电流密度和温度对FeCoNi-Nk 复合合金镀层耐磨性的影响

王春圻，王超会，王超

（1.黑龙江八一农垦大学，大庆 163319；2.齐齐哈尔大学材料科学与工程学院）

目前不锈钢材料因其较强的耐腐蚀性能被广泛应用于各个领域，但由于耐磨性和显微硬度等诸多缺点，限制了其使用寿命。表面工程技术能够满足这一要求，表面工程技术已经被广泛应用于生活中的诸多方面，表面工程技术常用的技术包括堆焊技术、熔结技术、电镀技术等[1-4]，选择使用电镀技术对不锈钢进行表面改进，是由于目前电镀技术应用已经广泛且成熟[5]。电镀技术中铬镀层可有效提升不锈钢材料的耐磨性能和显微硬度且表面光亮[6]，但由于制备过程中产生的环境污染限制了其工业化生产，Fe－CoNi 合金镀层在对不锈钢材料实施保护的同时满足安全绿色无污染的工业化生产条件，因此选择使用FeCoNi 合金镀层对不锈钢进行保护具有更大的研究意义[7-8]。根据纳米复合电镀技术原理[9-11]，在镀层中加入具有一定特性的纳米颗粒可以提高镀层的性能[12]，比如纳米氧化铝颗粒和纳米SiC 颗粒等。由于纳米高岭土制备过程简单且具备结构稳定、经济环保等特性[13]，因此选择采用纳米高岭土对FeCoNi 合金镀层的耐摩擦性能进行提高，并探究了制备FeCoNi-Nk复合镀层的最佳工艺参数电流密度和温度这两个因素。

1 材料和方法

1.1 实验材料

采用304 不锈钢作为基体，高岭土。

1.2 主要试剂仪器

主要试剂：电镀液：40 g·L-1硫酸钠（NiSO4·6H2O），10g·L-1氯化钠（NiCl2·6H2O），20 g·L-1硫酸亚铁（FeSO4·7H2O），20 g·L-1硫酸钴（CoSO4·7H2O），20g·L-1柠檬酸钠（C6H5Na3O7），15g·L-1硼酸（H3BO3），0.2g·L-1十二烷基硫酸钠（C12H25SO4Na），5 g·L-1糖精钠（C7H5NO3SNa），0.5 g·L-1纳米高岭土（Al2O3·2SiO2·2H2O）；电镀工艺参数：电流密度15 A·dm-2，pH=5，电镀温度55 ℃，搅拌速度200 r·min-1，电镀时间30 min。

主要仪器：赛多利斯科学仪器有限公司的BS223S 电子分析天平，常州荣华仪器制造有限公司的DF-Ⅱ集热式磁力加热搅拌器，上海一恒科学仪器有限公司的BGZ-140 电热鼓风干燥箱，香港龙威仪器仪表有限公司的LW-1580KD 高精度直流稳压稳流开关电源，上海钜晶精密仪器制造有限公司的HV-1000IS 图像分析显微硬度仪，兰州中科凯华科技开发有限公司的HSR-2M 高速往复摩擦磨损试验机，上海仪天科学仪器有限公司的JA2103N 电子分析天平，上海科导超声仪器有限公司的SK3300H 超声机，株式会社日立制作所的S-4700 扫描电镜仪。

1.3 实验方法

1.3.1 纳米高岭土的制备

研究中使用的纳米高岭土是将高岭土粉末在醋酸钾饱和溶液中搅拌24 h，再超声处理1 h，随后加入无水乙醇洗去溶液中的醋酸钾，离心得到沉淀为纳米高岭土。

1.3.2 FeCoNi-Nk 复合镀层的制备

图1 为不锈钢基体预处理的过程，经过该流程后的基体再进行电镀。电镀装置如图2 所示。

图1 电镀前预处理流程图Fig.1 Flow chart of pretreatment before electroplating

图2 电镀装置图Fig.2 Device diagram of electroplating

（1）打磨抛光：使用碳化硅（SiC）砂纸对不锈钢块表面进行打磨抛光，抛光是为了将不锈钢基体表面的油脂杂质清理干净，同时使用高目数的砂纸将表面抛光，这一过程是为了镀层的表面完成度更好，也防止电镀过程中出现尖端放电的现象。

（2）清洗：将打磨过后的基体放在盛有丙酮溶液的烧杯中，基体要完全浸没在丙酮溶液中，将烧杯放入超声清洗机中进行常温清洗15 min，将打磨后机体表面残留的钢渣清理掉。随后将基体拿出放入烘干箱中烘干。

（3）化学除油：将烘干后的基体放入化学除油液中80 ℃浸泡30 min。化学除油是利用碱溶液对油脂的皂化作用，已去除油脂的一种方法。

（4）酸浸：将基体从化学除油液中取出，使用去离子水冲洗基体，再将基体放入酸浸蚀液中进行常温浸泡20 min，完成后将基体清洗干净后再次放入烘干箱中烘干。在这一步之后要使用螺旋测微器测量镀层的厚度，单位为mm，每个样品分别测量五个不同的位置，取其平均值，该数值为电镀前的基体厚度。

（5）活化-闪镀镍：过程使用了李阳[14-15]研究的电解活化-冲击镀镍工艺对基体进行活化处理和闪镀镍。这一工艺缩减了预处理的时间的同时，也使镀层与基体结合得更紧密。此过程结束后快速用去离子水冲洗基体，随后直接将基体放入镀液中，开始电镀FeCoNi-Nk 复合镀层。

（6）电镀流程：①按照上文的电镀液配方称量出所需的材料，加水加热溶解，备用；②将电镀装置上的温度和电流调试至目标数值；③不锈钢基体经过图1 所示的预处理之后立刻连接上阴极电线，放入电镀液中，开启电源，进行电镀。

电镀条件：电流密度分别设置为10 A·dm-2、15 A·dm-2、20 A·dm-2和25 A·dm-2，温度分别设置为45、50、55 和60 ℃，纳米高岭土浓度为0.5 g·L-1，pH=5，pH 是使用pH 试纸测试得到的，搅拌速度为200 r·min-1，电镀时间均为30 min。

1.3.3 摩擦磨损实验的测试

通过此测试能够得到镀层的摩擦系数、磨损量和磨损形式。实验过程是施加载荷为3 N，摩擦时间为10 min，转速为200 r·min-1，旋转摩擦为单向旋转摩擦，在室温下进行。摩擦磨损实验结束后用表面轮廓仪对磨损痕迹进行测试，记录下测量得到的磨痕宽度，每个样品测量5 次，分别取平均值。研究主要通过磨损量、摩擦系数、磨痕宽度和磨痕形貌来分析镀层的耐磨性能。其中磨损量是由电子分析天平称重摩擦磨损实验前后的试样的重量差；摩擦系数是由摩擦磨损实验得到的摩擦系数图谱取平稳时摩擦系数值的平均数；磨痕宽度是由表面轮廓仪测出来的；磨痕形貌通过扫描电镜图对比分析。

1.3.4 单流密度单因素试验

实验的单因素变量为电流密度，电流密度分别设置为10、15、20 和25 A·dm-2，其他工艺参数都保持一致，实验设定温度为55 ℃，纳米高岭土浓度为0.5 g·L-1，pH=5，pH 是使用pH 试纸测试得到的，搅拌速度为200 r·min-1，电镀时间均为30 min。

1.3.5 温度单因素试验

研究探究了镀液温度对镀层的影响情况，单因素变量为温度。根据查阅文献和多次实验总结出了温度的大概变化范围，温度分别设置为45、50、55 和60 ℃，其他因素都保持一致，实验设定电流密度为15 A·dm-2，纳米高岭土浓度为0.5 g·L-1，pH=5，搅拌速度为200 r·min-1，电镀时间均为30 min。

1.3.6 指标测试

研究主要通过磨损量、摩擦系数、磨痕宽度和磨痕形貌来分析镀层的耐磨性能。其中磨损量是由电子分析天平称重摩擦磨损实验前后的试样的重量差；摩擦系数是由摩擦磨损实验得到的摩擦系数图谱取平稳时摩擦系数值的平均数；磨痕宽度是由表面轮廓仪测出来的；磨痕形貌通过扫描电镜图对比分析。

2 结果与分析

2.1 单流密度对镀层耐磨性能的影响

图3 为在相同载荷和相同时间的条件下，不同电流密度的FeCoNi-Nk 复合镀层干摩擦磨损量的变化曲线。图中展示的是不同电流密度下制备的Fe－CoNi-Nk 复合镀层的磨损量分别为2.2、0.7、0.8 和1.1 mg。图4 为在相同载荷和相同时间的条件下，不同电流密度的FeCoNi-Nk 复合镀层干摩擦摩擦系数的变化曲线。能够明显观察到镀层摩擦系数根据电流密度变化的变化趋势与上图3 中磨损量的变化趋势一致，也是电流密度为15 A·dm-2时，摩擦系数最小，摩擦系数越小说明镀层的耐磨性能就越好。这里只考虑摩擦系数得出的制备FeCoNi-Nk 复合镀层的最佳电流密度值为15 A·dm-2。

图3 不同电流密度的FeCoNi-Nk 复合镀层磨损量的变化曲线Fig.3 Variation curve of FeCoNi-Nk composite coatings weight less with different current density

图4 不同电流密度的FeCoNi-Nk 复合镀层摩擦系数的变化曲线Fig.4 Variation curve of average friction coefficient of FeCoNi-Nk composite coatings with different current density

图5 为不同电流密度下制备出来的FeCoNi-Nk的表面形貌图，图中包括磨擦磨损实验的磨痕形貌，并标出了磨痕的宽度。

图5 不同电流密度的FeCoNi-Nk 复合镀层磨痕宽度（a-d）Fig.5 Wear track images of FeCoNi-Nk composite coatings with different current density

在图5 中首先能够看到的是不同电流密度时制备的FeCoNi-Nk 复合镀层的表面形貌，图5（a）中能够看到镀层出现了明显的裂纹，由于这些微裂纹的出现，导致该镀层在受到摩擦时就会脱离基体，这些裂纹导致了镀层与机理的结合度大大降低，因此从电流密度的角度分析，10 A·dm-2并不能作为制备FeCoNi-Nk 复合镀层的最佳电流密度。图5（b）中的镀层磨痕宽度为305.8 μm，是图5（b-d）中磨痕宽度最小的，由于磨痕宽度越小说明镀层的耐磨性能越好，当电流密度为15 A·dm-2时制备的镀层磨痕宽度最小，所以这里暂时认为15 A·dm-2为制备FeCoNi-Nk 复合镀层的最佳电流密度。从图5（c、d）中能够看出随着电流密度的增加，镀层没有再出现脱落，说明了电流密度对镀层的结合度也有一定的影响。

2.2 温度对镀层耐磨性能的影响

图6为在相同载荷和相同时间的条件下，不同镀液温度的FeCoNi-Nk 复合镀层干摩擦磨损量的变化曲线。图中FeCoNi-Nk 复合镀层的干摩擦磨损量分别为0.6、0.8、0.4 和1.2 mg，很明显地能够观察到温度为55 ℃时的磨损量最少，镀层的磨损量减少说明镀层的耐磨性能在提高，所以对于镀层的磨损量这一方面来说，制备FeCoNi-Nk 复合镀层的最佳温度为55 ℃。

图7为在相同载荷和相同时间的条件下，不同镀液温度下制备的FeCoNi-Nk 复合镀层干摩擦时摩擦系数的变化曲线。明显看到也是温度为55 ℃时，摩擦系数最小，达到了0.5。根据查阅文献可知镀层的摩擦系数越低，镀层的耐摩擦性能越高，也就是摩擦系数与镀层的耐磨性能成反比，因此实验的最佳温度为55 ℃。

图7 不同温度的FeCoNi-Nk 复合镀层摩擦系数的变化曲线Fig.7 Variation curve of average friction coefficient of FeCoNi-Nk composite coatings at different temperatures

图8 为不同镀液温度下制备的FeCoNi-Nk 复合镀层的扫描电镜图，图中能够观察到镀层表面形貌和磨痕宽度和状态，从图中能够观察到图8（c）温度为55 ℃时制备的FeCoNi-Nk 复合镀层的磨痕宽度为302.3 μm，获得了较低的磨痕宽度。同时能够看到图8（c）中磨痕内存在许多颗粒和犁沟，通过这一现象可以判断当温度为55 ℃时，FeCoNi-Nk 复合镀层的磨损形式为磨粒磨损。通过图8 中各图的对比，图8（a、b 和d）的磨痕形貌中几乎没有犁沟出现，这三个图中的磨痕形貌中都出现了剥落和分层的痕迹，有摩擦碎片在表面粘附，可以证明这三个镀层的摩擦形式为粘着磨损。而对比图8（c）当温度为55 ℃时FeCoNi-Nk 复合镀层的磨损形式为磨粒磨损，该磨损形式较粘着磨损来说，耐磨性能更强。因此在只考虑磨痕形貌的角度时，暂时推断55 ℃为制备Fe－CoNi-Nk 复合镀层的最佳温度。

图8 不同温度的FeCoNi-Nk 复合镀层的磨痕宽度（a-d）Fig.8 Wear mark width of FeCoNi-Nk composite coatings at different temperatures

电镀实验的时间经过多次实验，多数实验的时间超过30 min 时，镀层表面就能肉眼观察到粗糙颗粒，由于所以确定了实验电镀时间均采用30 min。

结合以上实验结果，总结出最佳的FeCoNi-Nk复合镀层的制备条件为温度55 ℃、电流密度为15 A·dm-2、纳米高岭土浓度为0.5 g·L-1、搅拌速度为200 r·min-1、pH=5 以及电镀时间为30 min。

3 讨论

目前已经有很多纳米复合镀层采用不溶性纳米微粒进行改良，对镀层的耐磨性、耐蚀性和耐高温等性能都有一定程度的提高[16-21]。但大多数纳米微粒的成本较高，制备过程复杂，在经典的FeCoNi 镀层的基础上加入纳米高岭土进行改良，而实验采用的纳米高岭土是经过简单的处理而得到的，且纳米高岭土在我国物产丰富，因此成本较低[22-23]。实验在降低了制备成本的同时提高了FeCoNi 镀层的耐磨性能。其中纳米高岭土之所以可以提高FeCoNi 镀层的耐磨性能一方面是由于纳米高岭土属于纳米微粒，纳米微粒对镀层的提高主要在于晶粒细化、弥散强化和位错强化这三点[11]；另一方面是由于高岭土特殊的层片状结构，在摩擦磨损的实验中，纳米高岭土会粘附在摩擦副的表面，对摩擦副进行表面覆盖的同时也自动在样品表面也形成一层结构较为均一稳定的保护膜，从而提高FeCoNi-Nk 复合镀层的耐磨性能。实验的易操作性和节约成本是有助于后续实验进行。

4 结论

在电镀液中加入超声插层法制备得到的纳米高岭土，采用复合电镀技术制备了FeCoNi-Nk 复合电镀涂层，对比了FeCoNi 合金镀层和FeCoNi-Nk 复合电镀涂层的摩擦学性能。根据各影响因素对FeCoNi-Nk 复合电镀涂层的显微硬度和耐摩擦性能的影响情况，分析出了最佳的FeCoNi-Nk 复合电镀涂层的工艺参数为：温度55 ℃、电流密度为15 A·dm-2、纳米高岭土浓度为0.5 g·L-1、搅拌速度为200 r·min-1、pH=5 以及电镀时间为30 min。磨损量减少到0.4 mg，摩擦系数减小到0.5，这些变化都能够证明FeCoNi-Nk复合电镀涂层的耐摩擦性能得到了提升。