新型复合镀层制造技术及应用研究
|
摘要
通过金属电沉积的方法，将一种或数种不溶性的固体颗粒，均匀地夹杂到金属镀层中所形成的特殊镀层称作复合镀层。它是现代表面技术的重要组成部分，在工程技术中获得了广泛的应用。
电沉积镍基复合镀层同时兼有镍基和共沉积微粒各自的优异性能，尤其适用于特殊工况条件下的重要零部件的表面强化，因而正引起当今材料表面处理工程界的浓厚兴趣。
鉴于材料保护的重要性和电沉积复合电镀层在此方面所显示出的巨大潜力和优势，本文尝试在碳钢试样上沉积出具有优异耐磨和减摩性能的Ni-Al_2O_3-Mos_2复合镀层。通过相关活性剂的活化作用，在Watts镀镍液中添加Al_2O_3和MoS_2微粒，采用机械搅拌，使微粒充分悬浮，从而成功地制备出含有硬质粒子Al_2O_3和软质粒子MoS_2的Ni-Al_2O_3-MoS_2复合镀层。通过正交试验，找到了制备镀层的最佳工艺参数和颗粒的添加量。研究结果表明：Ni-Al_2O_3-MoS_2复合镀层具有良好的耐磨性和减摩性，并且耐腐蚀性、抗氧化性好。耐磨性优于纯镍镀层和45~#淬火钢；减摩性比铜合金、铝合金更理想。
同时，分析讨论了工艺参数对复合镀层性能、成分的影响。
借助于JXA-840A型电子探针，大型金相显微镜等先进测试设备，进行了组织、成分分析，研究了Ni-Al_2O_3-MoS_2复合镀层的磨损机制和耐磨减摩机理。初步探讨了非导电性颗粒的共沉积原理。
With the method of metal electroplating, a special coat that evenly mixes one or several infusible solid grains to the electroplating coating is called composite coating. It becomes one of the modern surface techniques with great importance and has a wide application in engineering
With the combination of excellent properties of the nickel matrix and those of particles incorporated, electroplating nickel composite coatings are especially appropriate for protecting some key components from special circumstances. Therefore this field of research is receiving intensive interests of toady s surface finishing and engineering communities.
In consideration of the significance of materials protection as well as the great advantages and potentials that electroplating composite coatings demonstrate in this field, this paper attempts to deposit a film of composite coating with high quality of wear resistance or friction reducing on carbureted steel substrates by electroplating. With addition of Al2O3 particles and MoS2 particles to Watts bath, adopting machine blend and making the particles full suspend in the bath, the composite coating containing Al2O3 particles of wear resistance and MoS2 particles of friction reducing has been successfully prepared. The optimum parameters were established by the means of perpendicular tests. The experiment results showed that the composite coating has better wearing capacity of wear resistance and friction reducing, and resistance to corrosion and oxidation, the capacity of wear resistance is better than pure nickel coating and 45 hardened -steel, the capacity of friction reducing is more agreeable than copper and aluminum
The influence of plating parameters on the capabilities and composition were analyzed.
With the help of SEM JXA-840A and advanced metallographical microscope, wear mechanism of theNi-Al2O3-MoS2 composite coating were studied, and the sediment principle of no conducting particles was primitively discussed.
电沉积镍基复合镀层同时兼有镍基和共沉积微粒各自的优异性能，尤其适用于特殊工况条件下的重要零部件的表面强化，因而正引起当今材料表面处理工程界的浓厚兴趣。
鉴于材料保护的重要性和电沉积复合电镀层在此方面所显示出的巨大潜力和优势，本文尝试在碳钢试样上沉积出具有优异耐磨和减摩性能的Ni-Al_2O_3-Mos_2复合镀层。通过相关活性剂的活化作用，在Watts镀镍液中添加Al_2O_3和MoS_2微粒，采用机械搅拌，使微粒充分悬浮，从而成功地制备出含有硬质粒子Al_2O_3和软质粒子MoS_2的Ni-Al_2O_3-MoS_2复合镀层。通过正交试验，找到了制备镀层的最佳工艺参数和颗粒的添加量。研究结果表明：Ni-Al_2O_3-MoS_2复合镀层具有良好的耐磨性和减摩性，并且耐腐蚀性、抗氧化性好。耐磨性优于纯镍镀层和45~#淬火钢；减摩性比铜合金、铝合金更理想。
同时，分析讨论了工艺参数对复合镀层性能、成分的影响。
借助于JXA-840A型电子探针，大型金相显微镜等先进测试设备，进行了组织、成分分析，研究了Ni-Al_2O_3-MoS_2复合镀层的磨损机制和耐磨减摩机理。初步探讨了非导电性颗粒的共沉积原理。
With the method of metal electroplating, a special coat that evenly mixes one or several infusible solid grains to the electroplating coating is called composite coating. It becomes one of the modern surface techniques with great importance and has a wide application in engineering
With the combination of excellent properties of the nickel matrix and those of particles incorporated, electroplating nickel composite coatings are especially appropriate for protecting some key components from special circumstances. Therefore this field of research is receiving intensive interests of toady s surface finishing and engineering communities.
In consideration of the significance of materials protection as well as the great advantages and potentials that electroplating composite coatings demonstrate in this field, this paper attempts to deposit a film of composite coating with high quality of wear resistance or friction reducing on carbureted steel substrates by electroplating. With addition of Al2O3 particles and MoS2 particles to Watts bath, adopting machine blend and making the particles full suspend in the bath, the composite coating containing Al2O3 particles of wear resistance and MoS2 particles of friction reducing has been successfully prepared. The optimum parameters were established by the means of perpendicular tests. The experiment results showed that the composite coating has better wearing capacity of wear resistance and friction reducing, and resistance to corrosion and oxidation, the capacity of wear resistance is better than pure nickel coating and 45 hardened -steel, the capacity of friction reducing is more agreeable than copper and aluminum
The influence of plating parameters on the capabilities and composition were analyzed.
With the help of SEM JXA-840A and advanced metallographical microscope, wear mechanism of theNi-Al2O3-MoS2 composite coating were studied, and the sediment principle of no conducting particles was primitively discussed.
引文
1．徐滨士，刘世珍．“表面工程概论—神奇的表面工程”．中国表面工程．1999：12(2)：45～47
2．李金桂．“现代表面工程应用问题的探讨”．中国表面工程．1999：12(4)：8～10
3．顾迅．“现代表面技术的应用”．金属热处理．1999：4：1～3
4．刘江南．《金属表面工程学》．兵器工业出版社．1995；12：3～7
5．张箐．“化学气相沉积技术发展趋势”．表面技术．1996：25(2)：1～3
6．陈家庆，徐敏．“束流表面强化技术与硬质材料”．表面技术．1996：25(3)：6～10
7．邱艳玲，梁戍浩．“离子注入改性表面研究方法进展”．表面技术．1995：24(5)：1～4
8．徐滨士，张振学．“高效率的离子注入技术”．中国表面工程．1999；12(4)：45～47
9．徐滨士，张平，刘世参．“21世纪表面工程的发展趋势”．中国表面工程．2001(1)：2～7
10．柳襄怀．“我国材料表面处理新技术的发展及前景”．材料导报．2000；14(1)：10～12
11．郭鹤桐，张三元．《复合镀层》天津大学出版社 1991
12．黄子勋．《实用电镀技术》化学工业出版社 2002
13．梁辉，刘淑兰，郭鹤桐．“电沉积Fe-Ni-P-Si_3N_4复合镀层工艺的研究”．电镀与精饰，1997，19(2)：5
14．雷晓蓉，黎永钧．“化学镀Ni-P-PTFE复合镀层沉积工艺研究”．材料工程，1997，11：12
15．王冰，吴防修．“化学复合电镀”．机械工程师，1999，8：12
16．程立新，杨杰辉，邱建伟．“电镀Ni-PTFE复合镀层研究”．电镀与环保，1997，17(8)：8
17．成旦红，徐伟一．“缎状镍电镀工艺“．材料保护，1995，28(5)：12
18．董根岑，周完贞，宋敏秀．“镍基萤光颜料复合镀层的研究”．电镀与环保，1987，7(6)：4．
19．杨川，周爱梅，邵树渊．“刷镀Ni-SiC复合镀层工艺及性能研究”．材料保护，1991，24(7)：15
20．白晓军，王书君．“Zn-Al_2O_3和Zn-SiO_2复合镀层研制及耐蚀性和结合力探讨”．电镀与环保，1993，13(6)：7
21．郭忠诚，刘鸿康，王志英等．“电沉积Ni-W-SiC复合镀层工艺”．电镀与环保，1996，16(6)：8
22．张爱玲，黄安．“复合电镀工艺”．电镀与环保，1996，16(2)：6
23．朱诚意，郭忠诚，刘中华．“国内复合镀层最新进展及应用”．电镀与环保，1998，18(1)：3
24．郑曦，连锦明，朱则善．“MnO_2-WC复合镀层的制备”．福建师范大学学报，1997，13(2)：66
25．杜克勤，车如心，陈慧光．“镍／聚四氟乙烯复合电镀新工艺的研究”．大连铁道学院学报，2001，22(1)：94
26．李爱昌．“非晶复合镀层的制备及其性能”．材料保护，2000，33(7)：11
27. G N K Ramesh Bapu. Characteristics of Ni-BN Electrocomposites. Plating and Surface Finishing. 1995, (7): 70
28．王红艳，周苏闽．“钢铁表面Ni-P-SiC复合镀层的表面形貌及组成”．材料保护，2001，34(4)：6
29. Suzuki y, Wajima M, Asai D. Cathodic polarization Behavior of Ag-Al203 Electrode in Silver Thiocyanate Solution containing Al203 Particles Elctrochem Sosiety, 1986,133(2):259
30．郭会清．“刷镀Ni-SiC-WC-MoS_2复合镀层性能的研究”．郑州轻工业学院学报，1997，12(1)：40
31. Miao H J, Piron D L. Composite-coating Electrodes for Hydrogen Evolution Reaction. Electrochim Acta, 1993,38(8):1079
32. Suziki Y, Asai D. Adsorption-Codeposition Process of Al203 Particle onto Ag-Al203 Dispersion Films. Electrochem Soc, 1987(8):1906
33．赵渠森，伍临尔．《复合材料进展》．北京：科学出版社，1984
34. Iwakara C, Furukawa N, Tanaka M. Electrochemical preparation and Characterization of Ni/(Ni+RuO2) Composite Coatings as an Active Cathode for Hydrogen Evolution. Electrochemica Acta, 1992,37(2):757
35．王秦生．《超硬材料电镀制品》．中国标准出版社，2001．5
36．姚冠新．“Fe-Ni-MoS2复合镀层的制备及其摩擦磨损性能的研究”．江苏大学硕士研究生毕业论文，1990
37．向军淮，陈范才，严旭辉．“铝材表面Ni-MoS2自润滑复合镀层及其性能”．材料保护，2001，34(4)：21
38．郭忠诚，杨显万，刘鸿康，王志英，王敏．“SiC微粒对Ni-W-SiC复合镀层工艺及性能的影响”．化学冶金，1997，18(2)：108
39．沈宁一，许强令，吴以南，童中云．《镀镍技术问答》．上海科学技术出版社，1985．9
40. Frederick J. Teeter. A NEW INDUSTRY ASSOCIATION Surface Engineering Coating Association. ADVANCED MATERIALS & PROCESSES/JULY 2001.
41. Michael Riley. Advances in Coating Technology. ADVANCED MATERIALS & PROCESSES/JULY 2001.
45. A. Matthews and A. Leyland. Developments in PVD Tribological Coating. Heat Treatment of Metals /2001.3.
46. Brian Cuiffo. Heat Treating/Coating. ADVANCED MATERIALS & PROCESSES/JULY 2001.
47．赵文轸．《材料表面工程导论》．西安交通大学出版社．2001．7
48．程立新，杨杰辉，邱建伟．“复合电镀Ni-PTFE工艺和应用”．电镀与环保，1997，17(2)：6
49．刘云丽．“复合电镀Ni-P-PTFE工艺条件的研究”．电镀与精饰，1999，18(2)：17
50．郭忠诚，王敏，刘洪康，王志英．“电镀法制取耐磨耐蚀复合镀层的性能研究”．机，械工程材料，1998，22(1)：41
51．郭忠诚，杨显万，刘鸿康，王志英，王敏．“微粒对复合镀层工艺及性能的影响”．化工冶金，1997，18(2)：108
52．张维丽，朱有兰，黎樵粲．“电沉积Ni-WC复合镀层特性的研究”．广东工业大学学报，2000，17(1)：65
53．向军淮，陈范才，严旭辉．“铝材表面Ni-MoS_2自润滑复合镀层及其性能”．材料保护，2001，34(4)：21
2．李金桂．“现代表面工程应用问题的探讨”．中国表面工程．1999：12(4)：8～10
3．顾迅．“现代表面技术的应用”．金属热处理．1999：4：1～3
4．刘江南．《金属表面工程学》．兵器工业出版社．1995；12：3～7
5．张箐．“化学气相沉积技术发展趋势”．表面技术．1996：25(2)：1～3
6．陈家庆，徐敏．“束流表面强化技术与硬质材料”．表面技术．1996：25(3)：6～10
7．邱艳玲，梁戍浩．“离子注入改性表面研究方法进展”．表面技术．1995：24(5)：1～4
8．徐滨士，张振学．“高效率的离子注入技术”．中国表面工程．1999；12(4)：45～47
9．徐滨士，张平，刘世参．“21世纪表面工程的发展趋势”．中国表面工程．2001(1)：2～7
10．柳襄怀．“我国材料表面处理新技术的发展及前景”．材料导报．2000；14(1)：10～12
11．郭鹤桐，张三元．《复合镀层》天津大学出版社 1991
12．黄子勋．《实用电镀技术》化学工业出版社 2002
13．梁辉，刘淑兰，郭鹤桐．“电沉积Fe-Ni-P-Si_3N_4复合镀层工艺的研究”．电镀与精饰，1997，19(2)：5
14．雷晓蓉，黎永钧．“化学镀Ni-P-PTFE复合镀层沉积工艺研究”．材料工程，1997，11：12
15．王冰，吴防修．“化学复合电镀”．机械工程师，1999，8：12
16．程立新，杨杰辉，邱建伟．“电镀Ni-PTFE复合镀层研究”．电镀与环保，1997，17(8)：8
17．成旦红，徐伟一．“缎状镍电镀工艺“．材料保护，1995，28(5)：12
18．董根岑，周完贞，宋敏秀．“镍基萤光颜料复合镀层的研究”．电镀与环保，1987，7(6)：4．
19．杨川，周爱梅，邵树渊．“刷镀Ni-SiC复合镀层工艺及性能研究”．材料保护，1991，24(7)：15
20．白晓军，王书君．“Zn-Al_2O_3和Zn-SiO_2复合镀层研制及耐蚀性和结合力探讨”．电镀与环保，1993，13(6)：7
21．郭忠诚，刘鸿康，王志英等．“电沉积Ni-W-SiC复合镀层工艺”．电镀与环保，1996，16(6)：8
22．张爱玲，黄安．“复合电镀工艺”．电镀与环保，1996，16(2)：6
23．朱诚意，郭忠诚，刘中华．“国内复合镀层最新进展及应用”．电镀与环保，1998，18(1)：3
24．郑曦，连锦明，朱则善．“MnO_2-WC复合镀层的制备”．福建师范大学学报，1997，13(2)：66
25．杜克勤，车如心，陈慧光．“镍／聚四氟乙烯复合电镀新工艺的研究”．大连铁道学院学报，2001，22(1)：94
26．李爱昌．“非晶复合镀层的制备及其性能”．材料保护，2000，33(7)：11
27. G N K Ramesh Bapu. Characteristics of Ni-BN Electrocomposites. Plating and Surface Finishing. 1995, (7): 70
28．王红艳，周苏闽．“钢铁表面Ni-P-SiC复合镀层的表面形貌及组成”．材料保护，2001，34(4)：6
29. Suzuki y, Wajima M, Asai D. Cathodic polarization Behavior of Ag-Al203 Electrode in Silver Thiocyanate Solution containing Al203 Particles Elctrochem Sosiety, 1986,133(2):259
30．郭会清．“刷镀Ni-SiC-WC-MoS_2复合镀层性能的研究”．郑州轻工业学院学报，1997，12(1)：40
31. Miao H J, Piron D L. Composite-coating Electrodes for Hydrogen Evolution Reaction. Electrochim Acta, 1993,38(8):1079
32. Suziki Y, Asai D. Adsorption-Codeposition Process of Al203 Particle onto Ag-Al203 Dispersion Films. Electrochem Soc, 1987(8):1906
33．赵渠森，伍临尔．《复合材料进展》．北京：科学出版社，1984
34. Iwakara C, Furukawa N, Tanaka M. Electrochemical preparation and Characterization of Ni/(Ni+RuO2) Composite Coatings as an Active Cathode for Hydrogen Evolution. Electrochemica Acta, 1992,37(2):757
35．王秦生．《超硬材料电镀制品》．中国标准出版社，2001．5
36．姚冠新．“Fe-Ni-MoS2复合镀层的制备及其摩擦磨损性能的研究”．江苏大学硕士研究生毕业论文，1990
37．向军淮，陈范才，严旭辉．“铝材表面Ni-MoS2自润滑复合镀层及其性能”．材料保护，2001，34(4)：21
38．郭忠诚，杨显万，刘鸿康，王志英，王敏．“SiC微粒对Ni-W-SiC复合镀层工艺及性能的影响”．化学冶金，1997，18(2)：108
39．沈宁一，许强令，吴以南，童中云．《镀镍技术问答》．上海科学技术出版社，1985．9
40. Frederick J. Teeter. A NEW INDUSTRY ASSOCIATION Surface Engineering Coating Association. ADVANCED MATERIALS & PROCESSES/JULY 2001.
41. Michael Riley. Advances in Coating Technology. ADVANCED MATERIALS & PROCESSES/JULY 2001.
45. A. Matthews and A. Leyland. Developments in PVD Tribological Coating. Heat Treatment of Metals /2001.3.
46. Brian Cuiffo. Heat Treating/Coating. ADVANCED MATERIALS & PROCESSES/JULY 2001.
47．赵文轸．《材料表面工程导论》．西安交通大学出版社．2001．7
48．程立新，杨杰辉，邱建伟．“复合电镀Ni-PTFE工艺和应用”．电镀与环保，1997，17(2)：6
49．刘云丽．“复合电镀Ni-P-PTFE工艺条件的研究”．电镀与精饰，1999，18(2)：17
50．郭忠诚，王敏，刘洪康，王志英．“电镀法制取耐磨耐蚀复合镀层的性能研究”．机，械工程材料，1998，22(1)：41
51．郭忠诚，杨显万，刘鸿康，王志英，王敏．“微粒对复合镀层工艺及性能的影响”．化工冶金，1997，18(2)：108
52．张维丽，朱有兰，黎樵粲．“电沉积Ni-WC复合镀层特性的研究”．广东工业大学学报，2000，17(1)：65
53．向军淮，陈范才，严旭辉．“铝材表面Ni-MoS_2自润滑复合镀层及其性能”．材料保护，2001，34(4)：21