(Ni-P)-Al2O3纳米微粒复合镀层硬度和耐磨性测试

常京龙， 吴庆利

(1.天津冶金职业技术学院机械工程系，天津 300400;2.大连机床集团，辽宁大连 116620)

(Ni-P)-Al2O3纳米微粒复合镀层硬度和耐磨性测试

常京龙1， 吴庆利2

(1.天津冶金职业技术学院机械工程系，天津 300400;2.大连机床集团，辽宁大连 116620)

为了改进钢材表面性能，采用复合化学镀技术制备(Ni-P)-Al2O3纳米微粒复合镀层，由于纳米微粒独特的物理化学特性致使使得到的复合镀层具有多种优良性能。通过Ni-P合金镀层、(Ni-P)-Al2O3纳米微粒复合镀层和热处理后的(Ni-P)-Al2O3纳米微粒复合镀层硬度和耐磨性能测试，得出(Ni-P)-Al2O3纳米微粒复合镀层尤其是热处理后其硬度和耐磨性能得到很大的改善。

(Ni-P)-Al2O3纳米微粒复合镀层;硬度;耐磨性

引 言

现代科技进步对钢材的表面性能要求越来越高，很多重要零件普通钢材不能满足使用要求［1-2］。为此研究改进钢铁零件表面性能的技术和方法，且取得浸镀、喷涂或抛光等众多丰富成果，这些处理方法得到的零件表面存在的不足，不能更好地满足生产需要，因此必须探索金属材料改性新途径。

近年来，纳米材料的应用研究是国内外材料领域研究的一个热点，在改善钢材表面性能方面也取得一些新的应用成果［3-4］。纳米复合化学镀是正处于不断完善、深化和发展之中的新技术，它是在化学镀液中加入不溶性纳米微粒，通过纳米微粒与基质金属共沉积得到具有新型优质特性纳米复合镀层［5-6］。目前纳米复合化学镀过程中有些现象原因还不明确，例如对纳米粒子在镀液中悬浮和沉积并镶嵌在镀层中的机理还没有达成共识。改变镀液成分和更换纳米微粒种类可制备出性能各异的纳米复合镀层，用于满足生产实际不同需要。

本文对纳米复合化学镀制备的(Ni-P)-Al2O3纳米微粒复合镀层进行硬度和耐磨性测试，得出该复合镀层经过热处理后具有更高硬度、更强的耐磨性。

1 (Ni-P)-Al2O3纳米微粒复合化学镀工艺与特点

1.1 (Ni-P)-Al2O3纳米微粒复合镀原理与工艺

电化学理论认为，硫酸镍化学镀溶液在还原剂NaH2PO2的作用下，在具有催化活性钢材基体表面上，镍离子被还原成单质镍，H2PO2-被氧化成H2PO3-离子，部份 H2PO2-离子被还原成磷，获得镍-磷合金镀层。在镀液中加入Al2O3纳米微粒，Al2O3纳米微粒和镍-磷合金共沉积得到(Ni-P)-Al2O3纳米微粒复合镀层。制备时需要在镀液中添加络合剂、缓冲剂和表面活性剂，以保证正常沉积速度和镀层质量。

复合化学镀(Ni-P)-Al2O3纳米微粒复合镀液的组成及操作条件为:2 g/L Al2O3纳米微粒，25 g/L NiSO4·6H2O，20 g/L NaH2PO2·H2O，15 mL C3H6O3，5 g/L C6H8O7，15 g/L CH4COONa，0.2 mg/L C4H6CO4Pb，150 mg/L十二烷基硫酸钠，θ为84～86℃，pH 为 4.6。

制备时先将基体钢材清洗除锈、打磨抛光、酸洗、除油和活化，按照要求和程序配制镀液并加热到工艺规定的温度，将基体钢材置于镀液中。镀液置于恒温水浴中，用电动搅拌器以转速为120 r/min均匀搅拌，辅以通断比为1∶4间歇超声波，复合化学镀(Ni-P)-Al2O3纳米微粒复合镀层。施镀完成后取出镀件并清洗烘干放入高温电炉进行恒温热处理，改变(Ni-P)-Al2O3纳米微粒复合镀层组织结构，消除应力，提高硬度和耐磨性。

1.2 (Ni-P)-Al2O3纳米微粒复合镀层结构与工艺特点

(Ni-P)-Al2O3纳米微粒复合镀层表面形貌如图1所示。由图1可以看出，镀层表面比较均匀地分布大量Al2O3纳米微粒，纳米微粒尺寸在100～200 nm之间，有少量100 nm以下，存在轻微团聚现象。

(Ni-P)-Al2O3纳米微粒复合镀层具有多相结构，Ni-P合金镀层中金属的晶粒大大细化，热处理后出现新相;(Ni-P)-Al2O3纳米微粒复合镀层除因硬度提高而耐磨性增强外，耐腐蚀耐高温性能也得到很大改善，高载荷时镀层的耐磨性更明显;镀层的耐磨性不但与其硬度有关，也与表面状况和组织结构直接相关［6-7］。

化学镀工艺与镀层性能的特点为［7-9］:1)热处理对复合镀层性能影响很大;2)纳米微粒尺寸越小得到的复合镀层的硬度和耐磨性能越好;3)保证纳米微粒均匀、稳定分散悬浮在镀液中很关键，必须选择合适的纳米粒子分散方法;4)镀液中Al2O3纳米粒子和表面活性剂含量、镀液温度与pH等因素明显影响复合镀层的制备和显微硬度;5)镀件表面前处理直接影响镀层质量;6)Al2O3纳米微粒共沉积机理有待明确。

图1 复合镀层微观形貌

2 (Ni-P)-Al2O3纳米微粒复合镀层硬度测试

使用HX-200型显微硬度计(宁夏吴忠微型试验机厂生产)测试镀层显微硬度。

2.1 热处理温度对镀层硬度的影响

将镀件在电炉中进行回火后空冷处理，测试工艺条件下制备的Ni-P合金镀层和(Ni-P)-Al2O3纳米微粒复合镀层在不同温度热处理1 h的显微硬度，得硬度随温度变化曲线如图2所示:

图2 镀层硬度随热处理温度变化

由图2得出:(Ni-P)-Al2O3纳米微粒复合镀层硬度高于Ni-P合金镀层，随着热处理温度的升高，两种镀层硬度都得到提高，(Ni-P)-Al2O3纳米微粒复合镀层硬度提高更大，且400℃左右热处理两种镀层同时达到最高硬度，随后开始下降。热处理有效提高(Ni-P)-Al2O3纳米微粒复合镀层的硬度。

2.2 镀液中Al2O3纳米微粒对镀层硬度的影响

分别测试镀液中不同ρ(Al2O3)下制备的(Ni-P)-Al2O3纳米微粒复合镀层显微硬度，包括未经热处理和经过400℃ 1 h热处理两种类型，得到镀层硬度随Al2O3纳米微粒质量浓度变化曲线，如图3所示:

从图3得出，经过热处理的(Ni-P)-Al2O3纳米微粒复合镀层硬度得到很大提高。随着镀液中Al2O3纳米微粒粒子质量浓度的增加，两种镀层的硬度都增大，且当ρ(Al2O3)为2 g/L均达到最大值，继续提高Al2O3粒子的质量浓度镀层硬度逐渐下降。

图3 镀层硬度随纳米ρ(Al2O3)的变化

3 (Ni-P)-Al2O3纳米微粒复合镀层耐磨性测试

在MMW-1A万能摩擦磨损试验机上进行线接触干摩擦对摩试验。天津市天马仪器有限公司生产的TD2001电子天平测量镀层磨损质量。

试验的下试样为GCr15淬火钢环，上试样是复合镀层试件;载荷30 N，钢环转速150 r/min，对摩t为10 min。

3.1 热处理温度对镀层耐磨性的影响

分别测试合理工艺条件下制备的Ni-P合金镀层和(Ni-P)-Al2O3纳米微粒复合镀层在不同温度热处理1 h对磨的磨损质量(△m)，得磨损量随热处理温度变化曲线，如图4所示:

图4 镀层耐磨性随热处理温度的变化

从图4得出，(Ni-P)-Al2O3纳米微粒复合镀层耐磨性优于Ni-P合金镀层。随着热处理温度的提高，复合镀层的耐磨性逐渐增强，当达到400℃左右时，磨损质量最小，耐磨性最强，随着热处理温度进一步上升，复合镀层磨损质量增大即耐磨性降低。说明(Ni-P)-Al2O3纳米微粒复合镀层耐磨性得到有效强化，热处理后耐磨性得到进一步增强。

3.2 镀液中Al2O3纳米微粒对镀层耐磨性的影响

分别测试镀液中不同ρ(Al2O3)条件下制备的(Ni-P)-Al2O3纳米微粒复合镀层磨损质量，包括未经热处理和经过400℃ 1 h热处理两种类型，得到镀层耐磨性随Al2O3粒子质量浓度变化曲线，如图5所示:

图5 镀层耐磨性随ρ(Al2O3)的变化

由图5得到，热处理后(Ni-P)-Al2O3纳米微粒复合镀层耐磨性得到显著增强。镀层的耐磨性与镀液中的Al2O3纳米微粒粒子质量浓度关系密切，随着镀液中Al2O3纳米微粒粒子质量浓度的增加，两种镀层的耐磨性都增强，且当Al2O3纳米微粒质量浓度2 g/L时耐磨性最强，继续提高Al2O3纳米微粒质量浓度，耐磨性开始逐渐下降。

3.3 热处理后复合镀层的摩擦系数

图6为合理工艺条件下制备的(Ni-P)-Al2O3纳米微粒复合镀层热处理前后摩擦系数变化对比:

图6 复合镀层摩擦系数变化

从图6得出，(Ni-P)-Al2O3纳米微粒复合镀层400℃热处理1 h后和未热处理相比摩擦系数明显减小，且波动幅度不大，热处理后(Ni-P)-Al2O3纳米微粒复合镀层耐磨性得到改善。

4 结论

1)与Ni-P合金镀层相比，(Ni-P)-Al2O3纳米微粒复合镀层具有较高的硬度、耐磨损性能，且经热处理还能得到更显著提高。

2)优化制备工艺条件和选择合理热处理温度能够得到性能良好的(Ni-P)-Al2O3纳米微粒复合镀层。

3)采用复合化学镀技术制备(Ni-P)-Al2O3纳米微粒复合镀层有效改进钢材表面性能，具有推广使用价值。

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Hardness and Wear Resistance of(Ni-P)-Al2O3Nanoparticle Composite Coating

CHANG Jing-long1，WU Qing-li2
(1.Department of Mechanical Engineering，Tianjin Metallurgical Vocation-Technolgy lnstitute，Tianjin 300400，China;2.Dalian Machine Tool Group Corporation，Dalian 116620，China)

In order to improve the surface performance of steel，(Ni-P)-Al2O3nanoparticle composite coating was prepared by composite plating technology on steel because of its unique physical and chemical properties.And the hardness and wear resistance of conventional Ni-P coating，(Ni-P)-Al2O3nanoparticle composite coating before and after heat treatment were determined.The results show that the hardness and wear resistance of(Ni-P)-Al2O3nanoparticle composite coating especially after heat treatment were greatly improved.

(Ni-P)-Al2O3nanoparticle composite coating;hardness;wear resistance

TG174.44

A

1001-3849(2011)10-0013-04

2011-07-26

2011-08-25