劉冬梅，夏法鋒，劉文慶，王勇

（東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163000）

近年來，通過電沉積對零件進(jìn)行表面改性的技術(shù)已廣泛應(yīng)用于機(jī)械、化工、軍事等領(lǐng)域[1-4]，其中復(fù)合電沉積金屬基鍍層是當(dāng)前常用方法之一。在復(fù)合電沉積過程中引入磁場，借助磁場對鍍液中帶電粒子的作用力來控制鍍液中帶電粒子的運(yùn)動，能夠獲得組織均勻、結(jié)構(gòu)致密的金屬基復(fù)合鍍層[5-7]。目前有關(guān)磁場輔助電沉積的報(bào)道已有不少。Ebadi等[8]在磁場輔助下電沉積得到Ni-Co合金鍍層，發(fā)現(xiàn)施加磁場輔助后，電沉積反應(yīng)加快，Ni-Co合金的Co含量升高，耐蝕性增強(qiáng)。Jiang等[9]通過磁場輔助噴射電沉積在燒結(jié)汝鐵硼表面得到Ni-納米SiC復(fù)合鍍層，結(jié)果表明施加磁場后鍍層缺陷減少，平整性變好，結(jié)合力和耐蝕性良好。周紹安等[10]研究了磁場強(qiáng)度對Ni-ZrO2復(fù)合鍍層性能的影響，當(dāng)磁場強(qiáng)度為0.4 A/m時(shí)，復(fù)合鍍層的ZrO2復(fù)合量和顯微硬度最高，耐磨性和耐蝕性最佳。

SiC顆粒是一種陶瓷顆粒，具有硬度高、耐磨性好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)[11-14]。本文采用磁場輔助電沉積法在低碳鋼表面制備了純Ni鍍層和Ni-納米SiC復(fù)合鍍層，它們的顯微硬度、微觀結(jié)構(gòu)以及耐摩擦磨損性能，為磁場輔助電沉積在制備納米鍍層方面提供一定的技術(shù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 預(yù)處理

陰極為35 mm × 35 mm × 6 mm的低碳鋼，陽極是純鎳板(純度為98.99%)。先用500號至2000號砂紙打磨低碳鋼至表面粗糙度(Ra)為0.1 μm，再依次用丙酮除油、AZ型除銹劑除銹、無水乙醇超聲清洗5 min、20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))鹽酸活化以及去離子水清洗，最后干燥。

1.2 Ni-SiC復(fù)合電沉積

如圖1所示，磁場輔助電沉積實(shí)驗(yàn)裝置主要包括脈沖電源、磁場發(fā)生器、加熱裝置、電鍍槽和磁力攪拌器。由PMD-300脈沖電源控制陽極與陰極之間的脈沖電流和電壓。DEM-5005型磁場發(fā)生器為陽極和陰極提供一定的磁場強(qiáng)度，鍍液由DH-200A型加熱裝置進(jìn)行加熱，施鍍過程用T98-1磁力攪拌器攪拌鍍液，使鍍液成分保持均勻。

圖1 磁場輔助電沉積實(shí)驗(yàn)裝置Figure 1 Experimental setup for magnetic field-assisted electrodeposition

鍍液組成和工藝條件為：NiSO4·6H2O 285 g/L，NiCl2·6H2O 28 g/L，H3BO325 g/L，十六烷基三甲基溴化銨80 mg/L，納米SiC(平均粒徑35 nm)0 g/L或7 g/L，pH 4.8，溫度46 ℃，平均電流密度5.5 A/dm2，占空比30%，磁場強(qiáng)度0.2 A/m或0.4 A/m，時(shí)間30 min。在0.2 A/m磁場強(qiáng)度下制備的純Ni鍍層標(biāo)記為Ni-0.2，在0.2 A/m和0.4 A/m磁場強(qiáng)度下制備的復(fù)合鍍層分別標(biāo)記為Ni-SiC-0.2和Ni-SiC-0.4。

1.3 性能測試

采用日立S-4800掃描電子顯微鏡(SEM)和日本電子JEM-2100透射電子顯微鏡(TEM)觀察鍍層的表面形貌，并用SEM配備的X-MAX80能譜儀(EDS)分析鍍層的元素組成。采用日本島津XRD-6000型X射線衍射儀(XRD)分析鍍層的相結(jié)構(gòu)，掃描范圍為30° ～ 80°。

采用美國Hysitron Ti-900型納米壓痕儀測量鍍層的顯微硬度，加載力為1 mN，加載時(shí)間2 s，每個(gè)樣品取5個(gè)測量點(diǎn)的平均值。

采用蘭州中科凱華科技有限公司的HSR-2M高速往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)儀在室溫下進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，載荷100 g，往復(fù)距離10 mm，電機(jī)轉(zhuǎn)速300 r/min，時(shí)間30 min，摩擦副為GCr15鋼球。采用美國西特的BS210S電子分析天平(精度0.1 mg)稱量磨損試驗(yàn)前后試樣的質(zhì)量，按式(1)計(jì)算磨損率Ws。

式中m0、m分別為試驗(yàn)前、后試樣的質(zhì)量(單位：g)，l是滑動距離(單位：m)。

2 結(jié)果與討論

2.1 納米SiC的微觀結(jié)構(gòu)

從圖2可知，納米SiC顆粒呈類球狀均勻分布，平均粒徑為37.2 nm。從圖3可知，所用SiC顆粒為六方相，包括Si相和SiC相，分別在2θ為34.1°、41.2°和59.7°處呈現(xiàn)SiC的(111)、(200)和(220)晶面衍射峰。

圖2 納米SiC顆粒的TEM圖像Figure 2 TEM image of SiC nanoparticles

圖3 納米SiC顆粒的XRD譜圖Figure 3 XRD pattern of SiC nanoparticles

2.2 磁場強(qiáng)度對鍍層微觀結(jié)構(gòu)的影響

2.2.1 SEM分析

從圖4可知，Ni-0.2鍍層的晶粒較粗大，整體疏松。鍍液中添加7 g/L納米SiC顆粒后，在相同磁場強(qiáng)度下電沉積所得Ni-SiC-0.2復(fù)合鍍層的晶粒更細(xì)致，說明納米SiC顆粒具有細(xì)化晶粒的作用。增大磁場強(qiáng)度到0.4 A/m時(shí)，所得Ni-SiC-0.4復(fù)合鍍層的晶粒進(jìn)一步減小，整體更加均勻、致密。另外，Ni-SiC復(fù)合鍍層表面都分布有白色顆粒，結(jié)合EDS分析結(jié)果可知白色顆粒為SiC，磁場強(qiáng)度為0.4 A/m時(shí)鍍層表面的SiC顆粒較0.2 A/m時(shí)更多，尺寸更小，說明適當(dāng)增大磁場強(qiáng)度能夠改善復(fù)合鍍層的微觀組織結(jié)構(gòu)。

圖4 純Ni鍍層和Ni-納米SiC復(fù)合鍍層的SEM圖像Figure 4 SEM images of pure Ni coating and Ni-nano-SiC composite coatings

2.2.2 TEM分析

由圖5可知，Ni-0.2鍍層的晶粒尺寸最大，為158.3 nm。相同磁場強(qiáng)度下電沉積所得Ni-SiC-0.2復(fù)合鍍層的晶粒較小，尺寸為121.8 nm。Ni-SiC-0.4復(fù)合鍍層中Ni晶粒的尺寸最小，為83.9 nm，整體最均勻致密。

圖5 純Ni鍍層和Ni-納米SiC復(fù)合鍍層的TEM圖像Figure 5 TEM images of pure Ni coating and Ni-nano-SiC composite coatings

2.2.3 XRD分析

從圖6可知，Ni-0.2鍍層在2θ為44.1°、52.1°和76.5°處附近出現(xiàn)了衍射峰，分別對應(yīng)Ni的(111)、(200)和(220)晶面。除了存在上述Ni的衍射峰外，Ni-SiC-0.2和Ni-SiC-0.4復(fù)合鍍層還在2θ為34.2°、41.2°和59.7°附近出現(xiàn)衍射峰，分別對應(yīng)SiC的(111)、(200)和(220)晶面，說明納米SiC顆粒已成功復(fù)合到鍍層中。與Ni-SiC-0.2復(fù)合鍍層相比，Ni-SiC-0.4的衍射峰更寬，說明增大磁場強(qiáng)度能夠細(xì)化鍍層晶粒，這與SEM和TEM分析結(jié)果一致。

圖6 純Ni鍍層和Ni-納米SiC復(fù)合鍍層的XRD譜圖Figure 6 XRD patterns of pure Ni coating and Ni-nano-SiC composite coatings

2.3 磁場強(qiáng)度對鍍層顯微硬度的影響

從圖7可知，Ni-0.2鍍層的顯微硬度為413.5 HV，相同磁場強(qiáng)度下所得Ni-SiC-0.2復(fù)合鍍層的顯微硬度為749.1 HV，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Ni-0.2鍍層。增大磁場強(qiáng)度至0.4 A/m時(shí)，Ni-SiC-0.4復(fù)合鍍層的顯微硬度增大至847.1 HV。

圖7 純Ni鍍層和Ni-納米SiC復(fù)合鍍層的顯微硬度Figure 7 Microhardness of pure Ni coating and Ni-nano-SiC composite coatings

2.4 磁場強(qiáng)度對鍍層耐磨性的影響

從圖8可以看出，Ni-0.2鍍層的摩擦因數(shù)穩(wěn)定在0.66左右，相同磁場強(qiáng)度下所得Ni-SiC-0.2復(fù)合鍍層的摩擦因數(shù)比它低，穩(wěn)定在0.51左右。磁場強(qiáng)度增大至0.4 A/m時(shí)所得Ni-SiC-0.4復(fù)合鍍層的摩擦因數(shù)穩(wěn)定在0.44左右。

圖8 純Ni鍍層和Ni-納米SiC復(fù)合鍍層的摩擦因數(shù)Figure 8 Friction factors of pure Ni coating and Ni-nano-SiC composite coatings

由圖9可知，Ni-0.2鍍層的磨損率最高，為9.75 × 10-4mm3/(N·m)。相同磁場強(qiáng)度下，Ni-SiC-0.2復(fù)合鍍層的磨損率相對較低，為6.86 × 10-4mm3/(N·m)。增大磁場強(qiáng)度至0.4 A/m后制備的Ni-SiC-0.4復(fù)合鍍層的磨損率最低，為4.66 × 10-4mm3/(N·m)?？梢奛i-SiC-0.4復(fù)合鍍層的耐磨性最好。

圖9 純Ni鍍層和Ni-納米SiC復(fù)合鍍層的磨損率Figure 9 Mass losses of pure Ni coating and Ni-nano-SiC composite coatings

3 結(jié)論

(1) 與純Ni鍍層相比，在相同磁場強(qiáng)度下制備的Ni-納米SiC復(fù)合鍍層結(jié)晶更細(xì)致，顯微硬度更高，耐磨性更好。

(2) 增大磁場強(qiáng)度能夠提高Ni-納米SiC復(fù)合鍍層的綜合性能。磁場強(qiáng)度為0.4 A/m時(shí)獲得的Ni-納米SiC復(fù)合鍍層最均勻細(xì)致，顯微硬度最高(847.1 HV)，耐磨性最佳。