楊自雙，譚業(yè)發(fā)，譚 華，董貴楊，何 龍

(解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇南京 210007)

超聲波對Ni－Co－TiCN復(fù)合鍍層組織和性能的影響

楊自雙，譚業(yè)發(fā)，譚 華，董貴楊，何 龍

(解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇南京 210007)

利用超聲-電沉積法在鋁合金表面制備了Ni－Co－TiCN復(fù)合鍍層，通過對鍍層組織結(jié)構(gòu)和性能的測定，研究了超聲波對復(fù)合鍍層微觀結(jié)構(gòu)、TiCN顆粒含量、顯微硬度和耐磨性能的影響，并探討了復(fù)合鍍層的磨損機(jī)制。研究結(jié)果表明，超聲波的引入，顯著細(xì)化了鍍層電結(jié)晶晶粒，提高了TiCN顆粒含量，使復(fù)合鍍層具有更高的硬度和良好的耐磨性能。

超聲波;電沉積;復(fù)合鍍層;TiCN顆粒;耐磨性能

鋁合金具有密度小、比強(qiáng)度高、耐腐蝕等優(yōu)異性能，廣泛應(yīng)用于航空航天、交通運(yùn)輸、機(jī)械電子、石油化工、能源動(dòng)力等領(lǐng)域［1］。但是，鋁合金也存在著表面硬度低、耐磨性能差等缺點(diǎn)，在很大程度上限制了其應(yīng)用范圍。復(fù)合電沉積法是一種可以有效提高材料表面硬度和耐磨性的方法［2－5］。由于復(fù)合鍍層中含有具有特殊性能的微粒，使鍍層的硬度、耐磨性、耐腐蝕性、減摩性及抗高溫氧化性等性能得到提高。

超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，由于超聲波與介質(zhì)相互作用，使介質(zhì)發(fā)生物理和化學(xué)的變化，從而產(chǎn)生一系列力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)和化學(xué)的超聲效應(yīng)。當(dāng)超聲波作用于復(fù)合電沉積過程時(shí)，超聲波引起的空化效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)、聲流效應(yīng)等作用可以對復(fù)合鍍層的微觀組織結(jié)構(gòu)、顆粒含量、硬度、耐磨性能等產(chǎn)生一定影響。研究發(fā)現(xiàn)［6－8］，超聲波可以使復(fù)合鍍層晶粒細(xì)化，組織更趨致密，孔隙率降低，硬度提高。Rezrazi等［9］研究表明，與機(jī)械攪拌相比，超聲波攪拌可明顯提高鍍層的電沉積速率和PTFE微粒含量。Chang等［10］研究了不同超聲波功率對(Ni-Co)-Al2O3復(fù)合鍍層的顯微硬度的影響，結(jié)果表明，鍍層顯微硬度隨超聲波功率的增大而先增大后減小。劉偉［11］比較了超聲－電沉積復(fù)合鍍層和單獨(dú)電沉積復(fù)合鍍層的干摩擦條件下的耐磨性能，發(fā)現(xiàn)在超聲波作用下的復(fù)合鍍層表現(xiàn)出更加優(yōu)異的耐磨性。

本文將超聲波引入到復(fù)合電沉積過程中，研究了超聲波功率對Ni-Co-TiCN復(fù)合鍍層組織和性能的影響，為超聲波在復(fù)合電沉積中的應(yīng)用和研究提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論參考。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣制備

試驗(yàn)選用瓦特鍍鎳液為基礎(chǔ)鍍液，鍍液構(gòu)成見表1。

表1 鍍液構(gòu)成

基底(陰極)材料為6061鋁合金。陽極材料為鎳板(純度大于99.97%)。TiCN顆粒平均粒徑為3μm(1 ～5 μm)，其元素組成為(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，wt%)Ti79%，C10%，N11%?；卒X合金前處理工藝為:打磨→清洗→化學(xué)除油→清洗→堿性溶液除油→清洗→酸洗活化→清洗→二次浸鋅處理→清洗→電沉積Ni－Co－TiCN復(fù)合鍍層。

圖1為試驗(yàn)裝置示意圖。試驗(yàn)工藝條件:陰極電流密度為4A/dm2;鍍液溫度為50℃;鍍液pH值為4.0;電沉積時(shí)間為180 min;電動(dòng)攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速固定為 500r/min;超聲波功率分別為 0W、100W、150W、200W、250W。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

1.2 鍍層結(jié)構(gòu)與性能測試

利用QUANTA200型掃描電鏡觀察鍍層微觀結(jié)構(gòu)及磨損表面形貌。利用DHV－1000維氏硬度計(jì)測試鍍層顯微硬度，載荷為200g，保壓時(shí)間為15s，測量6個(gè)點(diǎn)后取平均值。用絡(luò)合滴定法測定鍍層中 Ni、Co 和 TiCN 的含量［12－13］。

摩擦磨損試驗(yàn)在HT－500型高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。上試樣為 GCr15鋼球(φ =4.76 mm)，下試樣為復(fù)合鍍層。試驗(yàn)條件為室溫干摩擦，載荷為 800g，轉(zhuǎn)速為 0.22m/s，磨損時(shí)間為30min。以鍍層的磨損失重來評價(jià)鍍層的耐磨性，用TG328B型分析天平測量磨損失重，測量精度為0.1mg。

2 結(jié)果與討論

2.1 超聲波對復(fù)合鍍層微觀結(jié)構(gòu)的影響

圖2為不同超聲波功率作用下的復(fù)合鍍層表面微觀結(jié)構(gòu)。由圖2可以看出，鍍層表面均有明顯的菜花頭狀的晶簇，每個(gè)晶簇又由多個(gè)細(xì)小的晶胞組成。無超聲波作用時(shí)，復(fù)合鍍層表面晶簇較大且尺寸不均勻，表面不平整(如圖2(a)所示)。在超聲波作用下，復(fù)合鍍層晶簇明顯變小，晶粒顯著細(xì)化(如圖2(b)、(c)所示)。尤其當(dāng)超聲波功率P=200 W時(shí)，比P=100 W時(shí)的鍍層晶簇更小且尺寸均勻，表面更加平整致密。這是因?yàn)槌暱栈饔梅鬯榱顺蓤F(tuán)聚狀的粒子群和較大的晶粒，同時(shí)還可以打斷正在發(fā)育的晶粒，使之成為新的更小的晶核，從而引起形核增殖。另外，空化效應(yīng)產(chǎn)生的高壓造成瞬時(shí)局部過冷，減小了臨界晶核半徑，因而提高了形核率［14］?？傊?，超聲波提高了晶核數(shù)目，并抑制了晶核長大，從而對基體金屬電結(jié)晶晶粒起到了細(xì)化作用。

圖2 不同超聲波功率作用下的復(fù)合鍍層表面微觀結(jié)構(gòu)

2.2 超聲波對復(fù)合鍍層TiCN顆粒含量的影響

圖3顯示了超聲波功率對復(fù)合鍍層中TiCN顆粒含量的影響規(guī)律。由圖3可以看出，超聲波有助于提高鍍層中TiCN顆粒含量，并隨著超聲波功率的增大，鍍層中TiCN顆粒含量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當(dāng)功率P=200 W時(shí)，TiCN顆粒含量達(dá)到最大值7.56 wt%，比無超聲波作用的復(fù)合鍍層顆粒含量(6.42 wt%)提高了18%。

圖3 超聲波功率對復(fù)合鍍層中TiCN顆粒含量的影響

超聲波的引入提高了鍍層中顆粒含量，其原因是超聲空化效應(yīng)清洗掉原本吸附在顆粒表面的氣體和雜質(zhì)，改善了顆粒與溶液之間的潤濕條件，也使顆粒更容易吸附離子或帶電的表面活性劑分子［15］，同時(shí)超聲波引起的沖擊波和微射流對鍍液產(chǎn)生了劇烈的攪拌作用，加強(qiáng)了離子的傳輸，促進(jìn)了顆粒向陰極表面輸送，增大了顆粒被嵌入鍍層的幾率，使得鍍層顆粒含量提高［16］。但是，功率過大時(shí)，超聲波會(huì)對鍍液產(chǎn)生劇烈的攪拌作用，使鍍液中顆粒之間產(chǎn)生劇烈碰撞，導(dǎo)致顆粒難以吸附在陰極表面，并且還可能使陰極表面弱吸附的顆粒重新進(jìn)入鍍液，從而導(dǎo)致鍍層中顆粒含量下降。

2.3 超聲波對復(fù)合鍍層硬度的影響

超聲波功率對Ni－Co－TiCN復(fù)合鍍層顯微硬度的影響規(guī)律如圖4所示。由圖4可知，電沉積過程中引入超聲波，有利于提高復(fù)合鍍層的顯微硬度。當(dāng)超聲波功率P=200 W時(shí)，鍍層硬度可達(dá)574 HV，比無超聲波作用的鍍層(540 HV)提高了6%。這是因?yàn)?，一方面超聲波提高了?fù)合鍍層中顆粒含量，并使之在鍍層中均勻分布，增強(qiáng)了TiCN顆粒對鍍層的彌散強(qiáng)化作用。另一方面，超聲波使鍍層晶粒顯著細(xì)化，位錯(cuò)密度提高，對復(fù)合鍍層起到了細(xì)晶強(qiáng)化和位錯(cuò)強(qiáng)化作用，并且還可以使鍍層組織致密，孔隙率降低，從而使得鍍層硬度得到提高［17］。

圖4 超聲波功率對Ni-Co-TiCN復(fù)合鍍層顯微硬度的影響

從圖4可以看出，隨著超聲波功率增大，復(fù)合鍍層的硬度先增大后減小，在P=200W時(shí)達(dá)到最大值。分析認(rèn)為，功率較小時(shí)，超聲波對鍍層起到的細(xì)晶強(qiáng)化和位錯(cuò)強(qiáng)化作用有限，對顆粒共沉積的促進(jìn)作用較弱，因而此時(shí)鍍層硬度提升的幅度不大。而當(dāng)功率過大時(shí)，超聲波又會(huì)對鍍液產(chǎn)生劇烈的攪拌作用，使得鍍液中顆粒難以吸附在陰極表面，還可能使弱吸附在陰極表面的顆粒重新進(jìn)入鍍液，導(dǎo)致鍍層中顆粒含量下降，進(jìn)而使得鍍層硬度降低［10］。

2.4 超聲波對復(fù)合鍍層耐磨性能的影響

圖5為超聲波功率對Ni-Co-TiCN復(fù)合鍍層磨損失重的影響。從圖5可以看出，磨損失重隨著超聲波功率增大而先減小后增加，在超聲波功率P=200 W時(shí)，復(fù)合鍍層磨損失重最小為2.6mg，僅為無超聲波作用的復(fù)合鍍層磨損失重(4.3mg)的3/5。

圖5 超聲波功率對Ni-Co-TiCN復(fù)合鍍層磨損失重的影響

圖6 不同超聲波功率作用下的復(fù)合鍍層磨損表面形貌

圖6顯示出了不同超聲波功率作用下的復(fù)合鍍層典型磨損表面形貌。由圖6可見，無超聲波作用的復(fù)合鍍層磨損表面(如圖6(a)所示)粗糙，有較多連續(xù)的犁溝，存在輕微的塑性變形跡象，表現(xiàn)出典型的微觀切削磨損特征，并伴有多次塑變磨損和輕微的粘著磨損。在超聲波作用下制備的復(fù)合鍍層磨損表面(如圖6(b)、(c)所示)較平整，犁溝較少，且較淺，塑性變形和粘著剝落跡象基本消失，表現(xiàn)出良好的耐磨性。超聲波功率P=100W時(shí)，鍍層磨損表面(如圖6(b)所示)出現(xiàn)輕微的材料剝落痕跡，其磨損機(jī)制主要為微觀切削磨損。超聲波功率P=200W的鍍層磨損表面(如圖6(c))剝落現(xiàn)象消失，只存在一些不連續(xù)的犁溝，其磨損機(jī)制為輕微的微觀切削磨損。

無超聲波作用的鍍層TiCN顆粒含量較少，硬度較低，結(jié)晶較大，鍍層內(nèi)部結(jié)構(gòu)不致密。在干摩擦過程中磨損表面溫度升高，導(dǎo)致鍍層材料軟化和膨脹［18］，使鍍層發(fā)生粘著轉(zhuǎn)移和剝落。在摩擦過程中，基質(zhì)金屬發(fā)生彈性和塑性變形。由于TiCN顆粒與基質(zhì)金屬在機(jī)械物理性能方面存在很大的差異，變形過程中基質(zhì)金屬和顆粒的結(jié)合面處容易產(chǎn)生裂紋，在外力作用下顆粒易脫落，散落在摩擦副之間，造成三體磨粒磨損。在正壓力和摩擦力作用下，摩擦副表面微凸體和顆粒被壓入鍍層，并犁削鍍層，形成犁溝，造成鍍層材料去除。

超聲波之所以能提高鍍層耐磨性，分析認(rèn)為:一方面，超聲波提高了鍍層的TiCN顆粒含量，并使之均勻分布，同時(shí)細(xì)化了鍍層晶粒，使鍍層組織結(jié)構(gòu)致密，提高了鍍層硬度，從而增強(qiáng)了鍍層的抗塑性變形和粘著剝落的能力。另一方面，超聲空化作用清洗掉吸附在顆粒表面的氣體和雜質(zhì)，改善了顆粒與基質(zhì)金屬的結(jié)合性能，且鍍層強(qiáng)度得到提高，這就使得顆粒不易脫落，裸露于表面的顆粒起承載作用，抑制了粘著區(qū)的擴(kuò)展和剝落［19］，從而減輕了磨粒磨損和粘著磨損。因此，超聲波的作用增強(qiáng)了鍍層抗粘著磨損能力和抗塑性變形能力，抑制了鍍層發(fā)生粘著磨損，從而提高了鍍層的耐磨性能。

3 結(jié)論

a.超聲波可以引起形核增殖以及提高形核率，對Ni-Co-TiCN復(fù)合鍍層起到細(xì)化晶粒作用，使復(fù)合鍍層表面致密平整，孔隙率降低。

b.顆粒含量隨著超聲波功率的增加而先增大后減小，在功率P=200W時(shí)達(dá)到最大值7.56wt%，較無超聲波作用的復(fù)合鍍層提高了18%。

c.超聲波提高了復(fù)合鍍層的硬度和耐磨性能。超聲波作用下的鍍層硬度較無超聲波作用的鍍層提高了6%，其磨損失重僅為后者的3/5。超聲波作用增強(qiáng)了鍍層抗粘著磨損能力和抗塑性變形能力，從而提高了鍍層的耐磨性能。無超聲波作用的復(fù)合鍍層磨損機(jī)制為微觀切削磨損、多次塑變磨損和輕微的粘著磨損，而超聲波作用下制備的復(fù)合鍍層磨損機(jī)制則以微觀切削磨損為主。

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Influence of Ultrasonic on the Micro－structure and Properties of Ni-Co-TiCN Composite Coatings

YANG Zishuang，TAN Yefa，TAN Hua，DONG Guiyang，HE Long
(PLA University of Science and Technology，Jiangsu Nanjing，210007，China)

Ni-Co-TiCN composite coatings is prepared on the surface of Al-alloy substrate by ultrasonic-electrodeposition technology.It researches the effects of ultrasonic on microstructure，particle content，microhardness，wear resistance of the composite coatings，the wear mechanism of the composite coatings and properties of the composite coatings based on measuring the organization structure.The results show that introducing ultrasonic into the electrodeposition can make the matrix metal crystalline fined，improve the particle content and microhardness as well as wear resistance of the composite coatings;the main wear mechanism of the composite coatings without ultrasonic effect is micro-cutting wear，multiple plastic deformation wear and light adhesion wear while the main mechanism of the composite coatings with ultrasonic effect is micro-cutting wear.

Ultrasonic;Electrodeposition;Composite Coatings;TiCN Particle;Wear Resistance

TQ153

A

2095－509X(2013)04－0065－04

10.3969/j.issn.2095 －509X.2013.04.016

2012－09－25

楊自雙(1987—)，男，河北邢臺(tái)人，解放軍理工大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)槟湍?fù)合鍍層。