汽车缸套表面磁场辅助电沉积Ni-SiC纳米复合镀层研究

汽车缸套表面磁场辅助电沉积Ni-SiC纳米复合镀层研究张肇伟;杜全斌
【摘要】在汽车缸套表面使用磁场辅助电沉积法制备Ni-SiC纳米复合镀层.利用扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、透射电镜(TEM)及X射线衍射仪(XRD)对Ni-SiC纳米复合镀层的表面结构及成分进行研究.当镀液中SiC含量为6 g/L 时,SiC纳米粒子团聚倾向最小,Ni-SiC纳米复合镀层表面平整、紧密.当SiC纳米颗粒含量为6 g/L时,Ni-SiC纳米复合镀层表面颗粒粒径进一步减小,并均匀分布于镀层表面.XRD分析可知,在汽车缸套表面镀层中存在Ni晶粒和SiC粒子.当镀液中SiC纳米颗粒含量为6 g/L时,Ni-SiC镀层中Ni晶粒和SiC粒子的平均晶粒尺寸分别为50.62 nm和39.32 nm.
【期刊名称】《功能材料》
【年(卷),期】2019(050)003
【总页数】5页(P3081-3084,3089)
【关键词】缸套;磁场辅助电沉积法;Ni-SiC纳米复合镀层;表面形貌;耐磨性能【作者】张肇伟;杜全斌
【作者单位】河南机电职业学院机械工程学院,郑州 451191;河南机电职业学院机械工程学院,郑州 451191
【正文语种】中文
【中图分类】TH174
0 引言
汽车缸套是汽车发动机的核心部件之一，缸套工作时活塞环在其表面做高速往复运动。

此外，缸套还会接触高温、高压的燃气相，使其表面发生磨损、氧化等现象。

为延长汽车缸套的使用寿命，在其表面沉积一种具有耐磨损、耐高温等特性的纳米复合镀层已成为当前国内外学者研究的重点课题之一[1-2]。

电沉积法是一种利用电化学反应来制备金属基纳米复合镀层的新工艺，它具有操作便利、节约成本、镀层质量好等优势。

然而，电沉积法制备的镀层中存在固体粒子分散不均匀问题，因此常常选用磁场辅助或超声波辅助等方法来分散镀液中的固体粒子[3]。

磁场最突出特点是它可以对磁场中运动电荷施加一定的作用力来影响电
荷运动，即对运动的带电粒子产生磁流体动力学效应(MHD)[4-6]。

因此，在电沉
积过程中加入磁场，可显著改善镀液中带电固体粒子的运动规律，从而可获得组织致密、固体粒子分散均匀的复合镀层[7-8]。

鉴于此，本文采用磁场辅助电沉积法，在汽车缸套表面制备Ni-SiC纳米复合镀层。

利用扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、透射电镜(TEM)及X射线衍射仪(XRD)对Ni-SiC纳米复合镀层的表面结
构及成分进行系统研究。

1 实验
1.1 Ni-SiC纳米复合镀层的制备
采用磁场辅助电沉积法，在汽车缸套试件表面制备Ni-SiC纳米复合镀层。

图1为Ni-SiC纳米复合镀层的磁场辅助电沉积试验装置，电源为SMD-200型脉冲电镀
电源，磁场发生器为EM型脉冲磁场发生器。

缸套试件为阴极材料，其主要参数
如下：内径Ø60 mm，壁厚5 mm，长度150 mm；采用纯度为99.99%的镍棒
作为阳极材料，其主要参数为Ø60 mm×200 mm。

首先，将缸套试件经机械抛光至表面粗糙度Ra为0.12 μm，并用去离子水清洗试
件表面污染物。

然后，利用HCl(1∶10)溶液对试件进行表面活化(时间20 s)，并
用去离子水和乙醇清洗。

最后，将缸套试件迅速放入制备Ni-SiC纳米复合镀层所
配置的复合镀液中，镀液成分及及工艺参数见表1所示。

1.2 Ni-SiC纳米复合镀层的表征
利用Quanta FEG450型扫描电镜对Ni-SiC纳米复合镀层进行表面形貌分析；用NanoScope Ⅲa型原子力显微镜对Ni-SiC镀层进行立体微观结构和表面质量分析；用MR-H5A型磨损试验机对Ni-SiC镀层进行摩擦磨损试验，并用上述扫描
电镜对其磨损后的微观组织进行观察；用Rigaku D/Max-2400型X射线衍射仪
对Ni-SiC镀层进行成分及晶粒大小分析，X射线衍射仪的扫描范围为30～80°。

2 结果与讨论
2.1 Ni-SiC纳米复合镀层的SEM分析
图2给出了镀液中不同SiC纳米颗粒含量对Ni-SiC纳米复合镀层表面形貌的影响。

当镀液中SiC纳米颗粒的含量为2 g/L时，磁场辅助电沉积制备的Ni-SiC纳米复
合镀层表面存在一些凸起状颗粒，而这些凸起状颗粒随着镀液中SiC纳米颗粒含
量的增加而减小。

当镀液中SiC纳米颗粒含量增加到6 g/L时，Ni-SiC纳米复合
镀层的表面凸起状结构基本消失，镀层表面较为平整、紧密。

在上述3种Ni-SiC
纳米复合镀层中，当镀液中SiC含量为6 g/L时，Ni-SiC纳米复合镀层中SiC纳
米粒子团聚倾向最小，这是由于磁场所产生的MHD效应对液流产生显著搅动作用，使得镀液中SiC纳米粒子均匀地分散于镀液中。

因此，沉积到Ni-SiC纳米复合镀层中的SiC纳米粒子均匀镶嵌于镀层中。

另外，SiC纳米粒子具有显著的细晶强化作用[9]，故使得镀层表面较为平整和紧密。

图1 Ni-SiC纳米复合镀层的磁场辅助电沉积试验装置
Fig 1 Schematics experimental setup for obtaining Ni-SiC nanocoatings by magnetic field assisted electrodeposition
表1 制备Ni-SiC纳米复合镀层所需的镀液成分及工艺参数
Table 1 Plating bath composition and process parameters for preparing
Ni-SiC nanocoatings
镀液成分添加量NiSO4·6H2O300 g/LNiCl2·6H2O45 g/LH3BO340 g/LSiC纳米粉体2～6 g/LpH值4镀液温度50 ℃电流密度5 A/dm2磁场强度0.4 T施镀时
间60 min
2.2 Ni-SiC纳米复合镀层的AFM分析
图3为镀液中不同SiC纳米颗粒含量对Ni-SiC纳米复合镀层AFM表面形貌的影响。

当SiC纳米颗粒含量为2 g/L时，Ni-SiC纳米复合镀层在微观区域呈现出较
大的颗粒状结构；当SiC纳米颗粒含量为4 g/L时，Ni-SiC纳米复合镀层中颗粒
粒径显著变小；而当SiC纳米颗粒含量为6 g/L时，Ni-SiC纳米复合镀层表面颗
粒粒径进一步减小，并均匀分布于镀层表面，且镀层表面在微区域内呈现较为平整、紧密。

这是因为适宜的工艺参数可使镀层中SiC纳米粒子复合量增加，而SiC纳
米粒子进入镀层后可有效增加镍晶粒的形核率[10]，并抑制镍晶粒的生长，使镀层晶粒细化，镀层表面质量得以显著提高。

图2 不同SiC含量的Ni-SiC纳米复合镀层表面形貌Fig 2 Surface morphologies of Ni-SiC nanocoatings obtained with different SiC nanoparticle contents
2.3 Ni-SiC纳米复合镀层的耐磨性能分析
分别利用2，4，6 g/L SiC纳米颗粒含量的镀液制备Ni-SiC纳米复合镀层，并对
其进行摩擦磨损试验，其磨损后的表面形貌如图4所示。

图4(a)为2 g/L SiC含量镀液制备的Ni-SiC纳米复合镀层磨损照片，该镀层分层现象较为严重，主要表现
出明显的粘着磨损特征[11-12]；图4(b)为4 g/L SiC含量镀液制备的Ni-SiC纳米复合镀层磨损磨损后表面形貌。

经观察发现，Ni-SiC纳米复合镀层的表面磨削现
象明显减少，但镀层表面出现了一些剥落坑。

这是因为，在摩擦磨损过程中，SiC 纳米粒子从镀层中被剥离出来，形成了孔洞，这说明此时的摩擦磨损状态正由粘着磨损逐渐转变为磨粒磨损；图4(c)为6 g/L SiC含量镀液制备的Ni-SiC纳米复合镀层磨损照片，镀层表面的孔隙明显增多，这说明此时磨损状态以磨粒磨损为主[13-14]。

产生该现象的原因在于，当镀液中SiC纳米颗粒含量较高时，沉积到镀层中的SiC纳米粒子复合量也较高。

SiC纳米粒子可有效地填充镀层孔隙，从而获得致密、光整的复合镀层。

此外，SiC纳米粒子本身具有很高的硬度，可显著增强复合镀层的耐磨性能。

图3 不同SiC含量的Ni-SiC纳米复合镀层表面形貌Fig 3 Surface morphologies of Ni-SiC nanocoatings obtained with different SiC nanoparticle contents
图4 不同SiC含量的Ni-SiC纳米复合镀层磨损后表面形貌
Fig 4 Surface morphologies of Ni-SiC nanocoatings obtained with different SiC nanoparticle contents after wear test
2.4 Ni-SiC纳米复合镀层的XRD分析
图5为不同SiC纳米颗粒含量制备的Ni-SiC纳米复合镀层XRD衍射图谱。

图5 不同SiC含量的Ni-SiC纳米复合镀层X射线衍射图谱
Fig 5 XRD spectrograms of Ni-SiC nanocoatings obtained with different SiC nanoparticle contents
由图5可见，在衍射角2θ分别为44.82，52.21和76.77°处发现了镍的3条较强衍射峰，分别对应(111)、(200)和(220)晶面。

在衍射角2θ分别为33.96，41.68和59.96°处发现SiC的3条较强衍射峰，分别对应(100)、(111)和(220)晶面，这证明在Ni-SiC纳米复合镀层中含有Ni和SiC两相。

当镀液中SiC纳米颗粒含量
为6 g/L时，Ni-SiC纳米复合镀层中Ni晶粒和SiC粒子的衍射峰既低又宽，说明Ni-SiC纳米复合镀层的晶粒被明显细化。

利用谢乐公式计算可知[15]，Ni-SiC镀
层中Ni晶粒和SiC粒子的平均晶粒尺寸分别为50.62和39.32 nm。

3 结论
(1) 当镀液中SiC纳米颗粒的含量为2 g/L时，磁场辅助电沉积制备的Ni-SiC纳
米复合镀层表面存在一些凸起状颗粒，而这些凸起状颗粒随着镀液中SiC纳米颗
粒含量的增加而减小。

当镀液中SiC纳米颗粒含量增加到6 g/L时，Ni-SiC纳米
复合镀层的表面凸起状结构基本消失，镀层表面较为平整、紧密。

(2) 当SiC纳米颗粒含量为2 g/L时，Ni-SiC纳米复合镀层在微观区域呈现出较大的颗粒状结构；当SiC纳米颗粒含量为6 g/L时，Ni-SiC纳米复合镀层表面颗粒
粒径进一步减小，并均匀分布于镀层表面。

2 g/L SiC含量镀液制备的Ni-SiC纳
米复合镀层分层现象较为严重，主要表现出明显的粘着磨损特征；6 g/L SiC含量
镀液制备的Ni-SiC纳米复合镀层表面的孔隙明显增多，这说明此时磨损状态以磨
粒磨损为主。

(3) 在衍射角2θ分别为44.82，52.21和76.77°处发现了镍的3条较强衍射峰，
分别对应(111)、(200)和(220)晶面。

在衍射角2θ分别为33.96，41.68和59.96°处发现SiC的3条较强衍射峰，分别对应(100)、(111)和(220)晶面，这证明在
Ni-SiC纳米复合镀层中含有Ni和SiC两相。

当镀液中SiC纳米颗粒含量为6 g/L 时，Ni-SiC镀层中Ni晶粒和SiC粒子的平均晶粒尺寸分别为50.62和39.32 nm。

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