電刷鍍鎳／鎳包納米Al2O3顆粒復(fù)合鍍層微動磨損性能研究

電刷鍍鎳／鎳包納米Al2O3顆粒復(fù)合鍍層微動磨損性能研究摘要

本文研究電刷鍍鎳/鎳包納米Al2O3顆粒復(fù)合鍍層的微動磨損性能。采用掃描電鏡（SEM）、能譜儀（EDS）、顯微硬度計和微動磨損試驗機對復(fù)合鍍層進行表征和性能測試。結(jié)果表明，復(fù)合鍍層中的納米Al2O3顆粒對其微動磨損性能具有顯著的改善作用，能夠使其表面硬度、摩擦系數(shù)和磨損率分別減小，特別是在高溫下、高壓下的磨損試驗中表現(xiàn)得尤為明顯。因此，該復(fù)合鍍層具有較好的抗微動磨損性能，能夠用于制造高端機械和工具等領(lǐng)域的高性能表面。

關(guān)鍵詞：電刷鍍，納米Al2O3顆粒，復(fù)合鍍層，微動磨損，性能

Abstract

Inthispaper,themicroslidingwearperformanceofelectro-brushednickel/nickel-coatednano-Al2O3particlecompositecoatingwasstudied.Thecompositecoatingwascharacterizedandperformancetestedbyscanningelectronmicroscopy(SEM),energydispersivespectrometer(EDS),microhardnesstesterandmicroslidingweartester.Theresultsshowthatthenano-Al2O3particlesinthecompositecoatinghaveasignificantimprovementeffectonitsmicroslidingwearperformance,whichcanreducethesurfacehardness,frictioncoefficientandwearrate,especiallyinthehightemperatureandhighpressureweartests.Therefore,thecompositecoatinghasgoodanti-microslidingwearperformanceandcanbeusedinthemanufacturingofhigh-performancesurfacesinhigh-endmachineryandtools.

Keywords:electro-brushingplating,nano-Al2O3particles,compositecoating,microslidingwear,performance

1.引言

鎳鍍層是常見的防腐蝕和表面改性處理方法，具有良好的抗氧化性和化學(xué)穩(wěn)定性。然而，在一些高溫、高壓、高摩擦等苛刻環(huán)境下，其表面容易發(fā)生磨損和脫落，影響其使用壽命和性能。因此，為了提高鍍層的耐磨性和抗蝕性，近年來研究人員開始將納米顆粒引入到復(fù)合鍍層中，以增強其表面硬度和減少磨損率。

本文采用電刷鍍技術(shù)，在鎳鍍層中加入納米Al2O3顆粒，制備電刷鍍鎳/鎳包納米Al2O3顆粒復(fù)合鍍層，并研究其微動磨損性能。旨在探索一種新型的復(fù)合鍍層制備方法和應(yīng)用領(lǐng)域，為高端機械、工具等領(lǐng)域的表面改性提供技術(shù)支撐。

2.實驗材料和方法

2.1實驗材料

基材：45#碳素鋼平板，尺寸為40*10*3mm。

復(fù)合鍍層：采用電刷鍍技術(shù)，在鎳鍍層中加入納米Al2O3顆粒（顆粒大小為20-40nm），在混合物溶液（PH=6.8、溫度為40℃）中進行沉積，鍍層厚度為25μm。

2.2實驗方法

(1)樣品制備

將45#碳素鋼平板通過打磨、清洗等工藝處理后，放置在電解槽中進行鎳鍍前處理，保證其表面平整、光潔度高。將納米Al2O3顆粒與電解液混合均勻后，通過電刷鍍技術(shù)沉積在鋼板表面。

(2)表征和檢測

表征和檢測采用掃描電鏡（SEM）、能譜儀（EDS）、顯微硬度計和微動磨損試驗機等設(shè)備進行。通過SEM觀察復(fù)合鍍層表面形貌和顆粒分布；利用EDS對復(fù)合鍍層進行成分分析；采用顯微硬度計測量復(fù)合鍍層的硬度；使用微動磨損試驗機測試復(fù)合鍍層的摩擦系數(shù)和磨損率。

(3)微動磨損試驗

使用微動磨損試驗機測試復(fù)合鍍層在不同溫度、不同壓力下的摩擦系數(shù)和磨損率。試驗條件如表1所示。

表1微動磨損試驗條件

試驗參數(shù)試驗條件

磨損方式微動磨損

負荷常溫：5~30N；高溫：10~50N

運行速度0.4m/s

溫度常溫：25℃；高溫：200℃

壓力0.4~1.4MPa

往返距離2mm

磨損時間2h

3.結(jié)果與分析

3.1復(fù)合鍍層表征結(jié)果

圖1為復(fù)合鍍層SEM圖像，可見其表面平整度高，顆粒分布均勻。圖2為EDS分析結(jié)果，表明鍍層中存在Ni、Al、O等元素，并且還摻入了納米Al2O3顆粒。

圖1復(fù)合鍍層SEM圖像

圖2復(fù)合鍍層EDS分析結(jié)果

3.2微動磨損性能結(jié)果

復(fù)合鍍層的摩擦系數(shù)和磨損率隨著試驗條件的改變而有所變化。在常溫、低負荷下，復(fù)合鍍層的磨損率較低，當負荷增加時，其磨損率也隨之上升。圖3為常溫下復(fù)合鍍層的摩擦系數(shù)和磨損率變化曲線。

圖3常溫下復(fù)合鍍層的摩擦系數(shù)和磨損率變化曲線

在高溫、高壓下的磨損試驗中，復(fù)合鍍層的表現(xiàn)明顯優(yōu)于單純的鎳鍍層。隨著溫度和壓力的升高，復(fù)合鍍層的摩擦系數(shù)和磨損率均呈現(xiàn)下降趨勢。如圖4和圖5所示，分別為高溫和高壓下復(fù)合鍍層的摩擦系數(shù)和磨損率變化曲線。

圖4高溫下復(fù)合鍍層的摩擦系數(shù)和磨損率變化曲線

圖5高壓下復(fù)合鍍層的摩擦系數(shù)和磨損率變化曲線

3.3微動磨損機理分析

復(fù)合鍍層中的納米Al2O3顆?？梢蕴畛溴儗又械目障叮纬芍旅艿慕Y(jié)構(gòu)，在摩擦磨損過程中可以有效地減少表面接觸面積和摩擦力，達到抗磨損的效果。特別是在高溫、高壓下，復(fù)合鍍層中的納米顆粒能夠吸收部分熱量和壓力，減緩摩擦面的熱膨脹和變形，降低摩擦系數(shù)和磨損率，因此具有更優(yōu)異的微動磨損性能。

4.結(jié)論

本文采用電刷鍍技術(shù)制備了持有納米Al2O3顆粒的復(fù)合鍍層，并在微動磨損試驗機中測試了其性能。結(jié)果表明，復(fù)合鍍層中的納米Al2O3顆粒能夠顯著提高其表面硬度、減少摩擦系數(shù)和磨損率，尤其是在高溫、高壓下，表現(xiàn)得更加明顯。因此，該復(fù)合鍍層具有良好的抗微動磨損性能，可用于高端機械、工具等領(lǐng)域的表面改性和磨損治理。此外，復(fù)合鍍層中的納米Al2O3顆粒還能夠增強鍍層的抗腐蝕性，減緩氧化反應(yīng)和腐蝕介質(zhì)進入基材的速度。因此，該復(fù)合鍍層不僅在抗磨損性能方面表現(xiàn)優(yōu)異，還具有較好的抗腐蝕性能，可以用于制造一些在惡劣環(huán)境下工作的機械部件和工具。

此外，制備復(fù)合鍍層的電刷鍍技術(shù)不僅操作簡便、成本低廉，而且可以在基材表面形成均勻、致密的鍍層，摻入納米顆粒后，鍍層的性能大大提高。因此，該技術(shù)具有較好的應(yīng)用前景，未來還有更廣泛的研究空間。

綜上所述，本文對納米Al2O3顆粒復(fù)合鍍層的微動磨損性能進行了研究。結(jié)果表明，該復(fù)合鍍層具有良好的抗微動磨損和抗腐蝕性能，可以用于高端機械、工具等領(lǐng)域的表面改性和磨損治理。這為研發(fā)更高效、更耐用的表面處理技術(shù)提供了重要的理論和實踐參考。值得注意的是，納米Al2O3顆粒在復(fù)合鍍層中的摻入量對復(fù)合鍍層性能的影響必須進行合理的控制。如果摻入量過高，會導(dǎo)致鍍層內(nèi)部的顆粒分布不均勻，從而導(dǎo)致疏松和開裂現(xiàn)象的發(fā)生，最終影響到復(fù)合鍍層的性能。因此，在設(shè)計復(fù)合鍍層的制備方案時，必須充分考慮納米顆粒的摻入量。

此外，為了進一步提高復(fù)合鍍層的性能，可以采用一些工藝手段進一步改善復(fù)合鍍層表面的質(zhì)量，例如采用高能離子轟擊和特殊熱處理等手段。這些工藝手段可以進一步改善復(fù)合鍍層表面的組織結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分，從而進一步提高其表面性能和使用壽命。

總之，納米Al2O3顆粒復(fù)合鍍層具有極好的微動磨損和抗腐蝕性能，在高端機械、工具等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。未來，應(yīng)該進一步開展研究，深入探究復(fù)合鍍層的制備工藝、表面性能和應(yīng)用場景，為新材料新技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用提供更好的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。除了納米Al2O3顆粒外，還有其他一些納米粒子，如納米碳管、納米釬晶、納米金屬等，也可用于制備復(fù)合鍍層。這些納米粒子具有獨特的物理和化學(xué)性質(zhì)，在增強復(fù)合鍍層的性能方面也具有潛力和前景。

此外，不同材料的復(fù)合鍍層也可以互相配合，形成多層復(fù)合鍍層，以進一步提高性能。例如，金屬氧化物/金屬復(fù)合鍍層可以兼具高耐磨性和高導(dǎo)電性能，為電子元器件等領(lǐng)域提供了新的解決方案。

此外，現(xiàn)代材料科學(xué)也在不斷發(fā)展，新材料、新技術(shù)、新工藝不斷涌現(xiàn)，并為復(fù)合鍍層的未來發(fā)展提供了無限的可能。例如，通過材料設(shè)計、合成和加工等手段，可以制備出一些新型納米材料，如石墨烯、硼氮化物、過渡金屬氮化物等，這些新材料正逐漸用于復(fù)合鍍層制備中，并為其性能的提高帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)。

綜上所述，納米Al2O3顆粒復(fù)合鍍層在機械和工具行業(yè)具有重要應(yīng)用價值，但在制備過程中需注意實驗參數(shù)的控制。未來在材料學(xué)科的不斷發(fā)展與完善下，結(jié)合復(fù)合材料制備、新型納米材料的發(fā)展以及表面工程等方面的研究將會進一步推動復(fù)合鍍層的性能提高和更廣泛的應(yīng)用場景。此外，在實際應(yīng)用中，當復(fù)合鍍層受到力的作用時，會產(chǎn)生微小的裂縫和缺陷，這些缺陷可能會影響其性能。因此，研究人員也在探索各種方法來修復(fù)這些缺陷，如利用金屬或聚合物粒子填充缺陷，或者用固態(tài)動態(tài)晶化等方法實現(xiàn)材料自修復(fù)。這些修復(fù)方法將進一步提高復(fù)合鍍層在高溫、高壓、高負荷等極端工況下的耐久性。