纳米Al2O3-Ni-P化学复合镀层的制备及其摩擦学性能.pdf

文章编号: ( ) 纳米A l O N i P化学复合镀层的制备及其摩擦学性能 顾红艳, 何春霞 ( 南京农业大学工学院, 江苏省智能化农业装备重点实验室,南京 ) 摘要:为了获得摩擦学性能优良的镀层, 在 钢 基材上实施了纳米A l O N i P化学复合镀, 采用正交 试验法优选了镀液配方, 研究了镀液中纳米A l O含 量、 镀液温度对复合镀层显微硬度、 摩擦和磨损性能的 影响, 用扫描电子显微镜对复合镀层表面形貌进行观 察.结果表明, 镀液中纳米A l O含量是影响复合镀 层硬度和耐磨性能最主要因素.纳米A l O能有效改 善N i P合金镀层结构, 在镀层中分布较均匀, 使复合 镀层硬度和耐磨性能明显提高.当纳米A l O含量为 g /L时, 纳米粒子在复合镀层中分布致密、 均匀, 复 合镀层硬度和耐磨性最佳,与基材 钢结合性较 好.镀液温度对复合镀层硬度和耐磨性能有一定影 响, 最佳镀液温度为 , 此时复合镀层硬度和耐磨 性较好. 关键词:复合镀层; 纳米A l O; 摩擦磨损性能 中图分类号:T Q ; TH 文献标识码:A D O I: / j i s s n 引言 随着现代科技的不断发展, 对钢材的表面性能要 求越来越高, 钢材表面磨损与防护问题日益突出, 传统 的浸镀、 喷涂等处理方法已难以满足需求, 因此必须探 索钢材表面改性新途径.在镍磷等化学镀液中添加不 溶性的纳米粒子, 在基材表面形成的纳米化学复合镀 层, 既具有基质金属的优良特性, 又具有纳米材料的特 殊功能, 与单一镀层相比, 纳米化学复合镀层在硬度、 耐磨性、 耐腐性及润滑性等方面有显著改善, 且其操作 方便、 成本低廉, 有广泛的应用前景.已有研究表明, 在化学镀液中添加纳米粒子, 能改变镀层组织结构, 提 高镀层性能 .纳米 A lO具有高强度、 高硬度、 耐 磨、 热稳定性好等优异性能, 其粉体粒度分布均匀、 纯 度高、 极易分散, 广泛应用于各种塑料和陶瓷材料的补 强增韧, 将纳米A l O粒子添加到N i P镀液中, 能有 效提高复合镀层耐磨性能, 已取得了一定的效果 . 钢广泛用于机械、 纺织、 交通、 建筑、 冶金等行业, 在纺织工业中, 钢因其成本低、 易加工而成为环锭 细纱机主要钢领材料, 但钢领易磨损失效, 频繁更换钢 领又严重影响纺纱质量, 因此提高钢领耐磨性能, 对节 约钢材、 提高生产质量和效率具有重要意义.为提高 钢耐磨性能, 本文以 钢为基材, 采用正交试验 法, 优选了镀液配方, 通过改变镍磷镀液中纳米A l O 含量、 温度等, 制备了纳米A l O化学复合镀层, 探讨 了影响复合镀层耐磨性能的主要因素, 分析了镀液中 纳米粒子A l O含量和施镀温度对复合镀层硬度和摩 擦磨损性能的影响. 实验 基材及其前处理 纳米A l O由中国科学院泰兴纳米材料厂生产, 其平均粒径为 n m; 比表面积 m / g; 纯度为 . 纳米A l O镍磷化学复合镀层工艺流程见图所 示. 图纳米A l O N i P复合镀层工艺 F i g P r e p a r a t i o nt e c h n o l o g yf o rn a n o A lO N i P c o m p o s i t ec o a t i n g s 具体工艺流程为: ( )基材打磨: 用 、 、 、 砂纸依次打磨试样; ( )化学除油: 将试样放入一定浓 度和一定温度N a OH溶液中 m i n, 取出用冷水冲洗 干净, 再用丙酮浸泡试样, 用清水冲洗干净; ( )活化: 将试样置于质量分数为 中硫酸活化m i n; ()水 洗: 取出试样后迅速用清水冲洗干净, 并用无水乙醇浸 泡, 在施镀前取出, 并迅速烘干; ( )配制纳米复合镀 液: 按配方配制N i P镀液, 将纳米A l O在超声场下 分散后, 加入N i P镀液中搅拌; ()施镀: 将处理好的 试样放入纳米化学复合镀液中施镀, 时间 m i n, 清 洗试样; ( )热处理: 将试样放入高温箱式电阻炉中进 行热处理, 热处理温度为 , 时间为h, 试样热处 理后自然冷却至室温( ) . 化学镀基础配方、 工艺参数及优选方案、 实验设 计 采用四因素三水平正交试验设计优化法, 选择镀 液中主盐硫酸镍(N i S O HO) 浓度、 还原剂次亚磷 年第 期( ) 卷 基金项目: 国家科技支撑计划子课题资助项目( B A D B ) 收到初稿日期: 收到修改稿日期: 通讯作者: 顾红艳,E m a i l:g u h o n g y a n n j a u e d u c n 作者简介: 顾红艳( ) , 女, 江苏南通人, 高级实验师, 从事纳米复合材料研究. 酸钠(N a HP O HO) 浓度及络合剂乳酸浓度, 以及 纳米A l O含量为影响因素, 以复合镀层显微硬度和 磨损质量损失为评价指标, 影响因素水平如表所示. 表纳米A l O化学复合镀液配方正交试验各因素 水平表 T a b l eT a b l ea b o u t f a c t o r sa n dl e v e l so fo r t h o g o n a l e x p e r i m e n to ff o r m u l af o rt h en a n o A lO e l e c t r o l e s sc o m p o s i t ep l a t i n g 水平因子 A/gL B/gL C/m LL D/gL 硫酸镍次亚磷酸钠乳酸 A lO 测试表征 用HX S AK显微硬度计测试复合镀层显微 硬度, 所加载荷为 g, 加载时间为 s, 用M 摩 擦磨损试验机测试复合镀层磨损质量损失及摩擦系 数, 偶件为 钢环, 尺寸: mm mm, 转速为 r/m i n, 表面粗糙度Ra: m, 用J S M 扫 描 电 子 显 微 镜 观 察 复 合 镀 层 表 面 形 貌, 用 E D A X能谱分析仪对复合镀层进行能谱分析. 结果与讨论 复合镀层镀液配方优化设计 表为表的试验方案和试验结果, 表为表 级差分析结果. 表试验方案与试验结果 T a b l eE x p e r i m e n t a l p l a na n dr e s u l t s 编 号 A/ gL 硫酸镍 B/ gL 次亚磷酸钠 C/ m LL 乳酸 D/ gL A lO 磨损量 / m g 显微 硬度 /HV 从表级差分析结果可以看出,D( 纳米A lO粒 子含量) 是个因素中最主要影响因素, 其对复合镀层 显微硬度和磨损量影响最大, B( 还原剂次亚磷酸钠) 因 素次之, C( 乳酸) 因素对镀层显微硬度和磨损量影响 较少, 最优配方为D B A C , 即纳米A l O粒子较合 适含量为 g /L.这主要与纳米A l O N i P复合镀层 形成机理有关, 纳米A l O N i P复合镀层形成时发生 如下氧化还原反应 N i HP O HO N i HP O H HP O HP O H O OH P 镀液中N i 离子还原时, 伴随次亚磷酸盐分解而 产生磷原子进入镀层, 形成N i P固溶体, 在这些反应 发生的同时, 悬浮于溶液中的纳米A l O粒子与反应 生成的N i和P一起沉积到基体材料表面形成A l O N i P复合镀层 , 当镀液中纳米 A lO含量适当时, 致密而均匀分布的纳米A l O使复合镀层表面有较高 的硬度和耐磨性. 表级差分析结果 T a b l eR e s u l t so f r a n g ea n a l y s i s ABCD 磨损量 / m g Ki Ki Ki 级差R 优水平 A B C D 显微硬度 /HV Ki Ki Ki 级差R 优水平 A B C D 镀液中A lO含量对复合镀层显微硬度和摩擦 磨损性能影响 从以上正交试验结果可知, 纳米A l O含量对复 合镀层硬度和耐磨性能影响最大, 为深入探讨镀液中 纳米A l O含量对复合镀层性能影响, 对最优镀液配 方中纳米A l O含量做进一步单因素试验, 得出镀液 中不同纳米A l O含量的复合镀层显微形貌见图, 基 材与最佳纳米复合镀层的扫描电镜图及能谱分析图见 图, 显微硬度和摩擦磨损性能见图. 图(a) 和(b) 分别为基材 钢和 钢表面 N i P合金镀层显微形貌, 图(c)(g) 为 钢在不同纳 米A l O含量的镀液中制备的复合镀层显微形貌, 可 以看出, 基材 钢表面有微孔缺陷, 纯 N i P合金镀 层只能在基材上镀N i P膜, 而纳米A l O N i P复合 镀层表面比较均匀地分布着纳米粒子, 粒子能有效改 善基材表面微孔缺陷结构, 使镀层表面变得平整.从 图( c)(g) 还可以看出, 当镀液中纳米A lO含量较 少时, 复合镀层表面被包覆的纳米粒子较少, 不能完全 覆盖基材 钢表面; 当镀液中纳米 A lO含量过多 时, 纳 米A l O在 复 合 镀 层 中 分 布 不 均 匀; 当 纳 米 A lO含量为g/L时, 纳米A lO粒子在复合镀层中 分布较致密、 均匀.图表明, 复合镀层中存在一定含 量的纳米A l O粒子, 纳米复合镀层中纳米粒子分布 较均匀. 顾红艳 等: 纳米A l O N i P化学复合镀层的制备及其摩擦学性能 图镀液中纳米A l O含量对复合镀层的显微形貌影响 F i gT h es u r f a c em o r p h o l o g yo f c o m p o s i t ec o a t i n g s i nt h ed i f f e r e n t c o n t e n to fn a n o A lO p a r t i c l e s 图复合镀层扫描电镜图与能谱分析图 F i gC o m p o s i t ec o a t i n gb yS EMa n dE D X 年第 期( ) 卷 图镀液中不同含量纳米A l O复合镀层的显微硬 度和摩擦磨损性能 F i g M i c r o h a r d n e s sa n dw e a rm a s sl o s sa n df r i c t i o no fc o m p o s i t ec o a t i n g si nt h e d i f f e r e n t c o n t e n to fn a n o A lO p a r t i c l e s 图(a) 为镀液中纳米A l O含量对复合镀层显 微硬度的影响, 从图可知, 纳米A l O N i P复合镀层 显微硬度均明显高于N i P合金镀层, 且随着镀液中 纳米A l O含量增加, 其复合镀层显微硬度先提高后 下降, 当纳米复合镀液中纳米A l O含量为g /L 时, 纳米A l O N i P复合镀层显微硬度为 HV, 是N i P镀层的 倍.这是由于镀液中纳米A lO 粒子含量直接影响复合镀层中被包覆至合金镀层的 纳米粒子的数量, 镀液中纳米A l O含量少于g /L 时, 随纳米A l O含量增加, 沉积到基材表面纳米 A lO粒子数增加, 被包覆至合金镀层中机率增大, 从而使复合镀层硬度增大; 当镀液中纳米A l O含量 过多时, 部分纳米A l O未被包覆于合金镀层中, 导 致纳米A l O在复合镀层中沉积不均匀, 从而使复合 镀层显微硬度下降.图(b) 为镀液中纳米A l O含 量对复合镀层磨损质量损失和摩擦系数的影响.从 图可知, 纳米A l O N i P复合镀层耐磨性优于N i P 合金镀层, 但摩擦系数高于N i P合金镀层, 且随着镀 液中纳米粒子含量增加, 复合镀层耐磨性和摩擦系数 与镀液中纳米A l O含量的关系和显微硬度与纳米 A lO含 量 关 系 相 似, 当 镀 液 中 纳 米 粒 子 含 量 为 g /L时, 复合镀层磨损质量损失为 m g, 其耐磨 性是N i P镀层的 倍.复合镀层耐磨性和摩擦 系数与复合镀层表面材料及其分布状态有关, 复合镀 层表面嵌有纳米A l O粒子, 纳米A lO本身具有较 高的硬度和耐磨性, 在摩擦过程中起到支撑摩擦表面 负荷的作用, 减轻了对基质合金的磨损 , 同时纳米 粒子起到弥散强化作用, 加强了N i P基质合金的弥 散强化效果 , 因此复合镀层耐磨性得到大幅提高, 但其表面粗糙度高于镍磷合金镀层, 摩擦系数较大. 镀液温度对复合镀层显微硬度和摩擦磨损性能 影响 图为不同镀液温度下纳米A l O复合镀层显 微形貌. 图不同镀液温度的复合镀层显微形貌 F i gT h es u r f a c em o r p h o l o g yo f c o m p o s i t ec o a t i n g s i nt h ed i f f e r e n tp l a t i n g l i q u i dt e m p e r a t u r e s 顾红艳 等: 纳米A l O N i P化学复合镀层的制备及其摩擦学性能 从图可以看出, 当镀液温度达到 时, 复合 镀层显微形貌达最佳,A l O纳米粒子在镀层表面分 布较致密、 均匀. 图(a) 、 (b) 分别为不同镀液温度下的纳米复合 镀层的硬度及磨损质量损失.从图可以看出, 当镀液 温度 时, 随着温度升高, 复合镀层硬度及耐磨 性逐渐提高, 温度 复合镀层性能随之下降, 镀 液温度为 时复合镀层硬度和耐磨性较佳, 其显微 硬度为 HV, 磨损质量损失为 m g.这是由 于温度升高, 镀液中离子与纳米粒子运动加快, 对基材 表面碰撞、 刮擦作用增强, 基材表面活性数目增加, 使 复合镀层致密平整; 而温度过高时, 镀液不稳定, 易产 生沉淀, 纳米粒子运动过快, 导致复合镀层不均匀, 从 而使复合镀层硬度和耐磨性降低. 图不同镀液温度下纳米A l O复合镀层硬度及磨 损质量损失 F i g M i c r o h a r d n e s sa n dw e a rm a s sl o s so fc o m p o s i t ec o a t i n g s i nt h ed i f f e r e n tp l a t i n g l i q u i dt e m p e r a t u r e s 结论 ( )由于化学复合镀工艺的影响因素较多, 用正 交试验法对纳米A l O N i P化学复合镀液工艺参数 进行优化, 得出最佳化学复合镀工艺条件, 镀液中纳米 A lO粒子含量是影响复合镀层硬度和耐磨性的最主 要因素. ( )通过对最优镀液配方中纳米A lO含量做 单因素试验得知, 镀液中纳米A l O含量对复合镀层 显微硬度和耐磨性有明显的影响, 纳米A l O N i P复 合镀层显微硬度和耐磨性均明显高于N i P合金镀层, 随着镀液中纳米A l O含量增加, 其复合镀层显微硬 度和耐磨性先提高后下降, 当复合镀液中纳米A l O 含量为g/L时, 纳米A l O N i P复合镀层显微硬度 和耐磨性最好. ( )从镀层显微形貌可以看出, 基材 钢表面 有微孔缺陷, 纯N i P合金镀层只能在基材上镀N i P 膜, 而纳米A l O N i P复合镀层表面比较均匀地分布 着纳米粒子, 粒子能有效改善N i P合金镀层结构, 纳 米粒子A l O能填充表面微孔缺陷, 使基材表面缺陷 得到改善. ( )镀液温度对纳米A lO N i P复合镀层性能 有一定影响, 当镀液温度为 ,A l O纳米粒子在 镀层表面分布较致密、 均匀, 纳米复合镀层硬度和耐磨 性较好. 参考文献: L uX i a n g f e n,W uY u c h e n g,Z h uB a n g t o n g,e t a l P r e p a r a t i o na n dp r o p e r t i e so fN i P T i On a n o c o m p o s i t ec o a t i n g JJ o u r n a lo fF u n c t i o n a lM a t e r i a l s, , () : C h e n gX i u,J i eX i a o h u a,C a iL i a n s h u,e ta l M i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so fN i P S i C(n a n o m e t e r)e l e c t r o l e s s c o m p o s i t ec o a t i n gJ J o u r n a lo fM a t e r i a l sE n g i n e e r i n g, ,() : M aZS,Z h o uYC,L o n gSG,e t a l R e s i d u a l s t r e s s e f f e c t o nh a r d n e s sa n dy i e l ds t r e n g t ho fN i t h i nf i l mJS u r f a c e a n dC o a t i n g sT e c h n o l o g y, , () : S u nY o n g,Z h a n g Z h a o g u o,L i J i a m i n,e ta l W e a rr e s i s t a n c eo fe l e c t r o l e s sN i P n a n oS i Cc o m p o s i t ec o a t i n gJ T r a n s a c t i o n so f t h eC S A E, , ( ) : Y u a nQ i a n g,Z h o uS h u r o n g,Z h e n g H a o,e ta l M i c r o s t r u c t u r ea n d p r o p e r t i e so f N i P e l e c t r o l e s sc o m p o s i t e c o a t i n ga d d e dw i t hn a n o T i OJ R a r e M e t a lM a t e r i a l s a n dE n g i n e e r i n g, , () : Y uL i u h u i,H u a n g W e i g a n g,Z h a oX u S t u d yo nN i P n a n oT i Ne l e c t r o l e s sc o m p o s i t ec o a t i n gJ S u r f a c eT e c h n o l o g y, , () : M aZS,Z h o uY C,L o n gSG,e ta l O nt h ei n t r i n s i c h a r d n e s so f am e t a l l i cf i l m/s u b s t r a t es y s t e m:i n d e n t a t i o n s i z e a n ds u b s t r a t e e f f e c t s o r i g i n a lJ I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o fP l a s t i c i t y, , : L i uT i e h u,Z h u H o n g j i a n g As t u d yo nt h eN i P C rO c o m p o s i t ee l e c t r o l e s sp l a t i n gt e c h n o l o g ya n di t sc o a t i n g p e r f o r m a n c eJ C h e m i c a l E n g i n e e r i n g s i n t e r i n g;b i o c e r a m i c s;d e g r a d a t i o n;c y t o t o x i c i t y ( 上接第 页) A l i r e z a e i S,M o n i r v a g h e f i aSM,S a l e h i aM,e t a l W e a rb e h a v i o ro fN i Pa n dN i P A lOe l e c t r o l e s sc o a t i n g sJW e a r, , ( ) : C h a n gJ i n g l o n g,Wu Q i n g l i H a r d n e s sa n d w e a rr e s i s t a n c eo f(N i P) A lOn a n o p a r t i c l e c o m p o s i t ec o a t i n gJ P l a t i n ga n dF i n i s h i n g, , ( ) : F e n gQ i m e n g,C u iC h u n n i,L i uZ h i b i n C h a r a c t e r i z a t i o na n d p r o p e r t i e st e s t i n g o f N i P/ A lOc o m p o s i t ec o a t i n gJ J o u r n a lo fX ia n T e c h n o l o g i c a lU n i v e r s i t y, , () : P r e p a r a t i o na n dt r i b o l o g i c a l p r o p e r t i e so fn a n o A lO N i P e l e c t r o l e s s c o m p o s i t e c o a t i n g s GU H o n g y a n,HEC h u n x i a ( C o l l e g eo fE n g i n e e r i n g,N a n j i n gA g r i c u l t u r a lU n i v e r s i t y, J i a n g s uK e yL a b o r a t o r yf o r I n t e l l i g e n t A g r i c u l t u r a lE q u i p m e n t,N a n j i n g ,C h i n a) A b s t r a c t:I no r d e rt oo b t a i nt h ec o m p o s i t ec o a t i n go fe x c e l l e n tt r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e s,t h en a n o A lO N i P c o m p o s i t ec o a t i n gw a sa p p l i e dt o s t e e l s u b s t r a t e T h eo r t h o g o n a l e x p e r i m e n tm e t h o dw a su s e dt os t u d yt h e p l a t i n gb a t hf o r m u l a T h en a n o A lOc o n t e n t a n d t h ep l a t i n g t e m p e r a t u r ew e r e i n v e s t i g a t e d f o r t h e i r e f f e c t so n t h eh a r d n e s s,f r i c t i o na n dw e a rp r o p e r t yo f t h ec o m p o s i t ec o a t i n g T h es u r f a c et o p o g r a p h yo f t h ec o a t i n gw a s o b s e r v e dt h r o u g h t h e s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h em o s t i m p o r t a n t f a c t o r a f f e c t i n g t h eh a r d n e s s a n dw e a r r e s i s t a n c ew a s t h e c o n t e n t o fn a n o A lOp a r t i c l e s i np l a t i n g l i q u i d T h en a n o A lOp a r t i c l e se f f e c t i v e l y i m p r o v e dt h e s u r f a c e s t r u c t u r eo fN i Pa l l o yc o a t i n ga n dw e r ew e l l d i s t r i b u t e d i nt h e c o m p o s i t e c o a t i n g,w h i c hw o u l ds i g n i f i c a n t l y i m p r o v e t h e c o a t i n gh a r d n e s s a n dw e a r r e s i s t a n c e M o r e o v e r ,w h e n t h en a n o A lOc o n t e n tw a sg/L,t h en a n o p a r t i c l e sw e r ed e n s e l ya n de v e n l yd i s t r i b u t e d i n t h e c o m p o s i t e c o a t i n g,g e n e r a t i n gt h eb e s tc o a t i n gh a r d n e s s,w e a rr e s i s t a n c ea n db o n d i n gt ot h eb a s em a t e r i a l T h et e m p e r a t u r eo ft h e p l a t i n g l i q u i da f f e c t e dt h ec o a t i n gp r o p e r t i e sa n dp r o v i d e db e s th a r d n e s sa n dw e a r r e s i s t a n c ea t K e yw o r d s:c o m p o s i t e c o a t i n g;n a n o A lO;f r i c t i o na n dw e a rp r o p e r t y 年第 期( ) 卷