Ni-P復(fù)合鍍層制備及其摩擦力學(xué)特性分析.pdf

1、Ni-P合金鍍層具有鍍液穩(wěn)定、操作簡單、耐磨耐蝕性能優(yōu)良以及性價比高等特點(diǎn)，在電子、機(jī)械、化學(xué)化工等工業(yè)領(lǐng)域中獲得了廣泛應(yīng)用。但是，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，單一鍍層材料難以滿足復(fù)雜惡劣工況條件下對材料性能的要求，多元多功能Ni-P復(fù)合鍍層材料正日益引起人們的重視。本文研究工作以納米三氧化二鋁和六方氮化硼為分散相，采用脈沖電沉積方式制備Ni-P復(fù)合鍍層，利用SEM、XRD以及EDS等手段分析鍍層的結(jié)構(gòu)，同時采用Tafel線性外推法、電

2、化學(xué)交流阻抗以及摩擦磨損實(shí)驗(yàn)等手段對鍍層的耐蝕及摩擦學(xué)性能進(jìn)行評價。為了探索復(fù)合鍍層的失效機(jī)理，本文對Ni-P/納米Al2O3復(fù)合鍍層劃痕過程進(jìn)行了有限元模擬，分析了涂層中應(yīng)力分布規(guī)律，獲得了涂層可能產(chǎn)生裂紋的位置和模式。
　　采用脈沖電沉積方法制備Ni-P復(fù)合鍍層的適宜工藝條件為:pH值4.0，脈沖頻率1500Hz，占空比0.2，電流密度5A/dm2，鍍液溫度50℃，鎳磷鍍液中分散相Al2O3或BN(h)懸浮量為20g/L，表面

3、活性劑為聚乙烯醇。
　　Ni-P復(fù)合鍍層熱處理前為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，經(jīng)200℃熱處理后鍍層內(nèi)析出少量的Ni5P4和Ni12P5等亞穩(wěn)相，鍍層結(jié)構(gòu)仍為非晶態(tài)，300℃熱處理80分鐘后鍍層內(nèi)開始析出少量穩(wěn)定的Ni3P相，鍍層為非晶態(tài)與晶態(tài)混合組織，400℃熱處理80分鐘后，鍍層中Ni12P5等亞穩(wěn)相消失，主要為Ni3P相，鍍層已完全晶化。與Ni-P合金鍍層對比，Al2O3、BN(h)固體顆粒阻滯了鍍層中第二相的析出速度，使晶化時間延長。當(dāng)熱

4、處理溫度不變時，隨著熱處理時間的延長，Ni-P復(fù)合鍍層的顯微硬度先增大后減小，出現(xiàn)一個硬度峰值；提高鍍層的熱處理溫度，達(dá)到硬度峰值所需要的熱處理時間縮短。
　　載荷為30N,轉(zhuǎn)動速度為100r/min時，Ni-P/納米Al2O3和Ni-P/BN(h)復(fù)合鍍層與淬火45鋼對摩時的摩擦因數(shù)分別為0.2、0.08，2種復(fù)合鍍層的耐磨性能比Ni-P合金鍍層顯著提高，Ni-P復(fù)合鍍層具有優(yōu)異的摩擦學(xué)性能。在低載荷和低轉(zhuǎn)速條件下，復(fù)合鍍層的磨

5、損機(jī)理為輕微磨粒磨損，在高載荷和高轉(zhuǎn)速條件下，表現(xiàn)為疲勞磨損與磨粒磨損的混合磨損機(jī)理。
　　2種Ni-P復(fù)合鍍層在3.5％NaCl和10%H2SO4腐蝕介質(zhì)中的耐蝕性能均優(yōu)于Ni-P合金鍍層；熱處理后復(fù)合鍍層在3.5%NaCl溶液中的耐蝕性能發(fā)生了改變，300℃熱處理后的復(fù)合鍍層耐蝕性能最好，而400℃熱處理后的耐蝕性能降低，出現(xiàn)了輕微的點(diǎn)蝕；隨著浸泡時間的延長，Ni-P/BN(h)復(fù)合鍍層的耐蝕性先升高后降低。鋁液與Ni-P/納

6、米Al2O3復(fù)合鍍層的濕潤性較差。鋁液在Ni-P/納米Al2O3復(fù)合鍍層表面只發(fā)生界面反應(yīng)，產(chǎn)生較薄的金屬化合物AlP或Al3Ni層，不利于鋁液在復(fù)合鍍層上的鋪展。因此，Ni-P/納米Al2O3復(fù)合鍍層表現(xiàn)出良好的耐鋁侵蝕性能。
　　劃痕過程可以分為劃針尖端壓入涂層表面、劃針在涂層表面上滑動和劃針升高等三個階段。前兩個階段由于劃針尖端對涂層表面的作用，在涂層表面形成劃痕，在涂層中產(chǎn)生局部高應(yīng)力；劃針升高后在涂層中留下了較大的殘余應(yīng)

7、力。應(yīng)力分析表明當(dāng)劃針尖端壓入涂層后，由于基底的塑性變形，在劃針尖端周邊的接觸邊緣區(qū)域會產(chǎn)生堆積變形，在堆積的頂點(diǎn)，徑向應(yīng)力和第一主應(yīng)力具有最大拉應(yīng)力；在接觸中心之下，涂層/基底界面上的對應(yīng)點(diǎn)，徑向應(yīng)力、第一和第二主應(yīng)力會出現(xiàn)最大拉應(yīng)力；劃針尖端壓入涂層后在涂層表面滑動時，劃針尖端的前面，涂層會產(chǎn)生最大的堆積，在堆積區(qū)域的頂點(diǎn)，沿滑動方向的正應(yīng)力和第一主應(yīng)力出現(xiàn)了最大拉應(yīng)力；劃針尖端壓入涂層深度越大，基底塑性變形越大，堆積就會越高，在堆

8、積區(qū)沿著滑動方向的正應(yīng)力和第一主應(yīng)力就會越大；對于涂層為彈性變形，基底為彈塑性變形的涂層結(jié)構(gòu)，劃痕過程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力主要集中在劃痕結(jié)束時劃針尖端之下的涂層/基底界面區(qū)域，以及劃針尖端前面的堆積區(qū)，殘余應(yīng)力的最大值主要存在于涂層表面和基底/涂層界面的涂層中，這些最大殘余應(yīng)力均是拉應(yīng)力。根據(jù)應(yīng)力的分布規(guī)律，在劃痕過程中涂層產(chǎn)生裂紋主要會出現(xiàn)在劃針尖端前面堆積區(qū)的表面和劃針與涂層接觸區(qū)之下的涂層/基底界面上，這些區(qū)域內(nèi)最大應(yīng)力都是拉應(yīng)力，相應(yīng)