纳米金刚石对电沉积镍基复合镀层微观结构及抗磨性能的影响

第24卷　第6期摩擦学学报V o l24,　N o6 2004年11月TR I BOLO GY N ov,2004纳米金刚石对电沉积镍基复合镀层微观结构及抗磨性能的影响王立平1,2,高　燕1,薛群基1,刘惠文1,徐　洮1(1.中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室,甘肃兰州　730000;2.中国科学院研究生院,北京　100039)摘要:利用直流电沉积技术制备了纳米和微米镍镀层,以及纳米金刚石增强镍基复合镀层,考察了纳米金刚石颗粒对纳米及微米镍基质的表面形貌、微结构、硬度及磨损性能的影响.结果表明:引入纳米金刚石使得微米镍镀层的硬度和抗磨性能显著提高;但引入纳米金刚石对纳米镍镀层硬度的影响不大,对镀层的抗磨性能则反而产生不利影响.关键词:电沉积;纳米金刚石;镍基复合镀层;抗磨性能中图分类号:TQ174;TH117.3文献标识码:A文章编号:100420595(2004)0620488205 近20年来高速发展起来的复合镀层已经成为复合材料中的一支新军,在工程技术领域获得了广泛的应用[1,2].同单一金属镀层相比,新型复合镀层硬度更高、抗磨性能更好、使用寿命更长.其中功能性纳米颗粒增强复合镀层特别值得关注[3～5].然而,这些复合镀层的基质大多为粗晶或微米晶金属,不利于充分发挥功能纳米颗粒的增强作用.正因为如此,针对电沉积纳米晶金属镀层的研究日益引起研究者的重视,其中关于以纳米晶金属为基质的N i2Si C纳米复合镀层的研究具有相当的代表性[6].鉴于目前关于纳米颗粒对纳米晶金属基质微观结构和相关性能影响的研究尚不多见,而具有较高硬度和优良抗磨性能的纳米金刚石在制备耐磨复合镀层方面具有一定的优越性,本文作者利用复合电沉积技术分别制备了纳米金刚石增强纳米及微米镍基复合镀层,对比研究了2种镀层的微结构以及力学和抗磨性能.1　实验部分1.1　N i 纳米金刚石复合镀层制备以尺寸为<25mm×6mm的45#钢片作为阴极,以纯镍片作为阳极,选用瓦特镍电解液制备微米N i 镀层(m2N i).镀液组成为:300g L硫酸镍,40g L 氯化镍,30g L硼酸;电沉积工艺参数为:电解液温度45℃、pH=2～6,电流密度1～5A dm2.在上述电解液中加入适量有机添加剂,通过合理控制电流密度、镀液pH值及温度等工艺参数制备纳米镍镀层(n2N i).将纳米金刚石(粒径10～20nm)与适量的有机分散剂混合,然后按浓度10g L加入上述2种电解液中,经超声波分散后,利用复合共沉积制备微米N i 金刚石复合镀层和纳米N i 金刚石复合镀层.1.2　镀层表征采用M V25型显微硬度计测定镀层的显微硬度;采用D m ax2A型X射线衍射仪(XRD)分析镀层的晶体结构,根据Scherrer公式计算晶粒尺寸.采用JS M25600LV型扫描电子显微镜(SE M)观察镀层表面及其磨痕形貌.1.3　摩擦磨损试验采用UM T22M T型摩擦磨损试验机评价镀层在干摩擦往复滑动条件下的摩擦磨损性能.摩擦副接触方式采用球2盘点接触;偶件为<4mm的GC r15钢球.试验条件为:载荷3N,滑动线速度0.065m s.摩擦磨损试验结束后,采用轮廓仪测量镀层试样磨痕截面轮廓,然后经计算得到磨损体积损失,并用以表征磨损率.2　结果与讨论2.1　纳米金刚石对镀层微观结构的影响图1分别示出了微米和纳米镍镀层及其复合镀基金项目:国家自然科学基金资助项目(50271080,50323007);863计划资助项目(2003AA305670);中国科学院“百人计划”资助项目.收稿日期:2004202224;修回日期:2004204219 联系人徐洮,e2m ail:taoxu@.作者简介:徐洮,男,1966年生,博士,研究员,目前主要从事电沉积薄膜材料及其摩擦学研究.F ig 1　XRD pattern s of the m 2N i and n 2N i coating system图1　微米及纳米N i 镀层的XRD 图层的XRD 图谱,图2示出了相应镀层表面形貌SE M 照片.可以看出,微米镍镀层晶体生长呈现明显的(111)面择优取向(见图1曲线a ),这与相应的微米镍镀层的表面形貌一致[见图2(a )],其镍晶粒呈现F ig 2　SE M pho tograph s of coating su rface图2　镀层表面形貌的SE M 照片规则的棱椎多面体形状.往微米镍镀层中引入纳米金刚石增强相后,基质镍的(111)、(200)及(220)等晶面的衍射峰强度出现明显变化,其中(220)晶面的衍射峰强度明显增强(见图1曲线b ).换言之,微米镍基复合镀层中基质镍呈随机晶面取向.与此取适应,微米镍基复合镀层不再呈现出微米镍镀层晶粒所特有的规则形状[图2(b )],而是呈杂乱分布,并出现部分包团状结构,这可能是由于纳米金刚石团聚所致.对比可知,相对于微米镍镀层而言,纳米镍镀层的衍射峰显著宽化(见图1曲线c ),表明其镍晶粒尺寸大幅度减小(平均达16nm );与此同时,纳米镍镀层的(111)面晶体择优取向更加显著.而往纳米镍基质中引入纳米金刚石后,相应的纳米镍基复合镀层的衍射峰无明显变化(见图1曲线d ),纳米镍晶粒仍沿(111)晶面择优取向;纳米镍基质中的大多数金刚石颗粒尺寸保持为亚微米[见图2(d )],这表明在电沉积过程中,纳米金刚石大多以团聚体的形式参与共沉积.据此可知,引入纳米金刚石颗粒可影响或改变原有微米镍基质的电结晶过程[7],从而对微米镍基质的相结构和微结构产生重要影响;而纳米金刚石对纳米984第6期王立平等:　纳米金刚石对电沉积镍基复合镀层微观结构及抗磨性能的影响镍基质的结晶和生长的影响较小.2.2　纳米金刚石对镀层硬度及抗磨性能的影响表1列出了微米和纳米镍镀层及其相应的纳米金刚石增强复合镀层的硬度和磨损率.可以看出,纳米镍镀层硬度是微米镍镀层硬度的2倍多,符合经典的H all 2Petch 硬化效应.往微米镍基质中引入纳米表1　几种镀层的硬度及磨损率对比Table 1　M icrohardness and wear rate of several coati ngsCoatings M icrohardness kg ・mm -2W ear rate10-5mm 3(Nm )-1Pure m 2N i 29824.1T he m 2N i diamond55413.8Pure n 2N i 6002.5T he n 2N i diamond7125.1金刚石后,复合镀层的硬度提高了1倍以上.这主要是由于金刚石微粒和微米镍基质参与共沉积,导致原有基质微米镍的生长方式改变并产生大量位错,使得镀层发生弥散强化所致[5,8].而往纳米镍基质中引入纳米金刚石后,复合镀层的硬度仅提高20%左右.可以认为,纳米金刚石对微米镍基质的强化作用远大于对纳米镍基质的强化作用.从相应的磨损率测量结果可以看出,与微米镍镀层相比,其复合镀层的抗磨性能显著提高;而纳米镍基复合镀层的抗磨性能反而远不如纳米镍镀层.其中纳米镍镀层的抗磨性能最佳;而纳米镍基复合镀层的抗磨性能略优于微米镍基复合镀层,这主要是由于纳米镍基质的抗磨性能显著优于微米镍基质所致.图3示出了微米镍镀层及其纳米金刚石增强复F ig 3　SE M m o rpho logy of the w o rn su rfaces of m 2N i and m 2N i diam ond coatings图3　微米镍及其复合镀层磨损表面形貌SE M 照片合镀层磨损表面形貌SE M 照片.可以看出,在相同的试验条件下,微米镍镀层磨损表面存在大量较深且连续分布的犁沟[见图3(a )],并呈现撕裂和严重的粘着迹象.而微米镍基复合镀层磨损表面仅存在少量不连续的犁沟痕迹,呈现出轻微粘着磨损迹象[参见图3(b )].其原因在于,纳米金刚石在微米镍镀层中具有弥散强化作用,从而提高镀层的硬度和强度,以及抗塑性变形和抗粘着能力[9].图4示出了纳米镍镀层及其金刚石增强复合镀层的磨损表面形貌SE M 照片.可以看出,在磨损初期(t =5m in ),纳米镍镀层磨损表面呈现较严重的塑性变形迹象和一定程度的粘着迹象[见图4(a )];而金刚石增强纳米镍基复合镀层磨损表面较光滑,划痕浅、细[见图4(b )].随着摩擦磨损试验时间的延长(=20),纳米镍镀层磨损表面呈现一定程度的抛光迹象[见图4(c )];而金刚石增强纳米镍基复合镀层磨损表面塑性变形和粘着明显加剧,并呈现局部剥落迹象[见图4(d )].这同不同镀层相应的抗磨性能相一致.3　结论a .　纳米金刚石微粒作为增强相对微米镍基质的相结构和微观形貌具有重要影响,而对纳米镍基质的相结构和微观形貌的影响较小.b .　纳米金刚石微粒对微米镍基质的强化作用远大于对纳米镍基质的强化作用;这同基质金属的晶粒尺寸差别有关.c .　在干摩擦条件下,微米镍基复合镀层的抗磨性能显著优于微米镍镀层,这主要归因于纳米金刚石微粒对微米镍基质的弥散强化作用.094摩　擦　学　学　报第24卷F ig4　SE M m icrograph s of w o rn su rfaces of n2N i and n2N i diam ond coatings图4　纳米镍及其复合镀层磨损表面形貌SE M照片参考文献:[1]　陈小华,李德意,李学谦,等.碳纳米管增强镍基复合镀层的形貌及摩擦磨损行为研究[J].摩擦学学报,2002,22(1):629.Chen X H,L i D Y,L i X Q,et a l.M o rpho logy and w earbehavi o r of N i2carbon nano tube compo site coating[J].T ribo logy,2002,22(1):629.[2]　徐龙堂,徐滨士,周美玲,等.电刷镀镍 镍包纳米A l2O3颗粒复合镀层微动磨损性能研究[J].摩擦学学报,2001,21(1):24227.Xu L T,Xu B S,Zhou M L,et a l.A nti2fretting p roperties ofN i N i2coated nano2A l2O3compo site coating p repared byelectro2brush p lating[J].T ribo logy,2001,21(1):24227. 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