NI基纳米复合电镀镀层的性能研究

辽宁科技大学本科生专业选修课

现代表面分析检测方法

结课论文

论文名称：NI基纳米复合电镀镀层的性能研究学生：郑奇

院系名称：材料与冶金学院

授课教师：金辉

专业班级：材料化学14-1

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NI基纳米复合电镀镀层的性能研究

摘要：采用复合电镀技术通过向电镀溶液中加入平均粒度为90 nm的Al2O3粉，

在Ni基材上制备了Ni-纳米Al2O3复合镀层，应用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(EDAX)及透射电镜(TEM)等手段对复合镀层的表面形貌和结构进行了表征，并通过试验考察了镀层的磨损性能。结果表明，纳米Al2O3颗粒均匀分布在Ni纳米晶中；纳米Al2O3颗粒的加入不仅细化了基体Ni的晶粒尺寸，而且还具有弥散强化作用，从而提高了Ni- Al2O3纳米复合镀层的硬度和耐磨性能[1]。

关键词：纳米Al

O3；复合电镀；结构；形貌；耐磨性能

2

复合电镀技术具有设备简单、易操作、价格经济等优点，已广泛应用于航空、汽车、电子等行业。复合电镀中常用的第二相固体颗粒有碳化物、氧化物和氮化物如SiC、ZrO2、Ti02、Si3N4等。大量试验结果表明，金属基复合镀层的性能不仅与颗粒性质还与颗粒的含量、尺寸及分布有关。Al2O3颗粒具有特殊的机械和化学特性，如高化学稳定性，高硬度和高温耐磨性等，可作为金属基复合物的增强第二相应用在微器件表面，从而提高器件的耐磨性能。普通微米粒由于颗粒粗大，所得镀层表面粗糙，颗粒与基体金属材料界面结合较弱，镀层质量差。随着纳米粉制备技术的不断发展，性能更优异的纳米复合镀层出现。本工作采用复合电镀技术，通过向普通电镀液中加入平均粒度约为90 nm的Al2O3粒子，在Ni 基材上制备了Ni-纳米Al2O3复合镀层并对其摩擦磨损性能进行了研究[1]。一．试验

选用尺寸为15 mm×10 mm ×2 mm的电解Ni片为基材，同一成分的Ni

片为电镀时的阳极。试样用水砂纸磨至800号后经酒精、超声波清洗。镀液为弱酸性镀液，pH值为，镀液配方为:LNiS04·7H20，L NH4Cl，g/L H3B04，L

C12H25OSO3Na。纳米Al2O3粉直接加入镀液，为保证纳米粉颗粒的悬浮，在复合电镀过程中施以磁力搅拌。镀液温度为35℃，电流密度3A/dm2，施镀时间2h，镀层厚约为50μm。显微硬度测量在MHV2000维氏数字显微硬度计上进行，载荷为，加载时间为10S，取10个点的平均值为最终的硬度值。摩擦磨损试验在

CJS111A型摩擦磨损实验机上进行，Si3N4磨球的尺寸为Ø2mm、转速200 r/min、载荷150 N、摩擦半径为mm，时间1 h，总路程约为m，选用感量为10-5g的天平进行分析。采用(Rigaku)D/max一2500pc型x射线衍射仪(EDAX)磨损量和Camscan MX2600扫描电子显微镜(SEM)对磨损前后的复合镀层进行综合分析。与此同时选用相同电镀条件下获得的单Ni镀层作对比试验。

二．结果与讨论

1.复合镀层的结构

单Ni镀层和Ni-纳米Al2O3复合镀层的表面SEM形貌见图1。从图l可知，单Ni镀层具有典型的金字塔结构，但随着纳米Al2O3颗粒的加入，基体Ni的晶粒尺寸明显细化，同时向半球形转变。在电沉积Ni镀层的过程中，Ni沿一定的方向择优长大，但是随着Al2O3粒子复合，Al2O3粒子作为Ni沉积时的第二相导异质形核质点，细化了基体Ni晶粒。EDAX分析表明，Ni-纳米Al2O3复合镀层中Al2O3含量为7%-9%，而图1b中自亮颗粒即为富Al的Al2O3颗粒。由此可见Al2O3纳米颗粒在复合镀层中存在局部团聚现象，这与纳米具有很强的团聚特性有关。

图1 镀层表面SEM形貌

单Ni镀层及复合涂镀层的TEM形貌见图2。从图2a可见，单Ni镀层中

Ni的平均晶粒尺寸小于100nm。从图2b可知，白色的圆形颗粒为纳米Al2O3

粒子。除了局部存在的团聚状Al2O3纳米粒子外，细小的纳米Al粒子弥散分布在晶粒尺寸在15-60 nm的Ni晶粒中。图l和图2的结果表明在电沉积Ni镀层的过程，Ni沿一定的方向择优长大，但随着Al2O3粒子的复合，Al2O3粒子作为Ni沉积时的第二相异质形核质点，细化了基体Ni晶粒，从而产生明显的细化晶粒的作用[1]。

图2镀层表面TEM形貌

2.复合镀层的摩擦学性能

单Ni镀层和Ni-纳米Al2O3复合镀层的摩擦系数随时间的变化曲线见图3。

图3镀层摩擦系数随时间变化曲线

从图3可知,开始单Ni镀层和Ni-纳米Al2O3复合镀层具有相同的摩擦系数，此时偶件主要作用在试件表层的凹凸不平区，由于接触面积小，摩擦阻力小，摩擦系数较低。随着时间的延长，单Ni镀层与对偶件的接触面积增大，同时由于摩擦热的作用导致偶件与镀层的黏着作用增强，摩擦系数会直线上升，40 min

后达到左右，Ni-纳米Al2O3复合镀层的摩擦系数在15 min后开始成直线增加，40min后也只有左右。由此可见，复合镀层中的纳米Al2O3颗粒明显降低了对偶件闻的黏着作用，降低了Ni- Al2O3纳米复合镀层的摩擦系数。从图3还可以发现，即使在摩擦系数较为稳定的后期(40 min后)，单Ni镀层的摩擦系数波动仍然很大，这与黏着磨损时镀层的塑性变形与镀层局部脱落有关[1]。

测试结果表明，相应的单Ni镀层的显微硬度为280 HV，磨损量为mg，随着Al2O3纳米颗粒的加入，Ni-纳米Al2O3，复合镀层的硬度升高到480 HV，磨损量为mg。由此可见镀层的硬度与磨损量成反比，即随着硬度升高，磨损量降低。纯Ni镀层和Ni-纳米Al2O3复合镀层磨损试验后的表面SEM形貌见图4。从图4中可见，纯Ni镀层沿磨臻摩擦方向存在明显的塑性变形痕迹，如犁沟和镀层局部脱落，同时还有明犀的黏着磨损撕裂的台阶，为黏着磨损和磨粒磨损，随着纳米Al2O3粒子的加入，这种撕裂的台阶、犁沟和局部脱落消失，表现为典型的显微切削磨粒磨损。研究表明，随基体Ni晶粒的细化，硬度与耐磨性能增强。大量研究结果表明当第二相颗粒尺寸小于100nm时，就会产生弥散强化作用，从而提高了涂层的承载和抗变形能力，改善了涂层的耐磨性能。由此可见，纳米Al2O3增强了镍基体的硬度和抗塑性流变能力，抑制了复合镀层的黏着磨损，从而提高了复合镀层的耐磨性能。结合图l和图2有关复合镀层加入纳米Al2O3颗粒前后Ni的晶粒尺寸细化的试验结果，可知Ni-纳米Al2O3，复合镀层硬度和耐磨性能的提高主要来自两个方面：基体Ni晶粒的细化和纳米Al2O3颗粒的弥散强化作用[2]。