（轮机工程专业论文）耐磨复合镀层技术的研究.pdf

s t u d y o nt h et e c h n o l o g yo fw e a r - r e s i s t i n gc o m p o s i t ec o a t i n g s at h e s i ss u b m i t t e dt o d a l i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g w a n gs h i y u ( m a r i n ee n g i n e e r i n g ) t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rz h ux i n h e p r o f e s s o ry a nz h i ju n j u n e2 0 1 1 ， 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成 果，撰写成硕士学位论文= = 酎匿复金毽屋撞苤的硒塞：。除论文中已经注明 引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表 或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 刃， 学位论文作者签名_ 一坚! 速 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生 学位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可 以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国 优秀博硕士学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、 中国学位论文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以 电子出版物形式出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 ：至也名：易嬲 论文作者签名：f 剧诬导师签名：y7 f 7 隗叫年月甲f 、 譬 _ 、：j 中文摘要 摘要 摩擦磨损是导致设备零件失效的重要原因，而复合电镀技术作为一种重要 的表面工程技术，既可以对表面起到强化作用，又可以作为重要修复技术，不 仅使设备零件恢复到合适的尺寸，同时也提高了设备零件的表面质量。本文采 用复合电镀技术使镀层的硬度、耐磨性能、结合强度性能以及耐腐蚀性能得到 了很大的提高。 本文采用对比试验方法，通过添加分散剂并经超声波振荡后，得到了s i c 颗粒在镀液中具有良好的分散性，为下面的复合电镀奠定了基础。 本文以硬度和电流效率作为评价标准，通过正交试验和单因素试验得到了 镍基s i c 复合镀、铁基s i c 复合镀以及铁镍基s i c 复合镀的最佳工艺影响参数： 镍基s i c 复合镀，温度5 0 ，电流密度i a d m 2 ，n - s i c 浓度值8 9 l ；铁基s i c 复合镀，温度4 0 。c ，电流密度1 2 a d m 2 ，n s i c 浓度值8 9 l ：铁镍基s i c 复合 镀温度6 0 ，电流密度1 5 a d m 2 ，n - s i c 浓度值8 9 l 。并且三种复合镀层的硬 度值比施镀前( 1 5 0 h v ) 有了明显的提高。 在摩擦磨损试验中，通过摩擦系数、磨损量以及划痕的比较分析得出了铁 基s i c 复合镀层的耐磨性能要优于另外两种镀层；在热震试验中，通过热震前 后表面粗糙度的变化和表面金相显微分析得出了镍基s i c 复合镀层的结合强度 性能要劣于另外两种镀层；在电解腐蚀试验中( e c 试验) ，通过腐蚀前后表面 的金相照片分析得出了三种镀层具有较为优异的耐腐蚀性能。 本文最后在内燃机气缸套上施镀三种复合镀层，通过摩擦磨损试验也得到 了在耐磨性能上，铁基s i c 复合镀层要明显的优于另外两种复合镀层。 关键词：复合电镀；纳米s i c ：正交试验；耐磨性 a b s t r a c t f r i 西o n 缸dw e a ra r et h ei m p o r t a n t r e a s o n sf o rc a u s i n gt h ef a i l u r eo fe q u i p m e n t p a n s ，雒dc o m p o s i t ep l a t i n gt e c h n o l o g y a sa ni m p o r t a n ts u r f a c ee n g l n e 锄g t e d m 0 1 0 9 y , e i t h e rc a nw o r ka sa ns u r f a c es t r e n g t h e n i n gt e c h n o l o g y , a n d c a np l a y 笛 缸i m p 耐a n tr e p a i rt e c h n o l o g yw h i c hn o to n l y m a k e st h ee q u i p m e n tp 锄r e s t o r et 0 也er i g h ts i z e ，a l s oi m p r o v e st h e s u l f a c eq u a l i t yo fe q u i p m e n tp a r t s t h i sp a p e r a d 0 呻c o m p o s i t ep l a t i n gt e c h n o l o g yg e n e r a t e s c o a t i n gl a y e r0 nt h e 贼嗽0 i s 锄p l e ，t h ec o a t i n gl a y e rm a k e s t h es u r f a c eh a r d n e s sa n dw e a r - r e s i s t i n gp 蜘a n c c i m p r o v e dg r e a t l y b yu s i n gc o n t r a s tt e s tm e t h o d s ，w eb - q 1 c c e p - d i nm a l d n gs i cp a r t i c l e sh a v ea b 眦e rd i s p e r s i b i l i 够b ya d d i n gd i s p e r s a n ta n dw i t hu l t r a s o n i cw a v e o s c i l l a t i o n t h a t 丽um a k eas o l i df o u n d a t i o nf o rt h ec o m p o s i t ep l a t i n g t h i sp a p _ e rt a k e st h eh a r d n e s sa n dc u r r e n te f f i c i e n c ya se v a l u a t i o ns t a n d a r d s t o 耐t h eo p t i m a lp r o c e s s i n gp a r a m e t e r sa b o u t t h en i - b a s c d , f e - b a s e da n df 渊i - b a s e d c o m p o s i t ep l a t i n gw i t hs i cp o w d e rb y t h ed e s i g no fo r t h o g o n a le ) 【p e n m 锄ta i l da s i l l 西ef 撕0 re x p e r i m e n t t h eo p t i m a lp a r a m e t e r s a r ea sf o l l o w s ：t h en i - b a s e d c o m p o 妣p l a ：t i n g w i t ht e m p e r a t u r e5 0 c ，c u r r e n td e n s i t y 1a d m z ，n - s i cv a l u e8 l ； t h ef eb a s e dc o m p o s i t ep l a t i n gw i t ht e m p e r a t u r e4 0 c ，c u r r e n td e n s i t y l2 a d i n n - s i cv a l u e8 9 l ；t h ef e n i - b a s e dc o m p o s i t ep l a t i n gw i t ht e m p e r a t u r e6 0 c ，c u 玎咖 d e n s i t y1 5 a d i n 2 ，n s i cv a l u e8 9 l a n dt h r e s o r t so fc o m p o s i t ec o a t i n gh 拙e s s v a ：i u eh a v eb e e ni n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l yt h a nw i t hn oc o m p o s i t ep l a t i n g ( 15 0 h v ) 1 1 1 er e s u l t so f 衔c t i o na n dw e a r t e s ts h o wt h a tt h ef e o b a s e dc o m p o s i t ec o a t i n g w i t hn a n os i ci sm u c hb e t t e rt h a nt h et w o o t h e rc o m p o s i t ec o a t i n g sb yt h ea n a l y s l s o f 衔c t i o nc o e 伍c i t s ，w e i g h tl o s sa n ds oo n ；t h c t h e r m a ls h o c kt r i a l si n d i c a t et h a t t h en i - b a s e dc c 叩s i t cc o a t i n gw i t hn a n os i cp e r f o r m sm u c h m o r ei n f e r i o rt h a nt h e 似oo m c rc o m p o s i t ec o a t i n g sb yc o m p a r i s o no ft h es u r f a c er o u g t m e s sc h a n g e s a n d t 1 1 eo p t i c a lm i c r o s c o p ea n a l y s i s ；t h ee l e c t r o c h e m i c a lc o r r o s i o nt c s t ( e ct e s os h o w t h a lt h e 也r k i n d so fc o m p o s i t ec o a t i n g s h a v ee x c e l l e n tc o r r o s l o nr c s i s t a n c c 恤0 u g ht h ea n a l y s i so f t h eb e f o r ea n da f t e rs u r f a c em c t a l l o g r a p h i cp h o t o s i nl h e do ft h ep a p e r , w eh a v eg o tt h r e ek i n d so fc o m p o s i t ec o a t i n go nt h e s i 】u r f 搬o fi n t 锄a lc o m b u s t i o ne n g i n ec y l i n d e rl i n e r , t h r o u g ht h ef r i c t i o na n d w e 冶r t c s t w e ，v ea l s og o tt h es a m ec o n c l u s i o n ：t h ef e - b a s e dc o m p o s i t ec o a t i n g 聊t hn a n o s i c 白a wm u 动m o r es u p e r i o rt h a nt w oo t h e rc o m p o s i t ec o a t i n g s 。 英文摘要 k e yw o r d s ：c o m p o s i t ep l a t i n g ；n a n o - s i c ；o r t h o g o n a le x p e r i m e n t ；w e a r r e s i s t a n c e 目录 目录 第1 章绪论1 1 1 课题的目的和意义1 1 2 表面工程2 1 2 1 表面工程技术的定义和分类2 1 2 2 表面工程技术在修复以及再制造领域的应用3 1 3 电镀技术简介3 1 3 1 电镀技术的定义3 1 3 2 电镀技术的发展3 1 3 3 电镀的原理4 1 3 4 电镀作用5 1 3 5 电镀层分类5 1 4 复合电镀技术简介6 1 4 1 复合镀定义6 1 4 2 复合镀层沉积机理6 1 4 3 复合镀层的分类7 1 5 本文研究的主要工作。8 第2 章试验设备与方案9 2 1 试验设备和仪器介绍9 2 1 1 电镀试验设备9 2 1 2 硬度检测装置10 2 1 3k t - 1 颗粒计数器装置一1 1 2 1 4 超声波清洗机12 2 1 5 直读光谱分析仪1 2 2 2 试验影响因素1 3 2 3 制取n s i c 的方法1 4 2 3 1 试验设备介绍1 4 2 3 2 纳米s i c 检测方法。1 5 2 4 试验工艺过程以及试验方案的设计1 6 2 4 1 工艺过程1 6 2 4 2 试验方案设计1 7 2 5 复合电镀中n - s i c 固体颗粒的分散方法1 9 第3 章试验结果与分析2 2 3 1 镍基s i c 试验结果分析。2 2 目录 3 2 铁基s i c 试验结果分析2 7 3 2 1 镀铁试验结果分析2 8 3 2 2 铁基s i c 复合镀试验结果3 1 3 2 3s i c 浓度对电流效率的影响3 2 3 3 铁镍基s i c 试验结果分析3 4 3 3 1 硬度分析3 5 3 3 2 电流效率分析3 8 3 3 3 优化因素值的选取。4 2 3 4 复合镀层中s i c 含量的分析4 3 3 5 本章小结4 4 第4 章镀层性能测试及分析4 5 4 1 摩擦磨损性能分析。4 5 4 1 1 摩擦磨损试验设备介绍。4 5 4 1 2 试验准备及方法4 6 4 1 3 摩擦磨损试验结果及分析4 7 4 2 复合镀层抗腐蚀性能测试5 2 4 2 1 腐蚀试验方法介绍5 2 4 2 2 腐蚀试验结果分析。5 3 4 3 复合镀层的结合强度测试5 5 4 3 1 结合强度试验简介5 5 4 3 2 结合强度测试方法及结果分析5 5 4 4 缸套表面复合镀层的摩擦磨损试验5 8 4 4 1 试验方案。5 8 4 4 2 试验结果分析5 9 第5 章结论及展望6 3 5 1 本文结论6 3 5 2 本文展望“ 参考文献6 5 致谢6 8 耐磨复合镀层技术的研究 第1 章绪论 1 1 课题的目的和意义 磨损、腐蚀、疲劳是机械材料失效的三种主要形式，其中磨损是造成当今材 料和能源损失的主要原因之一，在机械设备中，摩擦副之间的磨损失效已经成为 制约提高装备的安全性、可靠性和使用寿命的技术瓶颈之一【l 】。因此，如何减少摩 擦消耗和磨损，提高机械和零件的可靠性和使用寿命是长期以来大家关心的课题 【2 4 1 。这些年来，随着技术的发展，表面工程在抗磨技术方面的应用取得了很大的 进步。 电镀铁和镍与其他表面工程技术方法相比，具有结合强度高，沉积速度快， 镀层硬度高，并且工艺简单等优点。铁镍合金镀在目前的工业当中既可以满足一 般零部件对性能的要求，同时也能够节省大量宝贵的镍资源。但是普通的镀铁和 镀镍层有时并不能满足使用要求，在耐磨性能和耐蚀性能上与复合镀层相比都相 差不少，铁基s i c 复合镀、镍基s i c 复合镀和铁镍基s i c 复合镀的镀层要比纯镀 铁层和镀镍层的硬度和耐磨性能都较为优异。虽然三种复合镀层在以前的研究中 都有将其用于零件修复的研究和表面强化的研究，但是在船机零件的修复或改善 表面处理上，哪种镀层更为适合还有待研究。因此，比较研究三种s i c 复合镀层 耐磨、耐腐蚀以及耐热冲击性能的优劣，探讨哪种复合镀层在船机零件修复及表 面强化上更有优势，对于实际应用s i c 复合镀具有一定参考意义。 严祥成曾在一篇文献中提到，在w a t t s 镀液( 硫酸盐型低氯化物) 中添加s i c 进行复合电镀，所得n i s i c 复合镀层的耐磨性能比普通镀镍层高7 0 【5 】。德国的 一家公司开发的含s i c 质量分数为2 3 4 的n i s i c 复合镀层，硬度高，内应 力少，磨损量也大为降低，已用于汽车发动机的气缸套表面。 邓姝皓等在一篇文献中提出铁镍合金的电沉积可以从氯化物、硫酸盐、氯化 物硫酸盐、磺酸盐镀液中获得，但是采用氯化物硫酸盐型镀液最为普遍【6 】。 白晓军曾在一篇文献当中提到如果s i c 粒径大于5 p m ，则会使配合使用材料 的磨损增大，耐磨性下降。同时他还指出复合镀中搅拌太剧烈使镀层中s i c 粒子 含量减少，如搅拌太弱，则镀层中的粒子不能均匀分布1 7 。因此，在纳米复合镀中 第1 章绪论 既要使s i c 粒径复合一定的尺寸，同时又必须确定一个适当的搅拌强度。 目前国内外研究的主要是铁基s i c 复合镀层和镍基s i c 复合镀层与纯镀铁层 和纯镀镍层的比较分析研究。也有探讨研究影响制备铁基s i c 复合镀层与镍基s i c 复合镀层的因素的研究，如温度、电流密度、p h 值和颗粒含量的问题。但是目前 很少研究将铁基s i c 复合镀层与镍基s i c 复合镀层以及铁镍基s i c 复合镀层做比 较研究分析的文章 1 2 表面工程 1 2 1 表面工程技术的定义和分类 表面工程技术就是通过各种表面处理、表面镀层和表面改性技术赋予材料或 工件表面特定的性能，从而能够有效的提高产品的质量和使用寿命【蚋】。现代工业 的发展，对设备零部件的表面性能要求越来越高，而因零部件表面失效而带来的 破坏和损失是非常巨大的。据不完全统计，摩擦损失了世界一次性能源的百分之 三十到百分之五十，给工业国家带来的损失可达到国民生产总值的2 8 。而我 国工业每年约有1 2 的钢材被消耗在备件的生产上，而这些备件大部分失效原因是 由于表面磨损失效引起的。因此采用表面工程技术改善和提高材料和零件的表面 性能，不仅可以有效的提高使用寿命，同时节约了资源和减少了坏境的污染。近 年来随着技术的提高，拓宽了表面工程的应用范围，已经成为制造新型的功能材 料和复合材料重要手段之一，超出了原来热处理和耐蚀防腐的范畴，形成了自己 的学科体系【1 1 1 1 。 表面工程技术在目前工业的应用和种类很多，按照工作原理表面工程技术可 以分为四大类【1 2 】： 表面冶金技术。这种技术主要包括等离子表面冶金、激光表面合金化以及 离子注入等。 表面冶层技术。这种技术主要包括电镀、化学镀、喷涂、微弧氧化等。 表面硬化技术。这种技术主要包括表面淬水、喷丸等。 表面加工技术。这种技术主要包括表面研磨、表面蚀刻等。 目前，表面冶层技术中的表面电镀技术在整个修复和再制造行业当中是应用 耐磨复合镀层技术的研究 最为广泛的领域。特别是复合镀技术与单金属镀层技术相比较而言，对设备零部 件工作表面性能的提高和改进更为显著。 1 2 2 表面工程技术在修复以及再制造领域的应用 表面工程在机械设备零件表面的强化以及修复上有着广泛的应用。例如曲轴 是发动机的重要零件，它的质量好坏对发动机状态至关重要。同时曲轴又是发动 机零部件中非常昂贵的零件，往往会达到整个发动机价值的十分之一左右，因此， 很具有修复价值。一般来讲，曲轴表面损伤修复的基本途径，主要分为两个阶段： 一是零件受损表面的修复，二是受损表面尺寸和几何形状精度的修复。 以电镀技术为基础的镀层获得方法，是修复和改良曲轴表面最为有效的手段， 通过电镀将欲镀金属牢固地镀在曲轴表面上，不仅能够恢复曲轴的的尺寸和几何 形状，同时还能赋予表面各种更为优异的物理化学性能，如耐腐蚀性、耐磨性。 鲁 据报道“铁基合金镀铁再制造技术”是董氏镀铁公司近年来在“无刻蚀镀铁”技浮 术的基础上研究开发的一项新的镀铁技术，所获得的合金镀铁层比单金属镀铁层 具有更好的结合强度、耐磨性等力学性能，其修复的曲轴等零部件完全满足“再制 造工程”的各项技术要求，曾被徐滨士院士等专家评价为“世界先进”水平。应用该 技术已修复舰船、机车柴油机曲轴等贵重零部件上万件，深受客户的好评和信赖 f 1 3 】 f “ 1 3 电镀技术简介 1 3 1 电镀技术的定义 电镀是利用电化学方法将镀液中的金属离子还原为金属，并沉积在金属或非 金属表面上，形成平滑致密的金属覆盖层。电镀技术发展到今天，已经成为非常 重要的现代表面加工技术，它早已经不仅仅局限于金属表面防护和装饰，尽管防 护和装饰电镀仍然占电镀加工的很大比重。目前，电镀的功能性用途越来越广泛， 尤其是在电子工业、通信和军工、航天等领域大量在采用功能性电镀技术【1 4 】。 1 3 2 电镀技术的发展 第1 章绪论 电镀的历史较早，这项表面处理技术的最初应用是为了满足人们防腐和装饰 的需要【1 5 1 。后来随着科学技术的进步和发展以及现代工业对零件表面性能要求的 提高，一些新的镀层材料和复合镀技术的出现和应用极大地拓展了这项表面处理 技术的应用范围。如传统工艺与近代激光技术结合形成的激光电镀是新兴的高速 电镀技术【1 6 1 。2 0 世纪8 0 年代又出现一种激光喷射强化电镀的新技术，这种技术通 过将激光强化技术与电镀液喷射结合起来，使传质速度大大超过激光照射所引起 的微搅拌的速度，从而达到很高的沉积速度。电镀技术在众多领域得到广泛应用， 如机械、电子、石油化工、轻工、航空航天领域掣r 丌。 1 3 3 电镀的原理 本试验所用电镀原理图如图1 1 所示。 1 电动搅拌器2 阴极3 阳极 图1 1 低温镀铁原理图 f i g 1 1t h e s c h e m a t i co fl o w - t e m p e r a t u r ei r o np l a t i n g 在盛有电镀液的镀槽中，经过清理和特殊预处理的待镀件作为阴极，用镀覆 金属制成阳极，两极分别与直流电源的负极和正极连接。电镀液由含有镀覆金属 的化合物、导电的盐类、缓冲剂、p h 调节剂和添加剂等的水溶液组成。通电后， 一4 一 耐磨复合镀层技术的研究 发生电化学反应，电镀液中的金属离子，在电位差的作用下移动到阴极上析出， 形成镀层【1 8 】。阳极的金属形成金属离子进入电镀液，以保持被镀覆的金属离子的 浓度。电镀时，阳极材料的质量、电镀液的成分、温度、电流密度、通电时间、 搅拌强度、析出的杂质、电源波形等都会影响镀层的质量，需要适时进行控制。 1 3 4 电镀作用 利用电解作用可以在机械制品上沉积出附着良好的，但性能和基体材料不同 的金属覆层。通过电镀，可以在机械制品上获得装饰保护性和各种功能性的表面 层，还可以修复磨损和加工失误的工件。目前，金属镀层的应用已经广泛分布于 各个生产和研究部门，例如机械制造、电子、能源、化工、交通运输以及航空航 天等，在生产实践中有着重大意义。电镀的作用有如下几个方面【l9 】：提高耐蚀作 用，如钢铁镀锌；改善外观质量，如在金属表面镀缎面镍；提高功能作用，如在 金属表面镀铁镍合金提高耐磨性能：研制新型材料，随着科学技术的发展，金属 表面采用复合或合金镀层，可开发出更多性能良好的新型材料。 1 3 5 电镀层分类 镀层根据使用目的可分为装饰保护性镀层和功能性镀层两类，根据组合情况 可分为三类，包括简单镀层、组合镀层以及复合镀层【2 0 1 。 ( 1 ) 简单镀层 简单镀层即表示在基体上电镀某种单质金属镀层就可以达到使用目的。如铁 集体镀锌板，也可以是电镀合金镀层，如铜基体电镀铅锡合金。 ( 2 ) 组合镀层 组合镀层代表在基体表面上通过电镀几种不同金属材料的多层镀层来满足使 用要求。如铁基体上电镀铜、镍、铬合金或铜锡合金来达到防护一装饰性目的。 ( 3 ) 复合镀层 复合镀层即表示通过电镀将某种固体颗粒均匀分散在基质金属中形成的功能 镀层。如电镀镍基耐磨复合镀层以及镍磷基耐磨复合镀层( 采用s i c 颗粒) 。 第1 章绪论 1 4 复合电镀技术简介 1 4 1 复合镀定义 随着经济和工业的发展，人们对轴承等机器设备的关键零件的工作强度和工 作环境要求越来越高，现有的单一镀层难以满足现有的要求以及某些对表面有特 殊性能的要求。目前采用以一种或多种金属为基质，通过电化学沉积原理在镀液 中加入一种或多种不溶性纳米固体颗粒，使其随着基质金属沉积的同时，均匀的 分布在材料表面上形成具有特殊功能的复合镀层，这种工艺就称为复合镀技术 2 1 - 2 2 o 复合镀层是由基质金属和不溶性固体颗粒组成。基质金属常见的是铁、镍、 铜、钴、钨等，不溶性固体颗粒最常见的有s i c 、s i 0 2 、a 1 2 0 3 、m o s 2 、金刚石、 石墨等。由于固体颗粒的特性通常表现为耐高温和高硬度( 如s i c 、s i 0 2 、a 1 2 0 3 ) 或本身具有润滑的特性( 如m o s 2 和石墨) ，这就使得复合镀层比单一金属镀层在 硬度、耐磨性能、耐腐蚀性能以及润滑性能上都有显著的提高【2 3 瑙】。因此，复合 镀技术应用比较广泛，能够有效地提高零件的表面质量和使用寿命，极大地提高 了经济效益。 目前，复合镀是轴承修复以及模具行业中应用最具活力的领域【2 7 之8 1 。与单金 属镀层相比较，复合镀镀层性能更为优良，镀层与基体结合力更强，在提高硬度 以及耐磨性能上效果更为显著，从而使轴承以及模具使用寿命得到极大的提高。 1 4 2 复合镀层沉积机理 目前为大家所认可的对纳米复合镀层形成机理的研究指出，形成复合镀层有 三大步骤 2 9 】： ( 1 ) 首先是悬浮在镀液中的颗粒由镀液向阴极表面附近输送的过程，这一过程 会受到搅拌方式以及搅拌强度的影响。 ( 2 ) 其次是悬浮在液体中的固体颗粒粘附在阴极表面上。这一过程会受到电镀 过程中的工艺过程的影响，如电流密度、温度、p h 以及搅拌等的影响。 ( 3 ) 以纳米固体颗粒为结晶中心，使着纳米固体颗粒嵌入到基质金属当中。这 一6 一 耐磨复合镀层技术的研究 一过程不仅与微粒的粘着力有关，同时也会受到电流密度的影响，因为电流密度 会影响其基质金属的沉积速度。目前，形成复合镀层的这三个步骤已经为大家所 公认，但问题的详细过程尚需进一步地深入研究【3 0 】。 虽然人们对复合电沉积机理作了很多的研究，但目前还没有一种能够解释各 种工艺参数对共析量的影响且具有广泛实用性的复合电沉积模型。此方面的工作 有待进一步深入的研究和发展p 。 1 4 3 复合镀层的分类 根据复合镀层表现出的性能不同，可以将复合镀层归纳为以下几类： ( 1 ) 耐磨复合镀层 对磨损较为严重的部位，将硬度高、耐磨性好的硬质颗粒均匀地镀在基质金 属中就会形成硬度高、耐磨性好的复合镀层。这些微粒包括难容的氧化物，如s i 0 2 、 舢2 0 3 等；以及碳化物，如s i c 、b 4 c 等。这些镀层不仅具有良好的耐磨性能，而 且还有良好的抗高温性能。 ( 2 ) 自润滑复合镀层 自润滑复合镀层就是将不溶的具有润滑性能的固体颗粒，通过电镀的方法使 润滑颗粒均匀地嵌在镀层的表面上。此镀层的主要优点就是摩擦系数非常的小， 能在摩擦表面缺乏润滑油的恶劣工况下实现一定的自润滑，从而能够保证摩擦表 面足够的润滑性，避免发生表面粘着磨损等重大损失。这类固体颗粒包括石墨、 二硫化钼、云母等。 ( 3 ) 抗腐蚀以及有装饰功能的镀层 以抗腐蚀为目的的复合镀层采用的固体颗粒，都是难以与酸等酸性物质发生 反应的物质，如s i 0 2 ，s i c 等颗粒。而随着社会的发展以及人们对生活质量要求的 提高，目前装饰功能镀层的发展日新月异，如我们常看到的缎面镍，它就是在镀 镍槽中添加a 1 2 0 3 、b a s 0 4 、t i 0 2 等固体颗粒。 ( 4 ) 具有电接触功能的复合镀层 某些贵重金属的导电性能好，其接触电阻也较少，但是其缺点是这些金属的 硬度不高导致其耐磨性能很差。其直接导致这些电子元件和电器设备的造价过高 以及耐用性差。但是如将固体颗粒与这些贵重金属共沉积形成复合镀层，如常见 第1 章绪论 的a u w c 、a u s i c 等。这种镀层既可以显著的提高其耐磨性能，同时又对其导电 性能没有太大的影响。 除此之外，有些复合镀层还具有特殊的光学，化学或电学性能等，这些具有 特殊功能的新型镀层都有待于我们进一步研究。 1 5 本文研究的主要工作 本课题的研究目标是通过正交试验依次确定铁基s i c ，镍基s i c ，铁镍基s i c 的最优化因素值以及各镀液中的s i c 的含量。然后通过比较硬度，耐磨性能，耐 腐蚀性能以及抗热冲击性能等试验以期找出三种s i c 复合镀中镀层性能最为优异 的复合电镀。本文采取的研究方法是： ( 1 ) 制取纳米s i c 颗粒，并检测其颗粒大小控制在5 岬以下，同时探讨分析能 够使纳米s i c 颗粒有效分散在镀液中的方法。 ( 2 ) 以硬度为主要评价标准，以电流效率评价为辅，探讨得出铁基s i c 复合镀、 镍基s i c 复合镀以及铁镍基s i c 复合镀最优化因素值以及镀液中s i c 的最佳含量。 通过直读光谱分析仪测得的试验前后c 和s i 元素质量百分比的变化情况，验证镀 层中s i c 的存在。 ( 3 ) 通过耐磨试验、耐腐蚀试验、结合强度试验等性能测试，对镀层性能做出 检测分析，探讨研究三种复合镀中性能优异的复合镀层，并进行初步分析研究。 ( 4 ) 为了接近实际生产，在内燃机缸套上分别进行三种复合镀层的电镀，通过 摩擦磨损试验中摩擦系数的变化、磨损量以及划痕分析来验证试验结果。 一8 一 耐磨复合镀层技术的研究 第2 章试验设备与方案 2 1 试验设备和仪器介绍 2 1 1 电镀试验设备 本论文所用的电镀试验设备主要包括以下几个： 恒温水浴加热器、增力电动搅拌器、恒定电位仪、镀件、阳极板、p h 试纸、 镀槽、挂具和天平等。 试验设备装置如图2 1 所示。 图2 1 试验装置图 f i g 2 1t h es c h e m a t i co ft e s te q u i p m e n t 恒温水浴加热器：其作用是保持镀液温度的恒定。本仪器主要由恒温加热 循环水浴、真空泵、调节阀门和连接管组成，具有体积小、重量轻、升温快、保 温好等优点。 增力电动搅拌器：其作用是保证复合镀纳米颗粒能够均匀分散。该搅拌器 的转速可以根据试验的要求在肚1 0 0 0 r m i n 的范围内进行调节。 恒定电位仪：其作用是为试验提供恒定大小的电流。本试验所用仪器为 t d 3 6 9 l 型，如图2 2 所示。具有恒电流和恒电位两种工作方式。该仪器可以在温 第2 章试验设备与方案 度为0 4 0 。c ，相对湿度不大于9 0 的环境中连续工作8 个小时。量程有五个档位， 分别为0 1 m a 、l m a 、1 0 m a 、1 0 0 m a 、1 0 0 0 m a 。该仪器具有工作稳定，响应时 间快等特点。 图2 2t d 3 6 9 1 型恒定电位仪 f i g 2 2t d 3 6 91 - t y p ec o n s t a n tp o t e n t i o m e t e r 镀件：其作用是在试验中作为阴极，在其表面制备复合镀层。试验中镀件 的规格为1 0 0 m m 2 0 m m 2 m m ( 长宽高) 。 阳极板：其作用是为了防止阳极产生的残渣会污染镀液，所用阳极均加上 了阳极袋。 p h 试纸：其作用是随时保证镀液的p h 值的稳定。本试验所用的p h 试纸的 测试范围为1 7 的精密试纸 镀槽：其作用是盛放电镀液。本试验所用的镀槽为玻璃制烧杯，容积为1 升。 挂具：其作用是为保证阴阳极与电源良好的接触，即保证电场均匀和镀层 厚度均匀。 天平：其作用是称量试验前后试样的质量变化情况。本试验所采用的天平 为电子天平，精准度可以精确到0 1 m g 。 2 1 2 硬度检测装置 耐磨复合镀层技术的研究 硬度的检测采用的是m h 一6 型显微硬度计，它测试精度高，重复性好，操作 简单，其主要技术参数为： 1 ) 样品最大高度：9 1 m m ； 2 ) 样品最大深度：1 1 0 m m ； 3 ) 放大倍数：1 0 0 倍和4 0 0 倍； 4 ) 保载时间：5 - - 一9 9 s ； 本试验采用的保载时间为5 s ，所加载荷为1 0 0 n ，放大倍数为4 0 0 倍，在操作 前要进行调零，调零之后应用标准试样进行硬度值测试比对，当所测数值比标准 试样的差值在5 h v 时，即可进行对样品的硬度测试。通过测量压痕对角线的长 度，就会在显示屏上直接读出显微硬度值。 2 1 3k t 1 颗粒计数器装置 本试验s i c 颗粒粒径的大小采用k t 1 型颗粒计数器检测，如图2 3 所示。其耋 性能指数如下： r 函 鏖 z 图2 3k t - i 颗粒计数器 f i g 2 3k t - 1p a r t i c l ec o u n t e r 本仪器具有五个检测通道，分别为( 通道单位：m ) ： 1 ) n a sj 6 3 85 01 5 02 5 05 0 01 0 0 0 2 ) i s 0 4 4 0 64 06 01 4 0 3 ) d l t 1 0 9 65 0 4 ) j b t 9 7 3 75 01 5 0 第2 章试验设备与方案 5 ) g j b 4 2 0 a2 05 01 5 02 5 05 0 0 另外本设备还有两个自定义标准。自定义标准可以选择最多8 组不同的检测 粒径。其中o p m 1 0 t m 为o 1r t m 的跨度，从1 0 u m - - 1 0 0 p m 为1 0 m 的跨度。最 大测量粒径为1 0 0 p m 。 2 1 4 超声波清洗机 本文纳米s i c 的分散用到的是超声波清洗机如图2 4 所示。其工作原理如下： ； l 一一一一 嘲翮蹴编灞黼麓弼鞴彩茹黝稍“ 图2 4 超声波清洗机 f i g 2 4u l t r a s o n i cc l e a n i n gm a c h i n e 本超声波清洗的基本原理是以每秒4 万次的震动，在液体中产生空化作用。 这种空化作用是由于液体在超声波的作用下，形成空气泡，在空化泡消失时具有 很大的冲击力，当团聚在一起的s i c 受到这个力的冲击时，粘附在一起的s i c 就 会被剥落从而达到分散的目的。 2 1 5 直读光谱分析仪 本试验所用的直读光谱分析仪的型号为s p e c t r o m a x x ，如图2 5 所示。 耐磨复合镀层技术的研究 图2 5 直读光谱分析仪 f i g 2 5t h er e a d o n l ys p e c t r u ma n a l y z e r 直读光谱分析仪的原理是光源辐射出待测元素的特征光谱，通过元素产生的 吸收光谱检测元素的种类，同时元素吸收光谱后会产生发射光谱，由发射光谱的 减弱程度就可以求得样品中所测元素的含量。本试验仪器的特点是所有金属行业 矗 盔 需要分析的化学元素均可分析。本直读光谱仪主要由c c d 检测器，分析程序，火 花台、激发光源、仪器控制、计算机系统及软件构成。 2 2 试验影响因素 在直流复合电镀中影响因素主要有五个：电解液的浓度、温度、酸度、电流 密度、纳米颗粒的大小和浓度。 ( 1 ) 电解液浓度的影响 电镀液的浓度在电镀过程中会影响到镀层的某些特性及其力学性能1 3 2 1 。当浓 度过低时，沉积速度变慢，镀层的硬度提高，但是脆性增大。随着电解液浓度增 大，阴极极化作用减少，欲镀金属在阴极就更加容易析出，但是阴极极化变少会 使镀层品粒变大，因此，当浓度过高时，镀层硬度下降，韧性提高。 ( 2 ) 温度的影响 在电镀过程当中必须保证镀液维持在一个比较适宜的温度。当温度过低时， 不仅使着电流效率降低，同时会使阴极表面的浓差极化作用增大，从而使着镀层 表面析氢严重，导致镀层的质量降低；当温度过高时，生成的品粒就会变得粗大， 而使着镀层的硬度以及耐磨性能降低。 寄 掌 豢 。 r。 第2 章试验设备与方案 ( 3 ) 酸度的影响 电解液的p h 值在电镀过程中是有影响的【3 3 】。电镀过程中镀液的p h 是不断发 生变化的，因此应该注意定期检测镀液的p h 值，维持镀液的p h 值保持在一个适 宜的范围内。当p h 过大时，虽然提高了沉积速度，但是镀层往往晶粒之间结合比 较疏松，同时p h 过大也会使某些物质易水解产生沉淀，沉积在镀层表面，造成镀 层质量的降低；p h 过小也会使镀层表面析氢严重，而且得到的镀层也会产生韧性 差等缺陷。 ( 4 ) 电流密度的影响 电流密度的升高或降低，会直接影响到镀层硬度的高低以及沉积速度的快慢。 电流密度越大，虽然电流效率会得到提高，但是所得到的镀层晶格粗大，导致粗 糙度的降低。特别当电流密度超过特定值时，镀层就会产生裂纹，析出的会属变 成粉末。因此，在无搅拌和温度不太高的情况下进行电镀f 3 4 】，电流密度不宜选择 太大。 ( 5 ) 颗粒大小和浓度的影响 颗粒大小和浓度在复合电镀中对镀层的性能有很大的影响，当颗粒太大，不 仅颗粒在镀液难以有效地悬浮，同时也很难随基质金属一起沉积到镀层表面，就 是沉积到镀层的颗粒，由于其颗粒过大，会使镀层的耐磨性能下降。但是当颗粒 太小时，颗粒在镀液中容易悬浮在镀液的中上层，发生团聚现象，同时沉积到镀 层表面的颗粒也容易发生团聚现象，不仅使着电流效率下降，同时也使着镀层的 各种性能变差。颗粒的浓度适当的增大会增加颗粒进入到阴极表面的机会，但是 当超过一定的浓度时，颗粒就会对向阴极移动的金属离子产生阻碍，从而使着镀 层的颗粒含量下斛3 5 _