电刷镀镍基含纳米粉复合镀层性能、结构和共沉积机理

【摘要】： 电刷镀是机械零件维修与强化的重要手段，是表面工程的一项示范性技术。它具 有便捷、高效的技术特点，在现代机械设备维修领域得到了广泛的应用。使用中发现 电刷镀层在高温、热磨损等苛刻条件下，性能有较明显的下降。这严重地限制了电刷 镀技术的应用。针对这一问题的研究，促进了电刷镀复合镀层这一新兴分支的出现和 发展。近几年出现的具有优良的热稳定性和强度，并具备较强表面活性的纳米粉材料， 为这一问题的解决提供了新的手段。基于此，本文创造性地将复合电刷镀技术和纳米 粉材料有机结合，成功制备了含纳米粉复合电刷镀层。文中重点研究了该复合镀层制 备工艺中的纳米粉处理方法、镀层在不同温度下的硬度、抗微动磨损性能和组织结构。 在对工艺、性能和结构深入研究的基础上，提出了含纳米粉复合镀层的生长机制，分 析了该复合镀层的强化机理。由此为该新型复合镀层在机械设备维修和强化领域的应 用提供了试验数据和理论基础，也为纳米粉这一高技术材料的实际应用提供了新思 路。 本文取得如下主要结论： 1．首次在复合电刷镀领域采用金属包覆的方法对纳米粉进行处理，解决了纳米 粉在复合电刷镀层中均匀分散这一技术难题。该方法能有效提高纳米粉在镍基复合镀 层中的共沉积量和分散的均匀程度。被包覆的纳米粉是促使复合镀层结构细化、致密 的重要原因，对复合镀层性能的提高起到了关键作用。该方法具有一定的灵活性，可 以推动多种含纳米粉复合镀层的出现和应用，为机械零件维修和强化提供有效的实用 手段。 2．以快速镍为基质金属，分别以纳米Al_2O_3粉、纳米SiC粉和纳米金刚石粉为 共沉积固体颗粒，采用镍为包覆金属，成功制备了三种含纳米粉复合电刷镀层。在室 温到400℃之间，这些复合镀层的显微硬度均明显高于快速镍镀层，而摩擦系数和磨 痕深度均明显降低。其中镍基镍包纳米Al_2O_3粉复合镀层具有较好的综合性能：在400 ℃下，其显微硬度约为快速镍镀层的3倍，而磨痕深度仅为快速镍镀层的25％。 3．含镍包纳米粉复合电刷镀层的表面形貌细腻平坦，组织结构致密细化。该复 合镀层的组织里堆砌排列的胞状结构。镍包覆纳米颗粒在基质金属中处于较好的均匀 ·11 北 京 工 业 大 学 学 位 论 文 弥散状态，并与基质金属结合良好．在复合镀层中存在一定含量的C、N、O等杂质 元素。 4．含镍包纳米粉复合镀层在常温下相对快速镍镀层硬度提高的主要机制是纳米 粉弥散强化和位错亚结构强化，而在加热状态下出现的硬度上升的再强化现象可以用 C、N等杂质原子对位错的钉扎作用给出定性的解释。纳米颗粒在磨痕表面的富集及 其对复合镀层表面形貌的影响，是复合镀层的杭激动磨损性能有明显改善的重要原 因。 5．基于导体表面存在的尖端荷电效应，提出了快速镍刷镀层电结晶过程中的正 反馈的择优生长机制。在复合镀层中，具有金属包覆层的纳米颗粒破坏了基质金属的 择优生长方式，由此引起了含纳米复合镀层在形貌、组织结构、成分和性能上的变化。