471003;2.洛陽軸研科技股份有限公司，河南洛陽471003)

0 前言

納米復合沉積層具有高硬度、耐高溫、抗氧化、耐腐蝕、耐磨損等優良特性，這些特點受到了學者們的廣泛關注。將納米顆粒引入制備復合沉積層，有效改善納米復合沉積層的微觀結構，使得復合沉積層的性能得到大幅度提高［1］。但是，由于納米顆粒具有的表面能高，電沉積過程中容易團聚，嚴重影響了納米顆粒在沉積層的分布和含量，成為制備高性能納米復合沉積層的瓶頸。在電沉積過程中引入超聲波，超聲空化可大幅度地弱化納米顆粒之間相互作用，有效抑制納米顆粒團聚，使之均勻分散在沉積層中，從而提高納米復合沉積層的性能［2－3］。組合超聲由兩種或兩種以上不同頻率的超聲波共同工作組成，組合超聲的空化產額高于單一超聲的空化產額，且組合超聲波具有良好的協同性和空化效應［4］。將組合超聲運用于納米復合電沉積中，可有效抑制納米顆粒團聚，提高納米復合鍍層的性能，有望制備出高性能的納米復合鍍層。

本文利用單一超聲、組合超聲進行Ni-Nd2O3納米復合電沉積試驗研究，其中組合超聲場由浴槽式超聲和探頭式超聲復合組合而成。制備了Ni-Nd2O3納米復合鍍層，考察了Ni-Nd2O3納米復合鍍層的微觀結構，測試了復合鍍層納米顆粒含量、顯微硬度、摩擦磨損性能，研究了組合超聲場下Ni-Nd2O3納米復合鍍層微觀結構和摩擦磨損性能。

1 試驗

1.1 納米復合鍍層制備

電沉積試驗裝置如圖1 所示，主要由電沉積液、WYJ-3010 型直流穩壓穩流電源、KQ-300VDB 浴槽式超聲波發生器、探頭式超聲波發生器、EMS-12 型遙控潛水磁力攪拌器等組成。

試驗所選用的陰、陽極材料分別為不銹鋼片(1Cr18Ni9Ti)和電解鎳板(純度大于99.9%)，不銹鋼片的厚度為2 mm，工作面積為20 mm×50 mm，鎳板體積規格為150 mm×30 mm×3 mm，陰、陽極面積之比為2∶3，兩電極間距為30 mm。

試驗采用的電沉積液成分為:潤濕劑(0.5 g/L)、NiSO4·6H2O(300 g/L)、H3BO3(35 g/L)、NiCl2(20 g/L)。所用試劑的純度均為分析純。稀土Nd2O3納米顆粒平均直徑為30 nm，純度大于99.99%。

圖1 電沉積試驗裝置示意圖

1.2 納米復合鍍層微觀結構及性能檢測

鍍層的微觀形貌利用FEI Quanta 200 FEG 場發射環境掃描電子顯微鏡(ESEM)進行觀察，并用能譜儀(EDS)測定鍍層中Nd2O3的含量。

鍍層試樣的顯微硬度用HVS-1000 型數顯顯微硬度儀測定，加載載荷為0.49 N，保持時間為10 s，對試樣取5 個不同測量點進行測定，取5 點的平均值作為鍍層試樣的顯微硬度值。

鍍層的摩擦磨損性能在型號為MM1000-Ⅱ摩擦性能測試機上進行測試。試驗條件:摩擦狀態為干摩擦，試驗壓力為0.06 MPa，轉速為1 000 r/min，試驗溫度為室溫，試驗時間為10 min，材料為調質處理的45 號鋼，硬度為HRC56 ～59。

2 結果與討論

2.1 納米復合鍍層微觀形貌

圖2a 為直流純Ni 鍍層，表面粗糙，晶粒粗大，不均勻。圖2b 是在直流條件下加入Nd2O3納米顆粒進行的復合電沉積得到的鍍層，從圖2b 中可以看出:鍍層表面有突起存在，相關研究已證實其為添加的Nd2O3納米顆粒，由于有Nd2O3納米顆粒起到了強化作用，使表面組織致密性提高，但晶粒還是較粗大，分布不均勻。

圖2 不同電沉積方式下鍍層的表面形貌

圖2c 和圖2d 分別為浴槽式超聲和探頭式超聲條件下制備的鍍層的微觀形貌，與圖2a 對比可知:在這兩種鍍層表面組織致密度加強，但晶粒仍很粗大，表面也很粗糙，可見超聲波在納米復合電沉積中起到了一定的作用。分析認為:超聲波具有優良的空化效應，在電沉積液中迅速產生空化泡，空化泡在瞬間迅速漲大并破裂，破裂時把吸收的聲場能量在極短的時間和極小的空間內釋放出來，可形成高溫和高壓的環境，同時伴隨有強大的沖擊波和微聲流，能夠破碎納米顆粒團聚體，抑制納米顆粒的團聚，電沉積液中的納米顆粒分布均勻，從而優化了電沉積環境，使得納米復合鍍層中的納米顆粒分布均勻［5－6］。

圖2e 為組合超聲條件下得到鍍層的微觀形貌圖。與圖2a ～圖2d 相比，組合超聲作用下Ni-Nd2O3納米復合鍍層晶粒更細小，表面更平整，組織更均勻致密。在組合超聲的作用下，復合鍍層的晶粒尺寸得到了很大程度的細化，表面性能得到提升。分析認為:組合超聲場是利用兩種超聲同時在溶液中傳播形成的超聲場，在組合超聲場中單位時間里產生的空化崩潰次數多于單一超聲，其空化作用遠大于單一超聲，有效改善了單一超聲易產生的駐波效應，顯著減少駐波造成的死角，增加空化事件，提高了聲化學產額。與單一超聲電沉積相比，組合超聲單位時間內產生的空化泡數目多，且空化泡蘊含的聲場能量要高，產生的沖擊波和微聲流速度更大，對電沉積液中納米顆粒的沖擊效果更明顯，使得納米顆粒團聚的幾率大大減小，納米顆粒均勻的分布于電沉積液中，也使得形核更加均勻，細化了晶粒。所以，組合超聲場下制備的納米復合鍍層表面更加平整，晶粒更加細小，組織更加致密均勻。

2.2 顯微硬度

表1 為各種條件下制備的納米復合鍍層中納米顆粒含量和顯微硬度的最大值。由表1 可以看出:無超聲條件下制備的納米復合鍍層中Na2O3的含量和顯微硬度低。浴槽式和探頭式超聲波制備的納米復合鍍層中w(Nd2O3)最大值分別為2.70%和3.10%，顯微硬度分別為HV525 和HV578。探頭式超聲影響鍍層顆粒含量效果比浴槽式超聲更明顯。分析認為:超聲波作用提高了鍍層中Na2O3的含量和顯微硬度，且探頭式超聲波作用效果更加明顯，原因在于探頭式超聲波是直接深入電沉積液里，超聲波利用率高，分散納米顆粒的能力強，納米顆粒團聚得到抑制，進而使得納米顆粒與陰極表面的接觸幾率提高;此外，由于探頭式超聲波的探頭直接深入電沉積液，直接作用于陰極表面，電沉積時陰極析出的氫就不能附著在陰極表面，大大提高了納米顆粒附著在陰極表面的能力。因此，探頭式超聲波條件下制備的納米復合鍍層中納米顆粒Nd2O3含量高，顯微硬度高。

由表1 還可以看出:組合超聲條件下制備的納米復合鍍層中w(Nd2O3)最大值達3.48%，顯微硬度為HV624。對比可知:組合超聲條件下制備的納米復合鍍層Nd2O3含量比單一超聲的含量平均提高約21%，顯微硬度提高13%。分析認為:從組合超聲空化效應分析，組合復合超聲波的空化效應明顯強于單一超聲波，抑制納米顆粒團聚的能力更強，納米顆粒在電沉積液中分散更充分，單位時間內到達陰極表面的顆粒越多，沉積量就越大。并且由于組合超聲作用電沉積反應速度加快，有更多納米顆粒在陰極被基質金屬Ni 所包埋，所以組合超聲作用下，復合鍍層中Nd2O3的含量較高。從組合超聲協同作用分析，在組合超聲波協同作用下，大大降低超聲波中駐波的產生，也減少了駐波死角，組合超聲場的空化事件多于單一超聲場，組合超聲作用效率更高。同時，探頭式超聲波的超聲探頭直接深入電沉積液中，沖刷走陰極表面析出的氫，為電沉積提供條件，在兩者協同作用下復合鍍層中Nd2O3含量提升，顯微硬度提高。

表1 不同形式超聲波下制備的納米復合鍍層中Nd2O3 含量和顯微硬度

2.3 摩擦磨損性能

表2 為不同電沉積方式下制備的鍍層的摩擦因數和磨損率。由表2 可以看出:電沉積方式直接影響鍍層的摩擦因數和磨損率。添加Nd2O3納米顆粒的復合鍍層的摩擦因數和磨損率明顯低于純Ni 鍍層;在超聲條件影響下復合鍍層的摩擦因數和磨損率明顯低于無超聲影響的;組合超聲條件制備的復合鍍層摩擦因數和磨損率相對最佳。分析認為:由于Nd2O3納米顆粒與基質金屬共沉積，彌散于納米復合鍍層中的Nd2O3納米顆粒起到阻礙晶粒中的位錯滑移的作用，產生了彌散強化效應，從而使納米復合鍍層的摩擦因數和磨損率要低于純鎳鍍層的摩擦因數和磨損率。結合圖2 可知:超聲的引入使納米復合鍍層的微觀結構改變，晶粒得到細化，致密度提高［7－9］，所以超聲作用下的復合鍍層摩擦因數和磨損率都減小;組合超聲作用下，由于其協同效應和空化效應，納米復合鍍層中Nd2O3納米顆粒含量大大增大，彌散強化效果增強，同時鍍層晶粒得到了充分的細化，晶粒間的結合力加強，致密度增強，顯微硬度也大大提升，所以組合超聲下的納米復合鍍層的摩擦因數最小，磨損率最低。

表2 不同電沉積方式下制備的鍍層的摩擦因數和磨損率

圖3 為不同電沉積方式下制備的鍍層磨損后表面形貌的SEM 照片。由圖3 可以看出:直流純Ni鍍層表面磨損比較嚴重，有嚴重的塑性流動變形，并有寬深的犁溝形成，呈現出拉傷損傷特征(見圖3a)，這主要是由于純Ni 鍍層硬度較低，在干摩擦條件下承載能力較差，在摩擦熱的作用下易發生軟化，產生嚴重的塑性形變。直流Ni-Nd2O3納米復合鍍層的磨損形貌有多條犁溝并伴隨塑性形變，呈典型的磨粒磨損特征(見圖3b)，表明在Nd2O3納米顆粒加入后，在納米顆粒彌散強化的作用下，一定程度上減輕了磨損。浴槽式超聲波作用下的納米復合鍍層的磨損狀態為黏著磨損和磨粒磨損特征(見圖3c)。浴槽式超聲作用下制備的納米復合鍍層中，在超聲作用下，納米顆粒均勻分布，晶粒在一定程度上得到細化，致密度提高，黏著磨損程度減輕，但在磨損過程中，有硬質顆粒的脫落，相對摩擦中在鍍層表面形成溝壑，所以也形成磨粒磨損［10－11］。探頭超聲條件下制備的納米復合鍍層磨損形貌，呈現磨粒磨損特征，但伴隨有大片層剝落跡象(見圖3d)。探頭式超聲波作用下，由于探頭式超聲利用效率更高，制備出的納米復合鍍層顆粒含量和顯微硬度提升，耐磨性提升，但在磨損過程中，由于其鍍層致密性不佳，造成了大片層剝落跡象。

圖3 不同電鍍方式下制備的沉積層磨損后的SEM 照片

組合超聲作用下的Ni-Nd2O3納米復合鍍層的磨損特征表現為輕微的黏著磨損和磨粒磨損(見圖3e)。從圖3e 中可清晰看出:磨損的面積大大減小，從形貌上看，塑性變形程度也大大減輕，摩擦磨損性能得到改善。組合超聲作用下的Ni-Nd2O3納米復合鍍層中，由于其晶粒細小，組織致密，硬度較高，表面光滑，所以摩擦中產生的雖然有黏著磨損，但很輕微;在磨損中，有體積極小硬質顆粒脫落，又由于基體硬度高，所以磨粒磨損產生的磨痕就很輕微，表現出了較好的耐磨性［12］。

3 結論

(1)組合超聲場對Ni-Nd2O3納米復合鍍層微觀形貌有明顯影響，制備出的復合鍍層表面更加平整，晶粒更加細小，組織的致密性更高。

(2)組合超聲場條件下制備的Ni-Nd2O3納米復合鍍層中，Nd2O3納米顆粒含量達3.48%(質量分數)，顯微硬度高達HV624。

(3)組合超聲作用下制備的Ni-Nd2O3納米復合鍍層摩擦因數小、磨損率低，表現出優良摩擦學性能。

［1］ 王紅美，蔣斌，徐濱士，等.納米顆粒增強鎳基復合鍍層的組織與微動磨損性能研究［J］.摩擦學學報，2005，25(4):289－292.

［2］ 李濟順，薛玉君，蘭明明，等.超聲波對Ni-CeO2納米復合電鑄層微觀結構和性能的影響［J］.中國有色金屬學報，2009，19(3):517－522.

［3］ 徐濱士，董世運，涂偉毅.納米顆粒對鎳刷鍍層組織及性能的影響［J］.中國有色金屬學報，2004，14(5):159－163.

［4］ 丘泰球，曾榮華，張曉燕.雙頻超聲強化提取的機理［J］.華南理工大學學報，2006，34(8):89－92.

［5］ 明平美，朱荻，胡洋洋，等.超聲微細電鑄試驗研究［J］.中國機械工程，2008，19(6):644－647.

［6］ Mallik A，Ray B C. Morphological Study of Electrodeposited Copper Under the Influence of Ultrasound and Low Temperature［J］.Thin Solid Films，2009，517(24):6612－6616.

［7］ Lee D Y，Gan Y X，Chen X，et al. Infuence of Ultrasonic Irradiation on the Microstructure of Cu/Al2O3，CeO2Nanocomposite Thin Films During Electrocodeposition［J］.Materials Science and Engineering A，2007，447:209－216.

［8］ Garcia I，Fransaer J，Celis J P.Elect Rodeposition and Sliding Wear Resistance of Nickel Composite Coatings Containing Micron and Submicron SiC Particles［J］.Surface and Coatings Technology，2001，148(2/3):171－178.

［9］ 蔣斌.納米顆粒復合電刷鍍鎳基鍍層的強化機理及其性能研究［D］.重慶:重慶大學，2003.

［10］ 薛玉君，朱荻，靳廣虎，等.電沉積Ni-La2O3納米復合鍍層的摩擦磨損性能［J］.摩擦學學報，2005，25(1):1－6.

［11］ Gyftou P，Stroumbouli M，Pavlatou E A，et al. Tribological Study of Ni Matrix Composite Coatings Containing Nano and Micro SiC Particles［J］.Electrochimica Acta，2005，50:4544－4550.

［12］ Xue Y J，Li J S，Ma W，et al.Fabrication and Wear Resistance of Ni-CeO2Nanocomposite Coatings by Electrodepositition Under Ultrasound Condition［J］.Int J Surface Science and Engineering，2010，3(4):202－213.