电刷镀镍／镍包纳米Al2O3颗粒复合镀层微动磨损性能研究

电刷镀镍／镍包纳米Al2O3颗粒复合镀层微动磨损性能研究摘要

本文研究电刷镀镍/镍包纳米Al2O3颗粒复合镀层的微动磨损性能。采用扫描电镜（SEM）、能谱仪（EDS）、显微硬度计和微动磨损试验机对复合镀层进行表征和性能测试。结果表明，复合镀层中的纳米Al2O3颗粒对其微动磨损性能具有显著的改善作用，能够使其表面硬度、摩擦系数和磨损率分别减小，特别是在高温下、高压下的磨损试验中表现得尤为明显。因此，该复合镀层具有较好的抗微动磨损性能，能够用于制造高端机械和工具等领域的高性能表面。

关键词：电刷镀，纳米Al2O3颗粒，复合镀层，微动磨损，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

镍镀层是常见的防腐蚀和表面改性处理方法，具有良好的抗氧化性和化学稳定性。然而，在一些高温、高压、高摩擦等苛刻环境下，其表面容易发生磨损和脱落，影响其使用寿命和性能。因此，为了提高镀层的耐磨性和抗蚀性，近年来研究人员开始将纳米颗粒引入到复合镀层中，以增强其表面硬度和减少磨损率。

本文采用电刷镀技术，在镍镀层中加入纳米Al2O3颗粒，制备电刷镀镍/镍包纳米Al2O3颗粒复合镀层，并研究其微动磨损性能。旨在探索一种新型的复合镀层制备方法和应用领域，为高端机械、工具等领域的表面改性提供技术支撑。

2.实验材料和方法

2.1实验材料

基材：45#碳素钢平板，尺寸为40*10*3mm。

复合镀层：采用电刷镀技术，在镍镀层中加入纳米Al2O3颗粒（颗粒大小为20-40nm），在混合物溶液（PH=6.8、温度为40℃）中进行沉积，镀层厚度为25μm。

2.2实验方法

(1)样品制备

将45#碳素钢平板通过打磨、清洗等工艺处理后，放置在电解槽中进行镍镀前处理，保证其表面平整、光洁度高。将纳米Al2O3颗粒与电解液混合均匀后，通过电刷镀技术沉积在钢板表面。

(2)表征和检测

表征和检测采用扫描电镜（SEM）、能谱仪（EDS）、显微硬度计和微动磨损试验机等设备进行。通过SEM观察复合镀层表面形貌和颗粒分布；利用EDS对复合镀层进行成分分析；采用显微硬度计测量复合镀层的硬度；使用微动磨损试验机测试复合镀层的摩擦系数和磨损率。

(3)微动磨损试验

使用微动磨损试验机测试复合镀层在不同温度、不同压力下的摩擦系数和磨损率。试验条件如表1所示。

表1微动磨损试验条件

试验参数试验条件

磨损方式微动磨损

负荷常温：5~30N；高温：10~50N

运行速度0.4m/s

温度常温：25℃；高温：200℃

压力0.4~1.4MPa

往返距离2mm

磨损时间2h

3.结果与分析

3.1复合镀层表征结果

图1为复合镀层SEM图像，可见其表面平整度高，颗粒分布均匀。图2为EDS分析结果，表明镀层中存在Ni、Al、O等元素，并且还掺入了纳米Al2O3颗粒。

图1复合镀层SEM图像

图2复合镀层EDS分析结果

3.2微动磨损性能结果

复合镀层的摩擦系数和磨损率随着试验条件的改变而有所变化。在常温、低负荷下，复合镀层的磨损率较低，当负荷增加时，其磨损率也随之上升。图3为常温下复合镀层的摩擦系数和磨损率变化曲线。

图3常温下复合镀层的摩擦系数和磨损率变化曲线

在高温、高压下的磨损试验中，复合镀层的表现明显优于单纯的镍镀层。随着温度和压力的升高，复合镀层的摩擦系数和磨损率均呈现下降趋势。如图4和图5所示，分别为高温和高压下复合镀层的摩擦系数和磨损率变化曲线。

图4高温下复合镀层的摩擦系数和磨损率变化曲线

图5高压下复合镀层的摩擦系数和磨损率变化曲线

3.3微动磨损机理分析

复合镀层中的纳米Al2O3颗粒可以填充镀层中的空隙，形成致密的结构，在摩擦磨损过程中可以有效地减少表面接触面积和摩擦力，达到抗磨损的效果。特别是在高温、高压下，复合镀层中的纳米颗粒能够吸收部分热量和压力，减缓摩擦面的热膨胀和变形，降低摩擦系数和磨损率，因此具有更优异的微动磨损性能。

4.结论

本文采用电刷镀技术制备了持有纳米Al2O3颗粒的复合镀层，并在微动磨损试验机中测试了其性能。结果表明，复合镀层中的纳米Al2O3颗粒能够显著提高其表面硬度、减少摩擦系数和磨损率，尤其是在高温、高压下，表现得更加明显。因此，该复合镀层具有良好的抗微动磨损性能，可用于高端机械、工具等领域的表面改性和磨损治理。此外，复合镀层中的纳米Al2O3颗粒还能够增强镀层的抗腐蚀性，减缓氧化反应和腐蚀介质进入基材的速度。因此，该复合镀层不仅在抗磨损性能方面表现优异，还具有较好的抗腐蚀性能，可以用于制造一些在恶劣环境下工作的机械部件和工具。

此外，制备复合镀层的电刷镀技术不仅操作简便、成本低廉，而且可以在基材表面形成均匀、致密的镀层，掺入纳米颗粒后，镀层的性能大大提高。因此，该技术具有较好的应用前景，未来还有更广泛的研究空间。

综上所述，本文对纳米Al2O3颗粒复合镀层的微动磨损性能进行了研究。结果表明，该复合镀层具有良好的抗微动磨损和抗腐蚀性能，可以用于高端机械、工具等领域的表面改性和磨损治理。这为研发更高效、更耐用的表面处理技术提供了重要的理论和实践参考。值得注意的是，纳米Al2O3颗粒在复合镀层中的掺入量对复合镀层性能的影响必须进行合理的控制。如果掺入量过高，会导致镀层内部的颗粒分布不均匀，从而导致疏松和开裂现象的发生，最终影响到复合镀层的性能。因此，在设计复合镀层的制备方案时，必须充分考虑纳米颗粒的掺入量。

此外，为了进一步提高复合镀层的性能，可以采用一些工艺手段进一步改善复合镀层表面的质量，例如采用高能离子轰击和特殊热处理等手段。这些工艺手段可以进一步改善复合镀层表面的组织结构和化学成分，从而进一步提高其表面性能和使用寿命。

总之，纳米Al2O3颗粒复合镀层具有极好的微动磨损和抗腐蚀性能，在高端机械、工具等领域具有广泛应用前景。未来，应该进一步开展研究，深入探究复合镀层的制备工艺、表面性能和应用场景，为新材料新技术的开发和应用提供更好的理论和技术基础。除了纳米Al2O3颗粒外，还有其他一些纳米粒子，如纳米碳管、纳米钎晶、纳米金属等，也可用于制备复合镀层。这些纳米粒子具有独特的物理和化学性质，在增强复合镀层的性能方面也具有潜力和前景。

此外，不同材料的复合镀层也可以互相配合，形成多层复合镀层，以进一步提高性能。例如，金属氧化物/金属复合镀层可以兼具高耐磨性和高导电性能，为电子元器件等领域提供了新的解决方案。

此外，现代材料科学也在不断发展，新材料、新技术、新工艺不断涌现，并为复合镀层的未来发展提供了无限的可能。例如，通过材料设计、合成和加工等手段，可以制备出一些新型纳米材料，如石墨烯、硼氮化物、过渡金属氮化物等，这些新材料正逐渐用于复合镀层制备中，并为其性能的提高带来了新的机遇和挑战。

综上所述，纳米Al2O3颗粒复合镀层在机械和工具行业具有重要应用价值，但在制备过程中需注意实验参数的控制。未来在材料学科的不断发展与完善下，结合复合材料制备、新型纳米材料的发展以及表面工程等方面的研究将会进一步推动复合镀层的性能提高和更广泛的应用场景。此外，在实际应用中，当复合镀层受到力的作用时，会产生微小的裂缝和缺陷，这些缺陷可能会影响其性能。因此，研究人员也在探索各种方法来修复这些缺陷，如利用金属或聚合物粒子填充缺陷，或者用固态动态晶化等方法实现材料自修复。这些修复方法将进一步提高复合镀层在高温、高压、高负荷等极端工况下的耐久性。