化学工程与工艺外文翻译含微米和亚微米sic颗粒的复合镀镍层的电沉积和滑动耐磨性

1、外文原文中文译文含微米和亚微米SiC颗粒的复合镀镍层的电沉积和滑动耐磨性I. Garciaa,b,*, J. Fransaera, J.-P. Celisaa比利时天主教鲁汶大学, MTM部, Kasteelpark Arenberg 44, B-3001 Leuven, 比利时b国家冶金研究中心CENIM-CSIC, 腐蚀与防护部, Av. Gregorio del Amo 8, 28040 马德里，西班牙摘要SiC微粒的三种粒径 m，与镍共沉积于Watts溶液中。研究发现，当电镀液中的微粒密度给定时，镀层中的微粒密度随着微粒粒径的减小而增加。这些复合镀层的摩擦和损耗性可由在刚玉球上的单一和

2、双向滑动测试来评估。含有4-5%容量的亚微米SiC微粒的Ni-SiC复合镀层能获得最正确的滑动耐磨性。关键词：电沉积；复合体；损耗；镍；SiC1. 前言电沉积复合镀层由含第二相微粒的分散体系的金属或合金铸模组成1-3。这些微粒可以是硬氧化物或碳化物微粒，如Al2O3, SiC, TiO2, WC, SiO2或金刚石，固体润滑剂，如PTFE，石墨或MoS2，甚至可以是含有液体的微囊剂4，以改善耐磨性和/或减少摩擦。含有微米级颗粒的复合电镀层是用来作为耐磨性镀层的5-7，例如汽车发动机上的Ni-SiC复合镀层 1,8-10。随着纳米颗粒越来越多，纳米颗粒的电解和化学共沉积越来越引起关注11。对于纳

3、米共沉积的主要挑战是足够数量的粒子沉积，和防止在电镀液中的悬浮颗粒团聚。在该项工作中，我们研究的是镍Watts溶液中微米和亚微米SiC颗粒的电解共沉积和该复合镀镍层的滑动耐磨性。研究报道了电镀液的悬浮颗粒的粒径和数量对共沉积粒子数目的影响。并讨论了共沉积的结果和以数目密度为根底的共沉积粒子模型。也就微粒粒径对微米和亚微米大小的非Brownian粒子的共沉积过程的影响作了详细的说明。且关于共沉积亚微米粒子对Ni-SiC复合镀层的耐磨性也进行了讨论。2. 实验局部实验使用的电镀液是标准镍Watts溶液。该镀液组成和电镀参数见表1。 使用的SiC颗粒取0.3B I. Garcia,*, J. Fra

4、nsaer来源:Surface and Coatings Technology，2002，148(7):171 178.SC-21C，性能陶瓷，日本，0.7BS0.7，Elektroschmelzwerk Kempten，德国和5mE110 _4000, Norton，挪威的二次平均直径。所有的粒子均按原样使用。对于各电镀液，已计算了数量密度ns见表2，假设颗粒是单分散的且为球形。电镀液中的粒子浓度的变化范围为-104g/l。各电镀液用电磁搅拌24小时，随后在电镀前超声搅拌30分钟。电沉积是在垂直电极上进行的，而电沉积期间电磁搅拌器搅拌电镀液。表1 电镀液的成分及电镀参数表2 电镀液中SiC微

5、粒含量 共沉积后，有些样品被切断和安装在环氧树脂。扫描电子显微镜观察的金相截面是完整和磨光的，没有使用SiC砂纸以防止污染。共沉积于镀层上的SiC颗粒的数目，可通过在抛光截面上使用X射线探测器来评估。维氏显微硬度测量负载，30克也是在这些抛光截面上进行的。单一和双向滑动磨损测试是在电镀光盘进行的。单向滑动球上盘磨损测试的正常加载为10 N，滑动速度为m/s。旋数为15000或20000。双向滑动球上盘磨损试验12的正常负载5 N，振荡频率为10Hz，切位移幅度为500m。磨损周期为50000。所有的磨损测试都在10mm的刚玉球上进行，无需润滑，温度22°C和环境空气的相对湿度为50。

6、磨损试验期间须连续记录摩擦系数。材料的体积损失是完成磨损测试后在激光轮廓仪Rodenstock RM300上测定的。至此，用乙醇清理样品并超声搅拌15分钟。为了比拟单向和双向磨损测试，磨损表示为体积磨损因子(cm3/N m。该磨损因子是用磨损损失总体积除以总滑动距离和载荷计算得到的。3. 结果与讨论对应SiC颗粒的三种类型的共沉积的SiC数量如图1所示。镀层中共沉积的SiC的体积分数随着电镀液中的粒子浓度的增加而增加，这与文献资料是一致的。5m微粒得到的共沉积的SiC的体积百分数最高，而最低的沉积分数是由0.7m微粒获得的。相当出乎意料的是13mm粒子共沉积得多。一个可能的原因是从不同生产商获

7、得的这些SiC的外表状况存在差异。另一个m粒子在镀液中发生团聚。液中不同SiC颗粒浓度且不同SiC颗粒粒径下与镍共沉积的SiC颗粒的体积分数。Ni-SiC复合镀层在单向滑动下的体积磨损因数。纯电解镍的数据已给ED镍参考文献。在单向和双向滑动测试后Ni-SiC复合镀层的磨损痕迹表现为黑色，并显示刮痕与运动方向平行。这种刮痕是典型的划痕磨损。对于所有Ni - SiC复合镀层测试，摩擦系数在最初的几个滑动周期约为0.5。mmSiC微粒的镍镀层的摩擦系数约为0.29。这一摩擦系数比含有5 mSiC颗粒的镀镍层观察得到的值0.34低，而两微粒在共沉积颗粒中的体积百分数是相似的。另一方面，研究了各SiC颗

8、粒的粒径，摩擦系数随着镀层中SiC颗粒的体积分数的增加而增加，mSiC颗粒，m SiC颗粒而言是从变化到0.30。在刚玉球上滑动进行单向和双向磨损测试后，含有不同粒径SiC颗粒的Ni-SiC复合镀层的磨损量见图2和图3。纯镀镍层和Ni-SiC复合镀层在单向磨损测试中的体积磨损量，几乎比双向磨损测试中记录的数据低了两个数量级。这与坚硬的陶瓷涂层上获得的滑动磨损数据是一致的，比方TiN，显示在单向磨损测试时的磨损速率远远低于双向测试14。然而，在单向滑动测试下，随着SiC颗粒数目的增多，含有5mSiC颗粒的复合镀镍层显示出比纯镀镍层更弱的耐磨性mmSiC颗粒时能获得最正确效果。在双向滑动测试下，相

9、似电镀条件下电沉积时所有的Ni-SiC复合镀层mSiC颗粒复合镀镍层。图3.含有三种不同粒径且不同体积含量SiC颗粒的Ni-SiC复合镀层在双向滑动测试下的体积磨损因数。纯电解镍的数据也已给出ED镍参考文献。图4. 纯镀镍层和含有三种不同粒径SiC颗粒的Ni-SiC复合镀层的维氏硬度共沉积的SiC颗粒的体积含量图为了试图说明测试的Ni-SiC复合镀层的磨损行为，测试了这些镀层的维氏硬度。图4中维氏硬度是根据共沉积得SiC颗粒的体积分数划分的。对于研究的三种粒径的SiC颗粒，维氏硬度随着镀镍层中SiC颗粒数目的增加而增加。所有研究的Ni-SiC复合镀层的维氏硬度比纯电沉积镍高。当硬度值给定时，亚

10、微米共沉积SiC颗粒比5mSiC颗粒m，体积分数的变化范围为1-15%。研究发现，颗粒间间距m时能得到最正确效果15。携带负载和颗粒的铸模能阻止错位运动的发生。颗粒强化复合镀层含有的比1m大的颗粒的体积分数大于20%。于是颗粒间间距大于5m且负载由铸模和颗粒共同承当。获得强化的效果是因为颗粒通过机械约束抑制了铸模的变形。绘制这些镀层的维氏硬度对应于颗粒间间距的图时，哪个机理在这项研究的复合镀层中起作用就变得显而易见了图5。颗粒间间距是在SiC颗粒是单分散，球形的且在镀层上均匀分布的假设下计算的。在含有5mSiC颗粒的复合镀镍层中，颗粒间间距大于5m，甚至是获得最高的微粒体积分数7.5-23%的

11、镀层见图4。于是，含有亚微米SiC颗粒的复合镀层，其硬度增加的记录可以与微粒强化效应联系起来。相反，在含亚微米SiC微粒的体积分数为2-10%的复合镀镍层中，颗粒间间距低于5m。于是复合镀层的硬度增加的记录可以与分散强化效应联系起来。这说明得到非团聚亚微米颗粒的均匀共沉淀物以获得分散强化效应的重要性。图5. 含有三种不同粒径SiC颗粒的Ni-SiC复合镀层的维氏硬度镀层中颗粒间间距图图6. 含有三种不同粒径SiC颗粒的Ni-SiC复合镀层在单向滑动测试下的体积磨损因数共沉积SiC颗粒的数量密度图颗粒间间距，是一个不仅取决于共沉积颗粒的体积分数，而且取决于共沉积颗粒的粒径的参数，因此比仅基于体积

12、分数的描述更适合于分析机械性能，磨损行为。当用数量密度和颗粒粒径作为参数代替体积分数和颗粒粒径时，就可以比拟独立的参数了。Ni-SiC复合镀层的磨损数据如图2和图3所示，当作对应于共沉积颗粒的数量密度的图时能提供更多的信息分别见图6和图7。图6和图7说明，在大多数情况下，体积磨损因数随共沉积的三种粒径的SiC颗粒的数目密度增大而增大。此外，体积磨损因数在多数情况下随颗粒粒径的减小而减小。这说明，Ni-SiC复合镀层含有较低的亚微米SiC颗粒的体积分数与含有较高的微米颗粒的体积分数的镀层，其耐磨性是一样的。滑动测试后通过磨损痕迹观察到的磨蚀说明，碎片和被拉出的SiC颗粒如果继续停留在滑动接触面积

13、上，就会具有反作用。因此，由于共沉积于镀镍层中的SiC颗粒增多而导致的有益的硬度增加和相反的磨蚀效应之间展开了一场竞争。如金属铸模镀层的硬度一样，金属铸模镀层的磨蚀随着磨蚀颗粒的数量和粒径的增大而增大。因此，在复合镀层中，共沉积颗粒的粒径的减小从两个方面来说都是积极的。然而，共沉积颗粒的数量密度的增加虽然能产生更高的硬度和机械性能，却也在滑动磨损期间增加了复合镀层中被拉出的颗粒，从而增大了磨蚀。重新绘制图1中的共沉积数据如电镀液中和镀层中的颗粒的数量密度ns， nc，结果见图8。这样看来，共沉积SiC颗粒的数量密度比电镀液中颗粒的数量密度大1-100倍。共沉积效率，定义为镀层中颗粒的数量密度与

14、电镀液中颗粒的数量密度之比，当电镀液中颗粒的数量密度减小时对于各粒径的SiC颗粒来说该值随着增大。更重要的事实是，共沉积效率随着颗粒粒径的减小而大幅增大。在图8中可以注意到，当电镀液中不同粒径的颗粒的数量密度见例子5×1014和5×1017/m3给定时，共沉积颗粒的数量密度发生了突变。因此，与图1中的明显的结果相比，共沉积效率并不随着颗粒粒径的减小而减小。相反，当电镀液中颗粒的数量密度给定时，共沉积效率随颗粒粒径的减小而增大。图7. 含有三种不同粒径SiC颗粒的Ni-SiC复合镀层在双向滑动测试下的体积磨损因数共沉积SiC颗粒的数量密度图图8. Ni-SiC复合镀层中三种不

15、同粒径SiC颗粒的数量密度悬浮于电镀液中的颗粒的数量密度图尽管使用的不同SiC颗粒都是高纯度的，但仍然不能排除颗粒不仅在粒径上的差异，更由于各自的起源而引起的不同的外表化学。因此，图8的结果可归因于外表化学的差异或粒径依赖性的共沉积行为。为了区分这两种二选一的解释，建立了一种简单模型，看是否有可能基于粒径效应来解释这样的结果。镀层中每单位体积的颗粒的数量密度nc，等于镀层中每单位时间和外表积颗粒的数量nsª除以镀层中每单位时间和外表积的体积增量V： 1体积增量由法拉第定律得到，考虑到了共沉积颗粒的作用，假设颗粒是单分散和球形的： 2这里F为法拉第常数，n为金属离子的化合价，M和分别为

16、原子量和金属密度，I为电流强度，d为共沉积颗粒的直径。镀层中颗粒的数量nsª等于电镀液中颗粒的数量密度ns，引入的一个转移速率A和一个概率P三个的乘积： 3这里A为每单位时间和外表积渗入电极的颗粒的总体积，P为颗粒停留和存在于阴极沉淀中的概率。转移速率A和概率P很明显是由电镀槽的搅拌和流体力学决定的。把V 和nsª代入方程1，共沉积颗粒的数量密度变为： 4方程4只含有一个可变参数，即PA，这把到达阴极的颗粒数量A与这些颗粒停留在阴极上的概率P联系在一起。然而，从我们的共沉积的实验可知，分开测定这两个因数是不可能的。对于在旋转圆盘上进行的实验，A与转速的平方根成正比，而获得更

17、多关于电镀槽搅拌的影响的信息应该是可能的。在我们的实验中，电镀槽搅拌和电极配置是保持不变的，且假设转移速率A也是不变的。方程4过去被用来拟合图8的实验数据的。图9中的拟合数据是由变化的PA和颗粒的直径值获得。研究发现，三种颗粒粒径的实验数据仅在PA值为10-4m/s时能拟合。能得到最正确拟合的PA值10-4mm分别比生产商提及的粉体的粒径5，0.7和0.3大。生产商说明的粒径与拟合粒径之间的差异是合理的。事实上，小颗粒容易聚集于高电离强度的电解质中16mm的多两个数量级。这可以展望获得电解复合镀层中的分散效应的美好前景，且会有可喜的磨损特性。4. 总结Ni-SiC复合镀层的磨损特性已说明是取决

18、于强化颗粒所占据的体积和其数量密度。不同颗粒含量的Ni-SiC复合镀层的滑动磨损行为在单向和双向滑动测试下是相同的。对于刚玉球上测试得到的最正确滑动耐磨性，Ni-SiCmSiC颗粒的体积分数为4-5%。共沉积颗粒的高体积分数或数量密度会降低耐磨性。颗粒粒径的减小能以积极的方式影响耐磨性。这是由共沉积颗粒导致的有益的强化效应和被拉出颗粒的不利的磨蚀引起的。m的Ni-SiC的共沉积。研究发现，对于这个体系，当电镀液中颗粒的数量密度给定时，共沉积SiC颗粒的数量密度随颗粒粒径的减小而增加。因此，小的SiC颗粒比大的更易沉积。以共沉积颗粒的数量密度和电镀液中中颗粒的数量密度的联系为根底，说明电镀液中S

19、iC颗粒的粒径和数量密度是共沉积过程中的重要参数。致谢 I.G.感谢欧洲委员会提供的玛丽居里奖学金合同ERBFMBICT 983129。 J.F.感谢FWO-Vlaanderen提供的财政支持。其中局部工作受到FWO-Vlaanderen合同G.0337.98，比利时政府合同IUAP P4/33和欧洲委员会INMAN工程，合同BRPR - CT98 - 0788的资助。作者感谢V. Terzieva博士和X. Ye博士对实验工作的协助。参考文献1 J.R. Roos, J.P. Celis, J. Fransaer, C. Buelens, J. Met. 1990, 42, 60.2 J.

20、Fransaer, J.P. Celis, J.R. Roos, J. Electrochem. Soc. 1992, 139, 413.3 A. Hovestad, L.J.J. Janssen, Rev. Appl. Electrochem. 1995, 40, 519.4 S. Alexandridou, C. Kiparissides,J.Fransaer, .Surf. Coat.Technol.1995, 71, 267276.5 J. Zahavi, J. Hazan, Plat. Surf. Finish.1983, 2, 57.6 E.P. Rajiv, A. Iyer, S

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