朱兆閣 李 強(qiáng) 張紅哲

（東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院）

隨著傳統(tǒng)制造業(yè)向數(shù)字化、智能化生產(chǎn)的快速轉(zhuǎn)型升級(jí)，傳統(tǒng)鎳基復(fù)合材料的耐磨性能已無(wú)法滿足智能制造領(lǐng)域生產(chǎn)需求，眾多學(xué)者通過(guò)在鍍液中引入多元金屬離子以提高金屬表面的機(jī)械性能，故多元合金鍍層應(yīng)運(yùn)而生［1～3］。 作為硬度僅次于金剛石的陶瓷材料，SiC納米顆粒常被當(dāng)作不溶性增強(qiáng)相顆粒與金屬共沉積形成納米鍍層。研究表明，SiC納米顆粒的引入能夠顯著增強(qiáng)復(fù)合鍍層的顯微硬度和耐磨性能［4～7］。

傳統(tǒng)電沉積技術(shù)制備的鍍層大多出現(xiàn)組織不均勻、性能不穩(wěn)定等缺陷，缺陷產(chǎn)生原因與鍍層生長(zhǎng)速度、沉積過(guò)程陰極析氫速率等因素密切相關(guān)。 脈沖電沉積技術(shù)通過(guò)其脈沖關(guān)斷控制，調(diào)節(jié)金屬形核沉積與晶粒生長(zhǎng)時(shí)間，可改善上述鍍層缺陷［8～11］。 目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)納米鍍層制備及其表征的研究較多， 但鮮有學(xué)者利用COMSOL軟件對(duì)納米鍍層金屬晶粒的生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行仿真以及探究其生長(zhǎng)機(jī)理［12～15］。 因此，筆者將利用COMSOL軟件對(duì)脈沖電沉積納米鍍層生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行仿真，并與實(shí)驗(yàn)制得的納米鍍層表征結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，分析不同電流密度下Ni-Co-SiC納米鍍層表現(xiàn)優(yōu)劣的原因。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及制備工藝

以純鎳板作為陽(yáng)極（50 mm×50 mm×5 mm），Q235鋼作為陰極基體（30 mm×12 mm×3 mm），利用脈沖電沉積技術(shù)在Q235鋼表面制備Ni-Co-SiC納米鍍層。 在此之前， 需依次采用100#、500#、1200#、1500#金相砂紙對(duì)Q235鋼基體進(jìn)行打磨，而后進(jìn)行拋光、除油、除銹及活化等處理。采用SMD-60D型數(shù)控脈沖電源為電鍍電源， 設(shè)置脈沖電源占空比為20%，脈沖頻率為300 Hz，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。

圖1 脈沖電沉積實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

其鍍液成分（含量）和工藝參數(shù)如下：

鍍液成分（含量）

1.2 Ni-Co-SiC納米鍍層表征

采用Quanta FEG450型掃描電子顯微鏡觀察Ni-Co-SiC納米鍍層試樣的微觀組織； 利用XRD-6000型X射線衍射儀測(cè)定納米鍍層的物相結(jié)構(gòu)；通過(guò)SGW-10A型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試其摩擦系數(shù)，加載載荷20 N，施載時(shí)間30 min；選用DP-T8型測(cè)厚儀測(cè)量Ni-Co-SiC納米鍍層厚度。

1.3 COMSOL模型建立

利用COMSOL Multiphysics軟件的幾何模塊建立脈沖電沉積制備Ni-Co-SiC納米鍍層的仿真模型，模型的尺寸和試驗(yàn)所用的材料、陰極和陽(yáng)極形狀、尺寸均保持一致，脈沖電沉積Ni-Co-SiC的仿真模型形態(tài)如圖2所示。 模型建立后，在全局定義中設(shè)置模擬需要的參數(shù)：材料的密度、電導(dǎo)率、陰極電流密度及溫度等，其中將陰極電流密度分別設(shè)置為1.5、2.0、2.5 A/dm2， 其余參數(shù)與試驗(yàn)參數(shù)保持一致。 然后，添加仿真模型所需的物理場(chǎng)和參數(shù)，并在變形幾何中設(shè)置自由變形和不變形邊界。 最后，利用物理場(chǎng)控制網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格化模型如圖3所示。 劃分網(wǎng)格后采用瞬態(tài)的研究方法進(jìn)行計(jì)算，仿真電鍍和試驗(yàn)的時(shí)間均為60 min。

圖2 脈沖電沉積Ni-Co-SiC納米鍍層的仿真模型

圖3 網(wǎng)格化模型

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同電流密度下的COMSOL仿真結(jié)果

利用COMSOL軟件中的域點(diǎn)探針測(cè)量各電流密度下的鍍層厚度，為減小實(shí)驗(yàn)誤差且直觀表現(xiàn)出鍍層各區(qū)域的厚度，選取如圖4所示的5個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，并導(dǎo)出數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。 不同電流密度下納米鍍層厚度隨時(shí)間變化曲線如圖5所示，由圖可知，當(dāng)電流密度為1.5、2.5 A/dm2時(shí)，試樣兩邊測(cè)試點(diǎn)厚度均大于中間測(cè)試點(diǎn)厚度；而當(dāng)電流密度為2.0 A/dm2時(shí)， 在施鍍過(guò)程前2 500 s中，兩邊測(cè)試點(diǎn)的鍍層生長(zhǎng)速度較中間快；當(dāng)時(shí)間超過(guò)2 500 s后，兩邊測(cè)試點(diǎn)鍍層生長(zhǎng)速率變慢，脈沖電沉積結(jié)束時(shí)鍍層兩邊測(cè)試點(diǎn)厚度??； 不僅如此，由脈沖電沉積結(jié)束時(shí)不同測(cè)試點(diǎn)鍍層厚度分布情況可知，當(dāng)電流密度為2.0 A/dm2時(shí)，5個(gè)測(cè)試點(diǎn)厚度值較為接近，而其他電流密度下，5個(gè)測(cè)試點(diǎn)厚度值相對(duì)分散。

圖4 鍍層試樣測(cè)試點(diǎn)位置

圖5 不同陰極電流密度下納米鍍層厚度隨時(shí)間變化的曲線

圖6為COMSOL軟件模擬的不同電流密度下制備Ni-Co-SiC納米鍍層沉積過(guò)程中的電流密度分布云圖，結(jié)合對(duì)沉積過(guò)程中電流密度分布情況進(jìn)行分析，可較為直觀地說(shuō)明鍍層厚度問(wèn)題。 由電流密度分布云圖可知，3種不同的電流密度下，脈沖電沉積過(guò)程中陽(yáng)極上下邊緣電勢(shì)較高，而中間區(qū)域電勢(shì)較低。 但3種電流密度下電流密度矢量線分布卻有較大差異，當(dāng)電流密度為2.0 A/dm2時(shí)，電流密度矢量線分布較為均勻。 相對(duì)而言，電流密度為1.5、2.5 A/dm2時(shí)， 電流密度矢量線分布較為集中，甚至線之間會(huì)形成交叉區(qū)域。 電流密度通過(guò)改變陰極產(chǎn)生的電化學(xué)極化現(xiàn)象，影響鍍層生長(zhǎng)速度， 即可闡明當(dāng)電流密度為2.0 A/dm2時(shí)，鍍層厚度較為平整的原因。

圖6 Ni-Co-SiC納米鍍層電沉積過(guò)程中的電流密度分布情況

2.2 Ni-Co-SiC納米鍍層表征分析及性能測(cè)試

不同電流密度下制得的Ni-Co-SiC納米鍍層掃描電鏡圖如圖7所示，由圖可知，電流密度為1.5 A/dm2時(shí)，納米鍍層表面起伏明顯，鍍層內(nèi)晶胞粗大，且存在納米顆粒大型團(tuán)聚處，簇狀團(tuán)聚間伴有明顯空隙存在； 電流密度為2.0 A/dm2時(shí)，鍍層表面平整、鎳鈷晶粒細(xì)小，大量SiC納米顆粒嵌入其中，顆粒間團(tuán)聚現(xiàn)象明顯改善；電流密度2.5 A/dm2時(shí)，鍍層表面存在較多大型晶胞，且存在較為輕微的顆粒團(tuán)聚，團(tuán)聚簇邊仍伴有較大空隙。

圖7 不同電流密度制備的Ni-Co-SiC納米鍍層表面形貌圖

產(chǎn)生此現(xiàn)象主要源于： 當(dāng)電流密度較小時(shí)，電極間的電場(chǎng)力過(guò)小，難以支撐SiC納米顆粒遷移到陰極表面，使附著在陰極表面的SiC納米顆粒數(shù)量大幅降低，鍍層結(jié)構(gòu)疏松。 另一方面，將SiC納米顆粒作為增強(qiáng)相引入鍍液中，SiC納米顆粒能夠起到細(xì)化晶粒的作用，SiC顆粒沉積數(shù)量不足導(dǎo)致鍍層表面鎳、鈷晶粒粗大，鍍層表面粗糙且存在空隙；當(dāng)電流密度過(guò)大時(shí)，電化學(xué)反應(yīng)速率加快，致使陽(yáng)極生成Ni2+速率大幅提升，同時(shí)鍍液中Ni2+含量增大，降低了SiC顆粒對(duì)鎳、鈷晶粒生長(zhǎng)的抑制作用，鎳、鈷晶粒粗大，鍍層表面凹凸不平。 此外，電化學(xué)反應(yīng)加劇后，陰極表面析氫量大幅增加，氫氣從陰極析出穿過(guò)鍍層，使鍍層表面出現(xiàn)較大空隙， 宏觀上可以觀察到鍍層表面留有麻點(diǎn)、凹坑；電流密度適宜的情況下，陰極對(duì)SiC納米顆粒的吸附速率與金屬離子沉積速率相適應(yīng)，SiC納米顆粒吸附至陰極表面后可抑制鎳、鈷晶粒的生長(zhǎng)，鎳、鈷晶粒形核時(shí)會(huì)對(duì)其進(jìn)行包裹，且SiC納米顆?？梢猿洚?dāng)新的形核點(diǎn)，減少晶粒的生長(zhǎng)速率、增大形核率，使鍍層中顆粒分布均勻、結(jié)構(gòu)致密。

不同電流密度下制得的Ni-Co-SiC納米鍍層經(jīng)摩擦磨損實(shí)驗(yàn)后的掃描電鏡圖如圖8所示，由圖可觀察到， 在電流密度1.5 A/dm2和2.5 A/dm2下，Ni-Co-SiC納米鍍層表面劃痕比較深， 并且軟組織相發(fā)生脫落， 使下面較硬的組織相露出，對(duì)磨時(shí)， 硬組織相碎片將加劇納米鍍層表面磨損，從而產(chǎn)生較深的磨痕。 其原因在于，鍍層表面與摩擦副高速摩擦?xí)r， 納米鍍層表面溫度迅速升高，納米鍍層材料軟化，此時(shí)的Ni-Co-SiC納米鍍層承載能力低， 導(dǎo)致納米鍍層發(fā)生黏著磨損，大量顆粒被剝離納米鍍層表面。

圖8 不同工藝參數(shù)制備Ni-Co-SiC納米鍍層磨損后表面形貌

但是，電流密度2.0 A/dm2下制得的Ni-Co-SiC納米鍍層經(jīng)磨損后僅出現(xiàn)輕微劃痕，圖中顯示該鍍層僅有一兩處發(fā)生顆粒脫落并無(wú)碎屑產(chǎn)生，Ni-Co-SiC納米鍍層仍舊光滑平整。這是因?yàn)?，在該參?shù)下制得的Ni-Co-SiC納米鍍層表面平整，鍍層內(nèi)晶粒細(xì)小，即使摩擦?xí)r產(chǎn)生較高溫度，但此時(shí)鍍層與基體間結(jié)合力較強(qiáng)，不易與對(duì)磨試件發(fā)生黏著，因?qū)δピ嚰捕容^高，會(huì)在Ni-Co-SiC納米鍍層表面產(chǎn)生輕微磨損。 證明在電流密度2.0 A/dm2下，脈沖電沉積制得的Ni-Co-SiC納米鍍層耐磨性能最佳，鍍層與基體間結(jié)合力最好。

圖9為不同電流密度下制備的Ni-Co-SiC納米鍍層的XRD衍射圖譜， 由圖可知， 在34.2、41.6、59.7°出現(xiàn)SiC衍射峰，證明了SiC相的存在。 并且，在電流密度1.5 A/dm2下制得的納米鍍層中SiC顆粒復(fù)合量最少，此時(shí)Ni、Co衍射峰峰態(tài)尖銳，說(shuō)明其晶粒尺寸較大；在電流密度2.0 A/dm2下制得的納米鍍層中SiC峰面積最大， 說(shuō)明其SiC納米顆粒復(fù)合量最多，相較電流密度1.5 A/dm2下，此時(shí)Ni、Co衍射峰變寬變矮， 證明Ni、Co晶粒已得到顯著細(xì)化；在電流密度2.5 A/dm2下制得的納米鍍層SiC納米顆粒復(fù)合量居中， 此時(shí)Ni、Co衍射峰又呈現(xiàn)尖銳形貌，證明此時(shí)Ni、Co晶粒同樣粗大。

圖9 不同電流密度下制備的Ni-Co-SiC納米鍍層X(jué)RD衍射圖譜

通過(guò)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)量采用不同電流密度制備的Ni-Co-SiC納米鍍層的摩擦系數(shù)，其結(jié)果如圖10所示。 由圖可知，在電流密度2.0 A/dm2下制得的Ni-Co-SiC納米鍍層摩擦系數(shù)最小，其平均值為0.423，證明此時(shí)脈沖電沉積制備的Ni-Co-SiC納米鍍層的耐磨性能最好。

圖10 不同電流密度下制備的Ni-Co-SiC納米鍍層的摩擦系數(shù)

一方面，納米鍍層的耐磨性能與其本身材質(zhì)有關(guān)，作為鎳鈷二元合金鍍層，鎳、鈷金屬本身就具有較高硬度與較強(qiáng)的耐磨性能，且鈷的硬度較鎳要高，因此鍍層中鈷含量成為影響納米鍍層性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。 電流密度越高，鈷離子沉積量越多，但若電流密度過(guò)高，會(huì)使陽(yáng)極鎳板反應(yīng)劇烈，分解出大量Ni2+，使鍍層中鈷生長(zhǎng)位置被鎳擠壓，鍍層中鈷含量降低，影響鍍層耐磨性能。 另一方面，納米鍍層中SiC顆粒復(fù)合量和分布均勻度與其耐磨性能也有較大聯(lián)系， 一般情況下鍍層中SiC顆粒數(shù)量越多、均勻性越好、顆粒尺寸越小，納米鍍層耐磨性能越優(yōu)異。在電流密度1.5、2.5 A/dm2下，納米鍍層中SiC顆粒復(fù)合量較少，鍍層抵抗外界摩擦能力低，在摩擦過(guò)程中鍍層更易損壞。 并且，磨損產(chǎn)生的碎屑在后續(xù)摩擦過(guò)程中對(duì)鍍層造成二次傷害，還易堆積在鍍層的磨痕處，積累到一定程度后發(fā)生塑形變形，增大摩擦阻力，進(jìn)一步降低鍍層耐磨性； 在電流密度2.0 A/dm2下，鍍層中SiC顆粒復(fù)合量較高，結(jié)合上述分析可知，該條件下納米鍍層表面最為平整，能有效降低摩擦阻力。 且該條件下SiC納米顆粒分布致密、均勻，鍍層中的SiC納米顆粒能對(duì)鍍層中空隙進(jìn)行有效填充， 磨損下的SiC納米顆粒能起到摩擦載荷承載、潤(rùn)滑作用，降低摩擦過(guò)程中的黏著磨損效應(yīng)。

采用脈沖電沉積法，在不同電流密度下制備Ni-Co-SiC納米鍍層， 并使用超聲測(cè)厚儀對(duì)Ni-Co-SiC納米鍍層實(shí)際厚度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試點(diǎn)與仿真測(cè)試點(diǎn)保持一致。 Ni-Co-SiC納米仿真鍍層平均厚度值與實(shí)際鍍層平均厚度值比較結(jié)果見(jiàn)表1， 結(jié)果顯示，隨電流密度增大，鍍層厚度逐漸增大，且實(shí)際測(cè)量結(jié)果與COMSOL仿真結(jié)果十分接近， 雖存在較小誤差， 但COMSOL仿真預(yù)測(cè)鍍層平均厚度與其真實(shí)平均厚度最高均方根誤差僅為2.36%，這是由于實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作效果并不能達(dá)到仿真過(guò)程中的精準(zhǔn)設(shè)置，極易出現(xiàn)少量誤差。 并且，不同電流密度下制得的鍍層不同位置的厚度差異與仿真結(jié)果高度一致， 相對(duì)電流密度1.5、2.5 A/dm2下制得的鍍層的不同位置厚度值，在電流密度2.0 A/dm2下制得的鍍層的不同位置厚度值較為集中，證明該電流密度下制得的鍍層表面較為平整， 這是因?yàn)殡娏髅芏?.0 A/dm2下粒子分布均勻，Ni、Co晶粒得到細(xì)化， 鍍層生長(zhǎng)速率適中，對(duì)SiC粒子與Ni、Co晶粒共沉積起到促進(jìn)作用，符合上述鍍層表征分析結(jié)果。綜上，COMSOL可對(duì)鍍層生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。

表1 Ni-Co-SiC納米鍍層仿真鍍層平均厚度值與實(shí)際鍍層平均厚度值比較表

3 結(jié)論

3.1 利用COMSOL仿真軟件能夠?qū)γ}沖電沉積Ni-Co-SiC納米鍍層制備過(guò)程中電流密度分布及鍍層的厚度進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，其預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值相差較小，誤差值最大時(shí)僅為2.36%；并且，Ni-Co-SiC納米鍍層厚度與反應(yīng)發(fā)生時(shí)電流密度分布息息相關(guān)。

3.2 通過(guò)對(duì)脈沖電沉積Ni-Co-SiC納米鍍層進(jìn)行表征測(cè)試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電流密度為2.0 A/dm2時(shí)，Ni-Co-SiC納米鍍層厚度均勻，表面平整，其微觀結(jié)構(gòu)緊密，晶粒較為細(xì)小。

3.3 摩擦磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在電流密度為2.0 A/dm2下，脈沖電沉積法制得的Ni-Co-SiC納米鍍層耐磨性能最優(yōu)， 此時(shí)鍍層平均摩擦系數(shù)最小，其平均值為0.423。SEM結(jié)果顯示，此電流密度下，其表面無(wú)明顯溝壑和大片顆粒脫落區(qū)域。