不同纳米氧化铝含量Ni-P-A12O3化学镀层的高温磨损性能.pdf

第2 4卷第 7期 Vo l u me 2 4Nu mb e r 7 中国有色金属学报 Th e Ch i n e s e J o u r n a l o f No n f e r r o u s M e t a l s 2 0 1 4年 7 月 J u l y 2 0 1 4 文章编号：1 0 0 4 0 6 0 9 ( 2 0 1 4 ) 0 7 1 8 0 4 0 8 不同纳米氧化铝含量 N i P A l 2 o3 化学镀层的高温磨损性能 郑晓华 ，刘辉 ，章荣 ，杨芳儿 ，陈刑 ，周 军 ( 1 浙江工业大学 材料科学与工程学院，杭州 3 1 0 0 3 2 ： 2 浙江工业大学 机械工程学院，杭州 3 1 0 0 3 2 ) 摘要：采用化学镀技术制备不同纳米氧化铝含量的Ni P A1 2 O3复合镀层，并利用扫描电子显微镜( S E M) 、X射 线能谱仪( E D S ) 和 x射线衍射仪( X R D) 对镀层的表面形貌、化学成分及微观结构进行表征，考察镀层在 6 0 0下 的高温氧化性能，并采用高温摩擦磨损试验机对镀层在 2 0 0和 6 0 0下的摩擦磨损性能进行测试，分析其磨损 机理。结果表明：纳米氧化铝的加入可有效提高镀层的高温耐磨性能和抗高温氧化性能。随着镀液中纳米 A1 ： O 用量的增加，镀层的氧化质量增加，摩擦因数先减少后增加，镀层的磨损机理发生变化。镀液中纳米 A l 2 0 3 用量 为 3 g L时，镀层具有优异的抗高温氧化性能、较低的摩擦因数和较低的磨损率。复合镀层在较高温度磨损过程 中呈现出较高的磨损率和较低的摩擦因数。 关键词：纳米Al 2 O3 ；镍磷合金；化学镀：摩擦；磨损；高温氧化 中图分类号：T Q1 5 3 2 文献标志码：A Hi g h - t e mpe r a t ur e we a r pr o pe r t i e s o f e l e c t r o l e s s Ni P- AI 2 03 c o mp o s i t e c o a t i ng s wi t h v a r i o u s c o n t e nt s o f na n o - Al 2 03 ZHE NG Xi a o h u a ， L I U Hu i 。 ，Z HANG Ro n g ， Y ANG F a n g e r ， CHEN L i ， Z HOU J u n ( 1 C o l l e g e o f Ma t e ri a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g ， Z h e j i a n g Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y , H ang z h o u 3 1 0 0 3 2 ， C h i n a ； 2 C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e ri n g ， Z h e j i ang U n i v e r s i ty o f T e c h n o l o gy, Ha n g z h o u 3 1 0 0 3 2 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：Ni - P -A1 2 03 c o mp o s i t e c o a t i n g s wi t h v a rio u s c o n t e n t s o f n a n o - -A1 2 03 p a r t i c l e s we r e p r e p a r e d b y u s i n g e l e c t r o l e s s p l a t i n g t e c hn i q u e T h e mo r p h o l o gy , mi c r o s t r u c t u r e a n d c h e mi c a l c o mp o s i t i o n o f t h e c o a t i n g s we r e c h a r a c t e r i z e d b y s c a n n i n g e l e c o n mi c r o s c o p y( S E M) ， e n e r g y d i s p e r s e s p e c t r u m ( E DS )a n d X - r a y d i f f r a c t i o n( X R D) t e c h n i q u e s T h e h i g h t e mp e r a t u r e o x i d i z i n g b e h a v i o r o f the c o a t i n g s a t 6 0 0 wa s i n v e s t i g a t e d t h e t r i b o l o g i c a l p r o p e r t i e s o f t h e c o a t i n g s a t 2 0 0 a n d 6 0 0 we r e e v a l u a t e d b y h i g h t e mp e r a t u r e we a li n s t r u me n t and the we a l me c h an i s m wa s a l s o d i s c u s s e d T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e a d d i t i o n o f n a n o - A1 2 03 p a r t i c l e s i n e l e c t r o l e s s p l a t i n g b a th c a i 1 e ffe c t i v e l y i mp r o v e the h i g h - t e mp e r a t u r e we a l r e s i s t a n c e an d t h e h i g h - t e mp e r a t u r e o x i d a t i o n r e s i s t a n c e o f t h e c o mp o s i t e c o a t i n g s W i t h t h e i n c r e a s e o f n an o - A1 2 03 c o n c e n t r a t i o n i n b a t h ， the o x i d a t i o n ma s s i n c r e me n t a n d the f r i c t i o n c o e ffi c i e n t o f t h e c o a t i n g s d e c r e a s e a t fi r s t ， an d the n inc r e a s e ， an d the we a r me c h a n i s m o f t h e c o a t i n g s i s a l t e r e d T h e c o mp o s i t e c o a t i n g p r e p are d b y a n a n o - A1 2 03 c o n c e n t r a t i o n o f 3 g L i n b a th e x h i b i t s a g o o d h i g h - t e mp e r a t u r e o x i d a t i o n r e s i s t a n c e ， l o w f ri c t i o n c o e ffic i e n t and l o w we a r r a t e Co mp a r e d tho s e o f the c o a t i n g s t e s t e d a t l o we r t e mp e r a t u r e ， a h i g h e r we a r r a t e a n d a l o we r f r i c t i o n c o e ffi c i e n t o f the c o a t i n g s a r e o b t a i n e d u n d e r h i g h e r t e s t t e mp e r a t u r e Ke y wo r ds ： Na n o -A1 2 03 ； Ni -P a l l o y ； e l e c t r o l e s s p l a t i n g ； f r i c t i o n ； we ar； h i g h -t e mp e r a t u r e o x i d a t i o n 化学镀 N i P合金镀层 由于具有 厚度均匀 、 耐腐蚀 性好、耐磨性较高、镀覆工艺简便等优点，在化工设 备、电子、航空、汽车工业等方面得到了广泛应用 ” 。 然而， 传统化学镀 Ni P合金已经完全不能满足日益苛 基金项目：浙江省 自然科学基金资助项 目( Y 4 1 1 0 6 4 5 ) 收稿 日期：2 0 1 3 1 2 1 6 ；修订 日期：2 0 1 4 0 3 2 6 通信作者：郑晓华，副教授，博士；电话 ：0 5 7 1 8 8 3 2 0 4 7 9 ；E ma i l ：z h e n g x h z j u t e d u c n 第 2 4卷第 7期 郑晓华，等：不同纳米氧化铝含量 Ni P A1 2 O3 化学镀层的高温磨损性能 1 8 0 5 刻的性能要求。近二十年来，人们陆续开展化学镀液 中添加不溶性微粒如 S i C、A1 2 O 3 、B 4 C、Z r O 2 、T i O2 、 P T F E 、纳米碳 管、钛 酸钾晶须、金刚石等制备复合镀 层的相关研究 ，期望获得具有较 高硬度值、耐磨 、耐 蚀、自润滑性等不同物理、化学性质的功能性复合镀 层 2 - 1 0 】 。随着粉体制备技术的进步，加入镀液中的微 粒 的 尺 寸 已 由微 米 量 级 逐 渐 过 渡 到亚 微 米 或 纳 米 量级 【 ” 。 纳米 Al 2 0 3 颗粒因为具有较高硬度、较好化学稳 定性且廉价易得等一系列优点而被优先复合到镀层 中。目前，国内外关于 Ni P A 1 2 O 3 复合镀层的研究已 有许多报道，但工作大都集中在镀层制备工艺改进， 表面形貌的表征以及单一的镀层硬度和耐磨性能的测 试等方面【 l 2 _ 】 。 虽然文 献 1 6 - 1 7 报道 了纳米颗粒 的添 加量对复合镀层的耐腐蚀性能和常温摩擦磨损性能的 影响 ，但是纳米颗粒添加 量对 复合镀层的高温氧化性 能及高温摩擦磨损性能的影响尚鲜有报道。高温氧化 及高温摩擦磨损性能对服役在高速、重载滑动摩擦环 境下的复合镀层的使用寿命起决定性作用。本文作者 重点考察不 同纳米 A1 2 0 3 含量 Ni P A 1 2 O 3 复合镀层在 高温氧 化和高温摩擦磨损过程 中的基本规律 ，为定量 描述镀层在高温( 或实际工况) 条件下的摩擦学行为提 供 基础 实验数 据 ，也为优 化 N i P A1 2 O 3 复合 镀层 的 A 1 2 O3 含量、拓展复合镀层的使用领域提供理论基础 和实验依据 。 1 实验 1 1 复合镀层 的制备 实验采用 Q 2 3 5 钢板为基底， 其规格为2 0 mmX3 0 mmX2 I L r n ，所用 A 1 2 03 粉末为市售商业 o c Al 2 0 3 粉 ， 平均粒径约为 3 0 1 1 1 1 1 ， 纯度9 9 9 。镀层试样的制备 工艺流程如下 ：砂纸打磨一机械抛光至 R 0 1 k t m 左 右) 一 除油 一水洗 一 除锈 一水 洗一活 化一水 洗一 化学 镀。化学镀槽液配方及工 艺参数如表 1 所列 。 在化学镀之前 ，先将一定量 的 Al 2 0 3 粉末放入含 有适量表面活性剂的镀液中( 体积为 5 0 mE ) 超声波分 散 3 0 mi n ，备用 。当试样 镀覆 N i P合金 5 mi n之后 ， 再匀速添加纳米 A l 2 0 3 悬浊液到槽液中进行复合镀， 时间 2 mi n 。搅拌方式为机械搅拌，转速为 4 0 0 - 4 5 0 r mi n 。按纳米 A I 2 03 不同用量制备 了 5组试样 ，纳米 A 1 2 O3 的加入量分别为 0 、1 5 、3 、4 5 和 6 g L 。每组 制备 8片合格试 样，镀覆 时长 为 2 3 5 h ，获得 的镀层 厚度分别 为 l 3 3 、1 3 2 、1 2 7 、l 2 3 和 1 2 1 p m。所得 试样 依 次 在 去离 子 水和 无 水 酒精 中超 声波 清 洗 1 0 mi n ，热 风干燥 后备用 。采用 常规 的贴 滤纸法测 得镀 层 的孔 隙率分 别为 1 1 5 、0 7 5 、0 4 5 、0 5和 0 6斑点 数每平 方厘米 。 表 1 镀液配方浓度 T a b l e 1 C o n c e n t r a t i o n o f e l e c t r o l e s s p l a t i n g( g L 一 ) No t e ： T e mp e r a t u r e ( 8 8 +2 ) C； p H 4 4 - 4 6 1 2 陛能测试和表征方法 镀层的高温氧化实验在箱式电阻炉中进行。从刚 镀覆好 的试样( 镀 态试样) 中每组各取 4片， 在 E S J 8 0 5 型 电子分析天平( 精度 0 0 1 m g ) 上称量 并获得初始质 量； 然后将其等间距悬挂在预先准备好的挂架上f 可以 确保试样之 间不发生覆盖或遮挡) ， 随后将挂架平稳放 入 6 0 0的电阻炉中进行保温，当炉温再次升到 6 0 0 时开始计时，温度控制精度为1 0。每隔 1 h取 出一片试样 ， 自然冷却到室温后再进行称量 ，得到试 样氧化后的质量 。试样氧化后与氧化前 的质量之差即 为试样的质量增加。 每片试样总共称量 1 O次， 然后取 平均值 。 镀层的摩擦 学特 性测 试在 HT 一 5 0 0高温摩擦磨损 试验机上进行。先将镀态试样置于真空热处理炉中进 行真 空退火 ( 背底气压 5 m P a ) ， 温 度 4 0 0， 保温 1 h ； 然后将退火试样分 别在 2 0 0和 6 0 0的温度 条件 下 进行摩擦磨 损测试 。退火试样作 为摩擦 盘，对 磨件 为 表面抛光 的 S i 3 N 4 陶瓷球( 直 径 5 ram) ，法 向载荷 为 2 0 0 g ，干滑移速度为 0 1 7 6 m s ，测试时间为 1 5 mi n ， 摩擦因数极限值厂 m = 2 。采用 D e k t a k 3型台阶仪对试 样的表面粗糙度和磨损体积进行测定。磨损体积测定 方法 ：先测 出试样表面磨痕 的横截面轮廓 ，然后通过 计算每个试样的磨痕截面面积和磨损体积。在每个试 样的摩擦圆上随机选取 1 0 l 2 个位置进行测量，试样 的最终磨损体积为前几次测量计算的平均值。依据滑 行距离 、法 向载荷和试样磨损体积 ，最终计算 出镀层 的磨损率 。镀层在镀态和 4 0 0经 l h真空退火后 的 硬度采用 H VM I T维 氏硬度计测量 ，载荷 0 9 8 N，保 持时 问 1 5 S ，取 2 0次的平均值 ，其结果如表 2 所 列。 镀层 在 镀 态及 高温 氧 化后 的微 观 结构 采 用 T h e r mo A R L型 x射线衍射仪( X R D ) 进行分析 ，衍射 角扫描范围为 2 0 - 8 0 。 ，C u靶，K 射线 = 0 1 5 4 0 5 6 1 8 0 6 【 l1 J 仃乜金 报 ri m) ，X射线 管电流为 4 0 mA，电压为 4 0 k V，步 长为 0 0 3 3( 。 ) s 。采J j H i t a c h i 一 $ 4 7 0 0型场发射扫描 电f 微镜( F E S E M) 察镀层磨损前 后的表 形貌 ，加速 电 为 l 5 k V。镀态镀层的化学成分采用 电 显微镜 臼 带 的能谱装置( E D S ) 进行 分析 ，采样 时问为 1 0 0 S 。 表 2 热 处理前后镀层的硬度 Ta b l e 2 Ha r d n e s s o f c o a t i n g s b e f o r e a n d a f t e r h e a t t r e a t me n t A l u m i a 。 c e n t r a ti 。 竺 ! 竺 ： 呈 ! ： i n b a t h ( g L ) A s - p l a t e d A“ “ 。 1 。 d t 4 0 0 f o r 1 h 2 结果 与讨论 2 1 复合镀层 的成分 与形貌 表 3 所 列为镀态 镀层 的化学成分 。主要包含 Ni 、 P 、A1 和 O元素 。于能谱法仅能获得元素 的含量 ， 表中A 1 2 03 的含量是根据 A 1 元素的含量和 A 1 2 0 3 的化 学计量 比计算得到 的。广 大 】 为试样表 面存在 少量的吸附 0， 所 以实测 的氧含量 比化学计量 比要高 些。由表 3 叮知，随着镀液 中纳米 A l 2 0 3 用量 的增加 ，镀层 中纳 米 Al 2 0 3 的质量分数增加，且通过进一步的 算可知 镀层 中 N i 元素和 P元素 的质量 分数之 比波动较 小， 说 明纳 米 A1 2 0 3 的加入对 N i P基体镀层 的 P含量 影响 较 小。 镀态镀层 的表 形貌如图 1 所 示 。 通过对 比可 知， 图 l ( a ) 中Ni 。 P镀层所呈现的胞状结构形状各异 H 大 小 不一 ，而 图 1 ( b ) 中复合镀层 的胞状结构形状逐渐趋 于 表 3 镀 的化学成分 T a b l e 3 Co mp o s i t i o n o f Ni - P - ll a n o A1 2 03 c o a t i n g 1 ) C a l c u l a t e d v a l u e o f A1 2 O3 规则 【I 1 尺寸棚近 。这是 为 A 1 0 颗粒弥散分布往镀 层一 1 改变了 Ni胞状结构生长环境的结果， H镀层 中 A1 2 O 3 含避越岛 ，这种现 象越 明显 ，如图 1 ( c ) 所 示。图 1 ( C ) 巾胞状结 构表 出现 的大量小黑 点代表 了表面层 A 1 0 团聚体所 的位 置， 且胞状结构之 间的边界也 较 为清晰 。镀 的农而粗糙度测量结果表 明，随着镀 液 中 A 1 2 O 3 H lj 的增 加，镀层 的粗糙度从 0 4 3 g m 升 高 0 6 7 u m。 图 1 小 同钒化 川 甲 L 的化学镀层存镀态叫。 的表 形貌 Fi g 1 S u r t h c e mo r p h o l o g i e s o f a s p l a t e d e l e c t r o l e s s c o a t i n g s wi t h v a r i o u s a l u mi n a c o n c e n t r a t i o n s i n b a t h ：( a )Ni P； ( b ) Ni P A1 2 03 ， 3 g L；( C ) Ni P AI 2 03 ， 6 g L 2 2 复合镀层 的结构 图 2 ( a ) 所示为镀液中纳米 Al 2 03 用星为 3 g L的镀 层( A I 2 O 3 质 晟分数 为 1 4 6) 在镀态 时的 X R D 谱，在 在 2 为 4 5 。 芹有 f J 现一个极度宽化的散射峰 ，对应于 镍磷 合金的无定形或微 晶结构，而结晶相 的衍射峰对 应于镀层 】 的 Al 0 颗粒 。众所 周知 ，化学镀镍磷合 第 2 4卷第 7期 郊晓华，等：不同纳米氧化铝含量 Ni P AI 2 O 3 化学镀层的高温磨损性能 l 8 0 7 金在磷含量 为 7 8 时， 常呈现 出无定形结构 ， 本研 究 中试样 的磷含量约 为 9 4 ，较好地验证 了该结论 。 其他 A l 2 O3 用量 下的复合镀层在镀态时 的衍射 图谱与 此十分午 日 似 ，镍磷合金 基体均 为尢定形或微晶状态 。 镀态镀层经过 6 0 0 氧化 4 h后 的 XR D 谱如 图 2 ( b ) ( d ) 所示 。在图 2 ( b ) 中，镍磷合金镀层 出现 了 N i 、 Ni 3 P和 Ni O 相。 这 说明镀层在 6 0 0条件下发生 了晶 化反应， 非晶合金分解为 品态的 Ni 和 Ni P相 ， 而 Ni O 相来 自于镀层的氧化 。事实 二 ，镍磷 非晶合金在 4 0 0 左 右 就 能 发 生 较 为 完 整 的 晶化 I l l 。 当镀 液 中 A 1 2 O3 用量分别为 3和 6 g L时，从镀层的 XR D谱( 见 2 ( c ) 丰 口 ( d ) ) c f I 均胄 邑 观察至 0 Al 2 O3 、Ni 、N i 3 P 、Ni O才 目 的衍射峰 。Al o 颗粒 【大 】 为性 质稳定 ，在 氧化过程 中 未发生明 显分解或结构转变 。另外 ，所有镀层经过 高 温氧化 后m现 了一定量的 F e 2 0 3 相 ，原 凶是镀层厚度 较 溥并存在 一定数量的孔隙，经过较长时 间氧化后 ， 氧 化反应进 入了样品基体。 图2 f 同氰化铝用景的化学镀层的 X R D谱 Fi g 2 XRD p a t t e r n s o f e l e c t r o l e s s c o ati n g s wi t h v a r i o u s a l u mi n a c o n c e n t r a t i o n s i n b a t h ： ( a ) 3 g L ， a s p l a t e d ； ( b ) 0 g L ， a ft e r o x i d a t i o n ；( c )3 g L ，a ft e r o x i d a t i o n ；( d )6 g L ，a ft e r ox i d a t i on 2 3 复合镀层的高温氧化性能 图 3 所 示为镀层 试样经过 6 0 0高温氧化后 的质 垃增加随氧化时问和A1 2 0 3 用量的变化情况。 由图3 ( a ) _ 知 ，在试样 发生氯 化的第一个小时 内，各组试样 的 质量增加均最 多， 随后各组试样的质量增加缓慢增加 。 这是 于镀层 中非 品态 的 Ni 转化成 晶态 的 Ni 和 N i P 的 时 ，镀层表而包裹着 一层较 为致密的 Ni O，减缓 镀层 内部被进 一步氧化 的结 果。事 实上，图 3 ( a ) 中试 样的质量增加 随氧化 时问的变化近 似遵 循氧化过程的 典抛物线关 系模掣I 2 们 。图 3 ( b ) q b，在各种氧化时间 卜，随着镀液 中纳米 Al 0 刖量的增加 ，试样的质量 增 加均呈现 出先减 小后变 大的趋 势，且复合 镀层 的质 量增 加始 终比 Ni P镀层 的要 小。这说明纳米 A l 2 03 的 加 入可 以有效地提 高镀层 的抗 高温氧化性 能，且纳 米 A l 2 0 3 用量为 3 g L时，试样 的抗 高温 氧化 能力达到最 强 。这种现象可 归结为纳米 Al 2 O 自身优异 的抗 高温 氧化性能 以及对镀层 的机械屏蔽作用 。当镀层 中不 含 纳米 A1 2 O 3 或者含量很低时 ， 暴 露的 Ni P合金基体 积相对较大 ，致使镀层 的氧化质量增加迅速增加而表 现 较差 的抗高温氧化 性能。当镀层 中的纳米 A l 0 逐渐增 多且均匀弥散分布 于复合镀层中 时，Al 2 0 3的 机械屏蔽作用， 使得复合镀层 中 Ni P合金基体暴露 的 面积减少 ，从而使得试样的质量增加减小。另外，纳 米 A l 2 0 3 颗粒可 以作为氧化膜 的形核质点 ，促进氧化 膜的形核与长大 ，使复合镀层的表 形成一层致密且 有 良好 稳定性的氧 化膜， 减轻 了镀层 内部的氧化作用 ， 所 以复合镀层 的氧化质量增加较少，表现 rj 较好的抗 高温氧化性能【 2 ” 。此外，镀层孔隙率的降低也有利于 E C U E U 曼 图 3 6 0 0高温氧 化后试样 的质量增加 j 氧化 时问和氰化 铝用量 的火系 F i g 3 Re l a t i o n s h i p s a mo n g ma s s i n c r e me n t o f s a mp l e s a n d o x i d a t i o n t i me( a ) a n d a l u mi n a c o n c e n t r a t i o n i n b a t h( b ) a f t e r h i g h t e mp e r a t u r e o x i d a t i o n a t 6 0 0 l 8 0 8 I J 国有色金属学报 减轻镀层 的氧化 。然而 ，当镀层 中的纳米 Al 2 0 3 含量 进一步增 多时，纳米粒 于的分散不均匀、团聚现 象增 加，缺陷或孔隙率增 多，镀层 的致 密程度 下降，0 原 予的扩散速 度加快 ，Al ： 03 的机械屏 蔽作用被显 著削 弱，加之镀层 的厚度有减少的趋势 ，最 终使得氧 化 作用又增强 ，试样 的质量增加而表现 出镀层 的抗 高 温氧 化性能下降 。 2 4 复合镀层 的摩擦学性 能 图 4所示 为镀层的摩擦因数和镀液 中纳米 Al 0 用量之 间的关系。 由图 4可知 ，在两种测试温度下 ， 镀层 的摩擦 因数均 随纳米 A1 0 用量 的增加先下 降后 上升 ，且 Ni P A 1 ， O 复合镀层的摩擦因数始终 比 N i P 合金镀层 的低 。这 说明纳米 Al 2 0 3 的加入能有效 降低 复合镀层 的摩擦 数且纳米 Al ： 0 3 的用量存在最佳值 ( 3 g L ) 。这种现象可 归结为纳米 A 1 2 0 3 颗粒改变 了摩 擦副 界面问 的接触状 态( 或摩擦机 理) 。当镀层 中纳米 Al ， 0 含 最不高时 ，镀 层 比较光滑 ，摩擦副 的实际接 触面积较大 ，从而具有较 高的摩擦 因数 ；随着 镀层中 纳米 A l O 含量 的逐渐增加 ， 由于弥散分布的高硬度 Al ， 0 颗粒 能有效 降低 摩擦副 的实际接 触而积 ，所 以 镀 层的摩擦 数逐渐 降低 。当纳米 Al 2 03 含量超过临 界值 之后 ，镀层表面 的胞状结构 更为明显且粗 糙度 增 加( 见图 1 ( c ) ) ， 其机械变形 阻力的增加是摩擦 因数升高 的主要原因 。也就是说 ，复合镀层 的摩擦 因数最优值 与镀层 中 A l ： 0 质量分数 的某个 区间相对应 ，在此 区 间内，纳 米 A1 ， O 能有效 降低镀层 的摩擦 数 ，此 结 果 与文献 1 5 】 一致 。另外，从图 4中还可 以看 到，镀 层在 6 0 0 o C下的摩擦 凶数 比 2 0 0的低 ，这丰 要是因 为镀层在 6 0 0 o C下具有更低 的机械 强度 ，剪切 阻力更 小。另一个 可能原因是 6 0 0 o C时镀层表 面的氧化程度 比 2 0 0时的严重 ，在镀层表面 形成 了一层致 密且较 厚 的 N i O氧化膜 ， 而 N i O膜具有 良好 的塑性和粘着性 ， 能缓解 陶瓷球和镀 层的接 触与焊合 ，起到高温润滑 的 作用【 2 4 】 。值得注意 的是，镀液中纳米 A l 2 O3 的用量低 于 3 g L时，镀层 在两种测试温 度下的摩擦 因数差异 很大 ，而高 于 3 g L之后则极为相近 ，这一现象 良好 地佐证 了这 一事实 ：高纳米 Al 0 含量 的镀层 的摩擦 磨损机理与低纳米 Al 2 0 3 含量 的镀层存在 显著差异 。 图 5所示 为镀层经 过 6 0 0 磨损之后的表面形 貌。通 过对 比可知 ，图 5 ( a ) 中 N i P合金试样表面较为 粗糙 ，划痕较深且纹路清 晰，其 磨损主 要 以陶瓷球的 犁削作用为主 ，试样 的塑性变形 、犁沟 和粘着 效应都 Al u mi n a c o n c e n t r a t i o n i n b a t h ( g L 一 ) 图 4 氧化锅用量对镀层摩擦冈数的影响 Fi g4 Ef f e c t s of a l umi na c o nc e n t r a t i o n i n b a t h on f r i c t i o n c oe ffi c i e nt o f c o a t i ng s 图 5镀层经 6 0 0高漏 磨损 后的表面形貌 Fi g 5 Su r f ac e mor p ho l o gi e s o f we a r s c a r of c oa t i n gs a f t e r we a r t e s t i n g a t 6 0 0： ( a ) Ni P ：( b ) Ni P A1 2 03 ， 3 L ；( C ) Ni P A1 2 03 ， 6 g L 第 2 4卷第 7期 郑晓华，等：不同纳米氧化铝含量Ni - P AI 2 03 化学镀层的高温磨损性能 1 8 0 9 比较明显；图 5 ( b ) 中试样表面相对光滑，磨痕上分布 着少量深划痕和许多小黑点( 对应于纳米 A 1 2 O 颗粒团 聚体脱落后留下的孔洞) ； 而图 5 ( c ) 中试样表面更加光 滑并均匀地分布着大量小黑点( 纳米Al 2 0 3 颗粒团聚体 的孔洞) ，几乎观察不到深划痕。由此可以看出，随着 镀层中纳米 A l 2 O 3 含量的增加，镀层的犁沟效应明显 减弱，而磨粒的抛光效应逐渐增强。这主要是由于加 入的 A l 2 O3 颗粒作为硬质相，能显著降低摩擦副的实 际接触面积，从而有效抑制了陶瓷球表面微凸体对镀 层表面的犁沟作用， 且纳米 Al O 弥散分布在镀层中， 使得发生粘着效应的有效接触面积减少 。此外，磨损 过程中脱落的 A l 2 O 3 颗粒还对镀层起到机械抛光的作 用。因此，Ni P 纳米 A l 2 0 3 复合镀层的磨损以磨粒磨 损和少量的粘着磨损为主【 ， 。镀层在 2 0 0 C下的磨 损情 况与 6 0 0的类似 ， 只是各镀层之 间的差异 比6 0 0 时的小，且磨损程度也比6 0 0时的轻。 图 6所示为镀层的磨损率和镀液中纳米 A 1 2 0 3 用 量的关系。由图 6 可知， 无论是在 2 0 0还是 6 0 0， 镀层的磨损率均随着镀液中纳米 Al 2 O 3 用量的增加而 减小 ，这 说明镀层 中纳米 Al 2 0 3 含量 的增加可 以有效 提高镀层的耐磨性能。一般认为，在摩擦过程中具有 较高硬度的 A1 2 O 3 颗粒具有很好的耐磨性，并且作为 硬质相在镀层表 面上能对摩擦表面载荷起到一个支撑 作用，从而缓解合金基体的磨损，进而大幅度改善镀 层的耐磨性能。另外，弥散分布在镀层中的 Al 2 O 3 颗 粒在脱落时可以使摩擦形式由滑动摩擦变为滑动与滚 动复合摩擦，从而降低了摩擦因数，有效减小了磨损 过程中的剪切应力。再者，由于 A 1 0 3 颗粒具有 良好 Al u mi n a c o n c e n t r a t i o n i n b a t h ( g L 一 ) 图 6 镀层磨 损率与氧化铝用量 的关系 Fi g 6 Re l a t i o n s h i p b e t we e n we a r r a t e o f c o a t i n g a n d a l u mi n a c o n c e n t r a t i o n i n b a t h 的抗高温特性，能对位错的滑移和晶粒的长大起到一 定的阻碍作用，从而强化镀层，硬度上升( 见表 2 ) ， 使 镀层 的耐高温摩擦性 能提升 。因此 ，镀层 中 AI 2 0 3 颗 粒复合量越多，Ni P A1 2 O 3 复合镀层的耐磨性能就越 好 H ， 1 7 , 。 图 6中， 镀层在 2 0 0下的磨损率比 6 0 0 下 的小很多 ，这 是因为在 6 0 0下，复合镀层 中 N i 3 P 及 Ni 相聚集长大、晶粒粗化，镀层的硬度、弹性模量 和剪切强度等性能指标降低，在相同的磨损机理和试 验条件下，镀层的软化程度增加，塑性变形量增大， 导致镀层的剪切变得容易，摩擦因数下降，磨损量增 D H 。此外，随着镀液中纳米 Al 2 O 3 用量的增加，6 0 0 时， 镀层磨损率的下降速度f 斜率) 比2 0 0时的大， 这说明6 0 0时纳米 A1 2 0 3 颗粒对镀层的增强效应更 为明 显。 3 结论 1 )镀层在 6 0 0氧化过程中经历非晶态的 N i 逐 渐转变成晶态的Ni 、 N i 3 P和 Ni O相，而 A 1 2 O3 颗粒保 持原有晶态结构。 2 )随着镀液中纳米 Al 2 0 3 用量的增加，镀层中 A 1 2 O 3 的含量随之增加，镀层的氧化质量增加和摩擦 因数均呈现出先降低后升高的趋势，镀层的磨损率则 单调下降，镀层的磨损机制 由磨粒磨损和粘着磨损并 重逐渐转变 为磨粒磨损 为主 。 3 )镀层在 6 0 0时的摩擦因数和耐磨性均比2 0 0 时的要低，但纳米 A I ： O3 对镀层高温耐磨性的增强 作用在 6 0 0时更有效。当镀液中纳米 A 1 2 0 3 用量为 3 g L时， 镀层 的抗 高温氧化性 能最好 ， 摩擦 因数也最 低 ( 约 为0 7 5 ) ， 磨 损 率 为1 1 1 0 1 - 2 - 3 1 0 m m1 ，综合高、温 陛能优 良。 REFERENCES 1 李 宁 化 学镀 实用技术【 M 北京：化学 工业 出版社，2 0 1 2 ： 2 -5 L I Ni n g P r a c t i c a l t e c h n o l o g y o f e l e c t r o l e s s p l a t i n g M B e i j i n g ： Ch e mi c a l I n d u s t r y Pr e s s ， 2 01 2 ： 2 -5 2 Z HANG S h u s h e n g ， HAN Ke -j i a n g ， C HE NG L i n T h e e ff e c t o f S i C p a r t i c l e s a d d e d i n e l e c t r o l e s s Ni P p l a t i n g s o l u t i o n o n t h e p r o p e r t i e s o f c o mp o s i t e c o a t i n g s J S u r f a c e a n d C o a t i n g s T e c h n o l o g y , 2 0 0 8 ， 2 0 2 ( 1 2 ) ： 2 8 0 7 2 8 1 2 3 郑 晓华，宋 仁 国，姚建华镍一 磷一纳米氧化铝 化学镀层 的激 光热 处理及其 摩擦 磨损性能 J 】 _中国激光，2 0 0 8 ，3 5 ( 4 ) ： ( - I - g I Zn 量f 1 0一 ) Q I 事 1 8 1 0 中国有色金属学报 2 0 1 4年 7月 61 0 - 61 4 Z HE NG Xi a o - h u a ， S ONG R e n g u o ， Y