超聲-電沉積鎳基TiN納米復(fù)合鍍層的研究.pdf

1、復(fù)合電沉積技術(shù)是在鍍液中加入不溶性微米或納米固體粒子(如TiN、AlN、SiC和Al2O3等)，通過(guò)電沉積的方式，使固體粒子與基質(zhì)金屬離子共同沉積的一種方法。納米復(fù)合鍍層由于具有良好的光學(xué)非線性、磁性以及機(jī)械性能(如高強(qiáng)度、高硬度和良好的耐磨性能)，近年來(lái)成為廣泛研究的熱點(diǎn)。目前，納米復(fù)合鍍層的研究還處于探索階段，納米粒子和基質(zhì)金屬晶粒的共沉積理論還不完善；納米復(fù)合鍍層的制備工藝、納米粒子在鍍液和鍍層中的均勻分散問題以及納米粒子在鍍層中

2、的作用機(jī)制等方面的研究還顯得比較薄弱，嚴(yán)重制約著有關(guān)納米復(fù)合鍍層的進(jìn)一步研究和應(yīng)用。本論文以鎳基TiN納米復(fù)合鍍層為研究對(duì)象，采用理論分析與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，對(duì)超聲-電沉積鎳基TiN納米復(fù)合鍍層的制備工藝和主要性能進(jìn)行研究，并利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)鎳基TiN納米復(fù)合鍍層的粒子復(fù)合量和顯微硬度建立網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型。 本論文從鎳基TiN納米復(fù)合鍍層的制備機(jī)理入手，首先采用超聲-電沉積法制得鎳基TiN納米復(fù)合鍍層。研究分析了超聲波功率、脈

3、沖電流密度、脈沖占空比、TiN粒子懸浮量以及表面活性劑對(duì)鎳基TiN納米復(fù)合鍍層顯微組織、顯微硬度以及鍍層中TiN粒子復(fù)合量的影響。同時(shí)，利用正交試驗(yàn)法對(duì)超聲-電沉積鎳基TiN納米復(fù)合鍍層的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，超聲-電沉積的主要工藝參數(shù)對(duì)鎳基TiN納米復(fù)合鍍層顯微硬度和TiN粒子復(fù)合量的影響主次順序?yàn)椋杭{米TiN粒子的懸浮量＞超聲功率＞電流密度＞占空比＞表面活性劑濃度。采用超聲-電沉積方法制備鎳基TiN納米復(fù)合鍍層的最佳工藝參

4、數(shù)為：鍍液溫度50℃，pH=4.5，復(fù)合電沉積時(shí)間50min，TiN粒子懸浮量8g/l，電流密度5A/dm2，占空比40％，表面活性劑濃度100mg/l，超聲功率200W。 其次，本論文首先簡(jiǎn)述了超聲波在介質(zhì)中的作用機(jī)理。然后，研究了不同的攪拌方式對(duì)鎳基TiN復(fù)合鍍層表面形貌、顯微組織結(jié)構(gòu)、鍍層中TiN粒子復(fù)合量以及鍍層磨損量的影響，探討了超聲波在電沉積鎳基TiN納米復(fù)合鍍層中的作用。并對(duì)鎳基TiN納米復(fù)合鍍層進(jìn)行表征。研究結(jié)果

5、表明，超聲波在電沉積鎳基TiN復(fù)合鍍層過(guò)程中，具有明顯的攪拌分散作用、強(qiáng)化促進(jìn)作用以及細(xì)化TiN粒子和鎳晶粒作用等。XRD分析表明，在機(jī)械攪拌-電沉積制得的復(fù)合鍍層中，鎳晶粒和TiN粒子的平均粒徑分別為119.3nm和56.7nm；而在超聲-電沉積制得的復(fù)合鍍層中，鎳晶粒和TiN粒子的平均粒徑分別為74.6nm和34.8nm。對(duì)鍍層表面XPS分析表明，在鎳基TiN納米復(fù)合鍍層表面存在零價(jià)態(tài)的鎳和Ti元素。AFM分析表明，電沉積鎳鍍層的表

6、面均方根粗糙度、平方粗糙度和最大高度粗糙度分別為Rms=48.213nm、Ra=39.567nm和Rmax=339.28nm；機(jī)械攪拌-電沉積鎳基TiN納米復(fù)合鍍層的表面均方根粗糙度、平方粗糙度和最大高度粗糙度分別為Rms=27.427nm、Ra=21.857nm和Rmax=174.74nm；超聲-電沉積鎳基TiN納米復(fù)合鍍層的表面均方根粗糙度、平方粗糙度和最大高度粗糙度分別為Rms=19.242nm、Ra=15.719nm和Rmax=

7、125.53nm。這說(shuō)明超聲波對(duì)納米粒子的攪拌分散作用明顯超過(guò)機(jī)械攪拌所能達(dá)到的劇烈程度。 為了研究鎳基TiN納米復(fù)合鍍層的主要性能，分別采用機(jī)械攪拌-電沉積法和超聲-電沉積法制得鎳基TiN納米復(fù)合鍍層和鎳鍍層。利用顯微維氏硬度計(jì)、涂層附著力劃痕儀、腐蝕法、中性鹽霧試驗(yàn)法(NSS)以及磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)鎳基TiN納米復(fù)合鍍層和鎳鍍層的顯微硬度、結(jié)合力、孔隙率、耐腐蝕性能和耐磨性能等進(jìn)行對(duì)比研究分析。在此基礎(chǔ)上，探討了鎳基TiN納米復(fù)合

8、鍍層的耐腐蝕性和耐磨性機(jī)理。研究結(jié)果表明，鎳基TiN納米復(fù)合鍍層不僅具有較高的顯微硬度、耐腐蝕和耐磨損性能，還具有較低的孔隙率和摩擦系數(shù)。其顯微硬度大約為鎳鍍層的2倍左右；其孔隙率約為鎳鍍層的1/3左右；其磨損量為鎳鍍層4倍左右。但其結(jié)合力與鎳鍍層相差不大，結(jié)合力都在60～70N之間。耐腐蝕性能實(shí)驗(yàn)表明，試樣的平均腐蝕速率大小依次順序?yàn)椋?5鋼＞機(jī)械攪拌-電沉積鎳鍍層＞超聲-電沉積鎳鍍層＞機(jī)械攪拌-電沉積鎳基TiN納米復(fù)合鍍層＞超聲-電