常京龍， 吳慶利

(1.天津冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，天津 300400;2.大連機(jī)床集團(tuán)，遼寧大連 116620)

(Ni-P)-Al2O3納米微粒復(fù)合鍍層硬度和耐磨性測試

常京龍1， 吳慶利2

(1.天津冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，天津 300400;2.大連機(jī)床集團(tuán)，遼寧大連 116620)

為了改進(jìn)鋼材表面性能，采用復(fù)合化學(xué)鍍技術(shù)制備(Ni-P)-Al2O3納米微粒復(fù)合鍍層，由于納米微粒獨(dú)特的物理化學(xué)特性致使使得到的復(fù)合鍍層具有多種優(yōu)良性能。通過Ni-P合金鍍層、(Ni-P)-Al2O3納米微粒復(fù)合鍍層和熱處理后的(Ni-P)-Al2O3納米微粒復(fù)合鍍層硬度和耐磨性能測試，得出(Ni-P)-Al2O3納米微粒復(fù)合鍍層尤其是熱處理后其硬度和耐磨性能得到很大的改善。

(Ni-P)-Al2O3納米微粒復(fù)合鍍層;硬度;耐磨性

引 言

現(xiàn)代科技進(jìn)步對鋼材的表面性能要求越來越高，很多重要零件普通鋼材不能滿足使用要求［1-2］。為此研究改進(jìn)鋼鐵零件表面性能的技術(shù)和方法，且取得浸鍍、噴涂或拋光等眾多豐富成果，這些處理方法得到的零件表面存在的不足，不能更好地滿足生產(chǎn)需要，因此必須探索金屬材料改性新途徑。

近年來，納米材料的應(yīng)用研究是國內(nèi)外材料領(lǐng)域研究的一個熱點(diǎn)，在改善鋼材表面性能方面也取得一些新的應(yīng)用成果［3-4］。納米復(fù)合化學(xué)鍍是正處于不斷完善、深化和發(fā)展之中的新技術(shù)，它是在化學(xué)鍍液中加入不溶性納米微粒，通過納米微粒與基質(zhì)金屬共沉積得到具有新型優(yōu)質(zhì)特性納米復(fù)合鍍層［5-6］。目前納米復(fù)合化學(xué)鍍過程中有些現(xiàn)象原因還不明確，例如對納米粒子在鍍液中懸浮和沉積并鑲嵌在鍍層中的機(jī)理還沒有達(dá)成共識。改變鍍液成分和更換納米微粒種類可制備出性能各異的納米復(fù)合鍍層，用于滿足生產(chǎn)實(shí)際不同需要。

本文對納米復(fù)合化學(xué)鍍制備的(Ni-P)-Al2O3納米微粒復(fù)合鍍層進(jìn)行硬度和耐磨性測試，得出該復(fù)合鍍層經(jīng)過熱處理后具有更高硬度、更強(qiáng)的耐磨性。

1 (Ni-P)-Al2O3納米微粒復(fù)合化學(xué)鍍工藝與特點(diǎn)

1.1 (Ni-P)-Al2O3納米微粒復(fù)合鍍原理與工藝

電化學(xué)理論認(rèn)為，硫酸鎳化學(xué)鍍?nèi)芤涸谶€原劑NaH2PO2的作用下，在具有催化活性鋼材基體表面上，鎳離子被還原成單質(zhì)鎳，H2PO2-被氧化成H2PO3-離子，部份 H2PO2-離子被還原成磷，獲得鎳-磷合金鍍層。在鍍液中加入Al2O3納米微粒，Al2O3納米微粒和鎳-磷合金共沉積得到(Ni-P)-Al2O3納米微粒復(fù)合鍍層。制備時(shí)需要在鍍液中添加絡(luò)合劑、緩沖劑和表面活性劑，以保證正常沉積速度和鍍層質(zhì)量。

復(fù)合化學(xué)鍍(Ni-P)-Al2O3納米微粒復(fù)合鍍液的組成及操作條件為:2 g/L Al2O3納米微粒，25 g/L NiSO4·6H2O，20 g/L NaH2PO2·H2O，15 mL C3H6O3，5 g/L C6H8O7，15 g/L CH4COONa，0.2 mg/L C4H6CO4Pb，150 mg/L十二烷基硫酸鈉，θ為84～86℃，pH 為 4.6。

制備時(shí)先將基體鋼材清洗除銹、打磨拋光、酸洗、除油和活化，按照要求和程序配制鍍液并加熱到工藝規(guī)定的溫度，將基體鋼材置于鍍液中。鍍液置于恒溫水浴中，用電動攪拌器以轉(zhuǎn)速為120 r/min均勻攪拌，輔以通斷比為1∶4間歇超聲波，復(fù)合化學(xué)鍍(Ni-P)-Al2O3納米微粒復(fù)合鍍層。施鍍完成后取出鍍件并清洗烘干放入高溫電爐進(jìn)行恒溫?zé)崽幚?，改?Ni-P)-Al2O3納米微粒復(fù)合鍍層組織結(jié)構(gòu)，消除應(yīng)力，提高硬度和耐磨性。

1.2 (Ni-P)-Al2O3納米微粒復(fù)合鍍層結(jié)構(gòu)與工藝特點(diǎn)

(Ni-P)-Al2O3納米微粒復(fù)合鍍層表面形貌如圖1所示。由圖1可以看出，鍍層表面比較均勻地分布大量Al2O3納米微粒，納米微粒尺寸在100～200 nm之間，有少量100 nm以下，存在輕微團(tuán)聚現(xiàn)象。

(Ni-P)-Al2O3納米微粒復(fù)合鍍層具有多相結(jié)構(gòu)，Ni-P合金鍍層中金屬的晶粒大大細(xì)化，熱處理后出現(xiàn)新相;(Ni-P)-Al2O3納米微粒復(fù)合鍍層除因硬度提高而耐磨性增強(qiáng)外，耐腐蝕耐高溫性能也得到很大改善，高載荷時(shí)鍍層的耐磨性更明顯;鍍層的耐磨性不但與其硬度有關(guān)，也與表面狀況和組織結(jié)構(gòu)直接相關(guān)［6-7］。

化學(xué)鍍工藝與鍍層性能的特點(diǎn)為［7-9］:1)熱處理對復(fù)合鍍層性能影響很大;2)納米微粒尺寸越小得到的復(fù)合鍍層的硬度和耐磨性能越好;3)保證納米微粒均勻、穩(wěn)定分散懸浮在鍍液中很關(guān)鍵，必須選擇合適的納米粒子分散方法;4)鍍液中Al2O3納米粒子和表面活性劑含量、鍍液溫度與pH等因素明顯影響復(fù)合鍍層的制備和顯微硬度;5)鍍件表面前處理直接影響鍍層質(zhì)量;6)Al2O3納米微粒共沉積機(jī)理有待明確。

圖1 復(fù)合鍍層微觀形貌

2 (Ni-P)-Al2O3納米微粒復(fù)合鍍層硬度測試

使用HX-200型顯微硬度計(jì)(寧夏吳忠微型試驗(yàn)機(jī)廠生產(chǎn))測試鍍層顯微硬度。

2.1 熱處理溫度對鍍層硬度的影響

將鍍件在電爐中進(jìn)行回火后空冷處理，測試工藝條件下制備的Ni-P合金鍍層和(Ni-P)-Al2O3納米微粒復(fù)合鍍層在不同溫度熱處理1 h的顯微硬度，得硬度隨溫度變化曲線如圖2所示:

圖2 鍍層硬度隨熱處理溫度變化

由圖2得出:(Ni-P)-Al2O3納米微粒復(fù)合鍍層硬度高于Ni-P合金鍍層，隨著熱處理溫度的升高，兩種鍍層硬度都得到提高，(Ni-P)-Al2O3納米微粒復(fù)合鍍層硬度提高更大，且400℃左右熱處理兩種鍍層同時(shí)達(dá)到最高硬度，隨后開始下降。熱處理有效提高(Ni-P)-Al2O3納米微粒復(fù)合鍍層的硬度。

2.2 鍍液中Al2O3納米微粒對鍍層硬度的影響

分別測試鍍液中不同ρ(Al2O3)下制備的(Ni-P)-Al2O3納米微粒復(fù)合鍍層顯微硬度，包括未經(jīng)熱處理和經(jīng)過400℃ 1 h熱處理兩種類型，得到鍍層硬度隨Al2O3納米微粒質(zhì)量濃度變化曲線，如圖3所示:

從圖3得出，經(jīng)過熱處理的(Ni-P)-Al2O3納米微粒復(fù)合鍍層硬度得到很大提高。隨著鍍液中Al2O3納米微粒粒子質(zhì)量濃度的增加，兩種鍍層的硬度都增大，且當(dāng)ρ(Al2O3)為2 g/L均達(dá)到最大值，繼續(xù)提高Al2O3粒子的質(zhì)量濃度鍍層硬度逐漸下降。

圖3 鍍層硬度隨納米ρ(Al2O3)的變化

3 (Ni-P)-Al2O3納米微粒復(fù)合鍍層耐磨性測試

在MMW-1A萬能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行線接觸干摩擦對摩試驗(yàn)。天津市天馬儀器有限公司生產(chǎn)的TD2001電子天平測量鍍層磨損質(zhì)量。

試驗(yàn)的下試樣為GCr15淬火鋼環(huán)，上試樣是復(fù)合鍍層試件;載荷30 N，鋼環(huán)轉(zhuǎn)速150 r/min，對摩t為10 min。

3.1 熱處理溫度對鍍層耐磨性的影響

分別測試合理工藝條件下制備的Ni-P合金鍍層和(Ni-P)-Al2O3納米微粒復(fù)合鍍層在不同溫度熱處理1 h對磨的磨損質(zhì)量(△m)，得磨損量隨熱處理溫度變化曲線，如圖4所示:

圖4 鍍層耐磨性隨熱處理溫度的變化

從圖4得出，(Ni-P)-Al2O3納米微粒復(fù)合鍍層耐磨性優(yōu)于Ni-P合金鍍層。隨著熱處理溫度的提高，復(fù)合鍍層的耐磨性逐漸增強(qiáng)，當(dāng)達(dá)到400℃左右時(shí)，磨損質(zhì)量最小，耐磨性最強(qiáng)，隨著熱處理溫度進(jìn)一步上升，復(fù)合鍍層磨損質(zhì)量增大即耐磨性降低。說明(Ni-P)-Al2O3納米微粒復(fù)合鍍層耐磨性得到有效強(qiáng)化，熱處理后耐磨性得到進(jìn)一步增強(qiáng)。

3.2 鍍液中Al2O3納米微粒對鍍層耐磨性的影響

分別測試鍍液中不同ρ(Al2O3)條件下制備的(Ni-P)-Al2O3納米微粒復(fù)合鍍層磨損質(zhì)量，包括未經(jīng)熱處理和經(jīng)過400℃ 1 h熱處理兩種類型，得到鍍層耐磨性隨Al2O3粒子質(zhì)量濃度變化曲線，如圖5所示:

圖5 鍍層耐磨性隨ρ(Al2O3)的變化

由圖5得到，熱處理后(Ni-P)-Al2O3納米微粒復(fù)合鍍層耐磨性得到顯著增強(qiáng)。鍍層的耐磨性與鍍液中的Al2O3納米微粒粒子質(zhì)量濃度關(guān)系密切，隨著鍍液中Al2O3納米微粒粒子質(zhì)量濃度的增加，兩種鍍層的耐磨性都增強(qiáng)，且當(dāng)Al2O3納米微粒質(zhì)量濃度2 g/L時(shí)耐磨性最強(qiáng)，繼續(xù)提高Al2O3納米微粒質(zhì)量濃度，耐磨性開始逐漸下降。

3.3 熱處理后復(fù)合鍍層的摩擦系數(shù)

圖6為合理工藝條件下制備的(Ni-P)-Al2O3納米微粒復(fù)合鍍層熱處理前后摩擦系數(shù)變化對比:

圖6 復(fù)合鍍層摩擦系數(shù)變化

從圖6得出，(Ni-P)-Al2O3納米微粒復(fù)合鍍層400℃熱處理1 h后和未熱處理相比摩擦系數(shù)明顯減小，且波動幅度不大，熱處理后(Ni-P)-Al2O3納米微粒復(fù)合鍍層耐磨性得到改善。

4 結(jié)論

1)與Ni-P合金鍍層相比，(Ni-P)-Al2O3納米微粒復(fù)合鍍層具有較高的硬度、耐磨損性能，且經(jīng)熱處理還能得到更顯著提高。

2)優(yōu)化制備工藝條件和選擇合理熱處理溫度能夠得到性能良好的(Ni-P)-Al2O3納米微粒復(fù)合鍍層。

3)采用復(fù)合化學(xué)鍍技術(shù)制備(Ni-P)-Al2O3納米微粒復(fù)合鍍層有效改進(jìn)鋼材表面性能，具有推廣使用價(jià)值。

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Hardness and Wear Resistance of(Ni-P)-Al2O3Nanoparticle Composite Coating

CHANG Jing-long1，WU Qing-li2
(1.Department of Mechanical Engineering，Tianjin Metallurgical Vocation-Technolgy lnstitute，Tianjin 300400，China;2.Dalian Machine Tool Group Corporation，Dalian 116620，China)

In order to improve the surface performance of steel，(Ni-P)-Al2O3nanoparticle composite coating was prepared by composite plating technology on steel because of its unique physical and chemical properties.And the hardness and wear resistance of conventional Ni-P coating，(Ni-P)-Al2O3nanoparticle composite coating before and after heat treatment were determined.The results show that the hardness and wear resistance of(Ni-P)-Al2O3nanoparticle composite coating especially after heat treatment were greatly improved.

(Ni-P)-Al2O3nanoparticle composite coating;hardness;wear resistance

TG174.44

A

1001-3849(2011)10-0013-04

2011-07-26

2011-08-25