沉積方式對N i-SiC鍍層形貌和性能的影響

夏法鋒，田濟(jì)語，許秀英（東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)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(jì)語，許秀英
（東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)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(fù)合鍍層。利用原子力顯微鏡(AFM)、掃描電鏡(SEM)、顯微硬度計(jì)以及摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)研究沉積方式對Ni-SiC陶瓷復(fù)合鍍層顯微組織及摩擦學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，采用超聲波-脈沖電鍍制備所得的鍍層晶粒更加細(xì)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(tuán)聚。其最大顯微硬度為926.5 Hv，摩擦系數(shù)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(xué)性能

隨著當(dāng)今復(fù)合鍍層領(lǐng)域的飛速發(fā)展，金屬陶瓷復(fù)合鍍層的制備及其發(fā)展受到了諸多學(xué)者的關(guān)注［1］。Ni-SiC陶瓷復(fù)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(yōu)良特性的鎳基鍍層。SiC陶瓷粒子是一種具有較強(qiáng)抗氧化性、較高硬度、較好耐磨性能以及較小熱膨脹系數(shù)的陶瓷材料，其在機(jī)械、化工以及航空航天等多種領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用［2,3］。目前，有關(guān)沉積方式對Ni-SiC陶瓷復(fù)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(fù)合鍍層，利用原子力顯微鏡(AFM)、掃描電鏡(SEM)、顯微硬度計(jì)以及摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)研究沉積方式對Ni-SiC陶瓷復(fù)合鍍層顯微組織及摩擦學(xué)性能的影響，以獲得最佳的沉積方式，為Ni-SiC陶瓷復(fù)合鍍層的實(shí)際應(yīng)用提供相應(yīng)的技術(shù)基礎(chǔ)［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(jī)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(jìn)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(fù)合鍍層的增強(qiáng)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(fù)合鍍層的工藝參數(shù)如下：電流密度4 A/dm2、電鍍時間45min；脈沖電鍍Ni-SiC陶瓷復(fù)合鍍層的工藝參數(shù)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(fù)合鍍層的工藝參數(shù)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(fù)合鍍層的立體形貌進(jìn)行觀察；通過掃描電鏡（JSM-6460LV型）對Ni-SiC陶瓷復(fù)合鍍層的表面狀態(tài)進(jìn)行分析；通過顯微硬度計(jì)（HX-1型）對鍍層的硬度進(jìn)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(yàn)機(jī)（MMW-1型）對Ni-SiC陶瓷復(fù)合鍍層進(jìn)行摩擦學(xué)性能分析，其施加的載荷為25 N，試驗(yàn)時間為100min，轉(zhuǎn)速為520 r/min，摩擦副為淬火鋼(硬度為HRC55)。

2　結(jié)果與討論

2.1鍍層微觀形貌分析

圖1　 Ni-SiC鍍層的AFM照片F(xiàn)ig.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(fù)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(fù)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(xì)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(xì)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(tuán)聚。這表明隨著脈沖電流的引入，電化學(xué)極化現(xiàn)象得到提高，晶核的形成速度大于晶粒生長速度，進(jìn)而金屬晶粒得到細(xì)化。同時，由于超聲波具有獨(dú)特的空化效應(yīng)，使得體積較大的鎳晶粒被粉碎，進(jìn)而增加鎳晶核數(shù)量，還對SiC陶瓷粒子團(tuán)聚進(jìn)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(fù)合鍍層的動態(tài)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(fù)合鍍層的動態(tài)顯微硬度曲線如圖2所示。由圖2可見，復(fù)合鍍層的顯微硬度隨電鍍時間的增加而增大。當(dāng)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?yàn)?0鋼基體鍍覆Ni-SiC陶瓷復(fù)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(dāng)電鍍時間在20～50min時，隨著復(fù)合鍍層中SiC陶瓷粒子復(fù)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(fù)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(jìn)SiC陶瓷顆粒在鍍層中超聲波可促進(jìn)SiC陶瓷顆粒在鍍層中的均勻分布，對SiC粒子的彌散強(qiáng)化效應(yīng)起到增強(qiáng)作用。因此，超聲波-脈沖電鍍Ni-SiC陶瓷復(fù)合鍍層的顯微硬度得到明顯提高。

2.3鍍層摩擦學(xué)性能分析

圖3　 Ni-SiC陶瓷復(fù)合鍍層的摩擦系數(shù)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(fù)合鍍層的摩擦系數(shù)曲線如圖3所示。由圖3可見，鍍層在經(jīng)過20min的磨損后，其摩擦系數(shù)趨于穩(wěn)定。3種制備方法制備Ni-SiC陶瓷復(fù)合鍍層的平均摩擦系數(shù)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(fù)合鍍層的摩擦系數(shù)最小。這是因?yàn)槌暡ā⒚}沖電流可細(xì)化基質(zhì)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(jìn)而其摩擦系數(shù)較小。

圖4　 Ni-SiC陶瓷復(fù)合鍍層的磨損后SEM照片F(xiàn)ig.4 SEmimages of Ni-SiC ceramic composite coatings after ab rasion

Ni-SiC陶瓷復(fù)合鍍層試樣在摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)（MMW-1型）上試驗(yàn)100min后，通過掃描電鏡對其進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖4所示。3種鍍層磨損表面均存在撕裂和剝落現(xiàn)象。其中，直流電鍍和脈沖電鍍制備所得的Ni-SiC陶瓷復(fù)合鍍層撕裂情況嚴(yán)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?yàn)槌暡ā⒚}沖電流對SiC陶瓷粒子的分散起到促進(jìn)作用，進(jìn)而提高鍍層的承載能力，改善鍍層的抗磨性能。

3　結(jié)論

a.沉積方式對Ni-SiC陶瓷復(fù)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(xì)小，組織更加致密、光滑，SiC陶瓷粒子均勻分布、無明顯團(tuán)聚。

b.Ni-SiC陶瓷復(fù)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(fù)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(fù)合鍍層的平均摩擦系數(shù)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(fù)合鍍層撕裂情況嚴(yán)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(fù)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(xué)制備Ni-SiC納米復(fù)合鍍層微觀結(jié)構(gòu)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(fù)合鍍層的摩擦學(xué)性能［J］.材料保護(hù)，2010，43（1）：19-21.

［4］馬春陽，丁俊杰，楚殿慶.脈沖電沉積工藝參數(shù)對Ni-SiC復(fù)合鍍層性能的影響［J］.兵器材料科學(xué)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(fù)合鍍層性能的影響［J］.中國有色金屬學(xué)報(bào)，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(xué)技術(shù)研究項(xiàng)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。