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【簡介】
（東北石油大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院1,大慶163318;大慶油田采油七廠2,大慶163000;大慶職業(yè)學(xué)院技術(shù)培訓(xùn)中心3,大慶163000）
摘 要：采用機械攪拌和超聲波攪拌的電鍍方法，在45鋼基體上制備Ni-TiN復(fù)合鍍層。利用原子吸收分光光度計（AAS）、掃描電鏡（SEM）及摩擦磨損試驗機對復(fù)合鍍層的TiN粒子復(fù)合量、顯微組織及其耐磨性能進行研究。結(jié)果表明，超聲波攪拌-電沉積制備的Ni-TiN復(fù)合鍍層，其TiN微粒的復(fù)合量最大值為10. 7wt%,而機械攪拌-電沉積制得的Ni-TiN復(fù)合鍍層，其TiN微粒的復(fù)合量最大值為8. 8wt%。采用機械攪拌時，Ni-TiN復(fù)合鍍層表面有大量粒徑較大的顆粒出現(xiàn)，其平均粒徑在3μm;而采用超聲波攪拌時，Ni-TiN復(fù)合鍍層表面顆粒相對較小，約為1μm。摩擦磨損試驗表明，超聲波攪拌-電沉積Ni-TiN復(fù)合鍍層的磨損程度較小，而機械攪拌-電沉積Ni-TiN復(fù)合鍍層的磨損程度則較為嚴(yán)重。
關(guān)鍵詞：機械攪拌,聲波攪拌,合鍍層
中圖法分類號：TG174. 441 O614. 81;文獻標(biāo)志碼：A
復(fù)合電沉積技術(shù)是利用電化學(xué)的原理，將微粒與基質(zhì)金屬的離子在陰極表面實現(xiàn)共沉積，并獲得具有某些特殊功能的復(fù)合電鍍工藝。近年來，復(fù)合電沉積技術(shù)已在材料科學(xué)領(lǐng)域得到國內(nèi)外學(xué)者研究和關(guān)注的熱點[1—5]。復(fù)合鍍層因其含有性能優(yōu)異的微粒，故可改善基質(zhì)金屬的耐磨、減摩、耐腐蝕以及抗高溫氧化等性能，在機械、石油、化工、航空航天以及電子工業(yè)等領(lǐng)域有著非常廣闊的應(yīng)用前景。
然而，有關(guān)復(fù)合電沉積的沉積理論還不完善，復(fù)合鍍層的制備工藝比傳統(tǒng)的工藝復(fù)雜，影響因素也較多。尤其是攪拌方式對復(fù)合鍍層中微粒復(fù)合量、粒徑及其分布有著重要的影響，這將直接決定復(fù)合鍍層的耐磨、減摩、耐腐蝕以及抗高溫氧化等性能[6—9]。因此，本文采用機械攪拌和超聲波攪拌的方法，在45鋼基體上制備Ni-TiN復(fù)合鍍層，系統(tǒng)研究攪拌方式對Ni-TiN復(fù)合鍍層TiN粒子復(fù)合量、顯微組織及其耐磨性能的影響。為復(fù)合鍍層在生產(chǎn)實際的應(yīng)用和推廣提供一定的理論和技術(shù)支持。
1 實驗方法
分別采用機械攪拌-電沉積和超聲波攪拌-電沉積的方法，在45鋼基體表面制備Ni-TiN復(fù)合鍍層。復(fù)合鍍液組成及鍍層制備工藝參數(shù)如下：NiSO4·6H2O 350 g/L,NiCl2·H2O 40 g/L,H3BO335 g/L,TiN微粒濃度6 g/L, pH=4. 5,機械攪拌速率100—500 r/min,超聲波攪拌功率100—500W。采用上述工藝參數(shù)電沉積Ni-TiN納米復(fù)合鍍層30 min。試驗結(jié)束后，用去離子水反復(fù)沖洗，放入烘干箱40℃干燥24 h。
利用原子吸收分光光度計（AA—6800）對Ni-TiN復(fù)合鍍層進行TiN微粒復(fù)合量分析；利用掃描電鏡（JSM—6460LV）觀察和分析Ni-TiN復(fù)合鍍層的顯微組織結(jié)構(gòu)；利用摩擦磨損試驗機（MRH—3）對復(fù)合鍍層的耐磨性能進行分析。
2 結(jié)果與討論
2. 1 攪拌方式對Ni-TiN復(fù)合鍍層TiN粒子復(fù)合量的影響
圖1所示為攪拌方式對復(fù)合鍍層TiN微粒復(fù)合量的影響規(guī)律。由圖1可知，攪拌方式對Ni-TiN復(fù)合鍍層中TiN微粒的復(fù)合量有較大的影響。采用機械攪拌-電沉積制備Ni-TiN復(fù)合鍍層時，隨著機械攪拌速率的增加，TiN微粒的復(fù)合量先增加后降低。當(dāng)攪拌速率為300 r/min時，鍍層中TiN微粒的復(fù)合量最大（8. 8 w%t ）。采用超聲波攪拌-電沉積制備Ni-TiN復(fù)合鍍層時，TiN微粒的復(fù)合量隨著超聲波功率的增加也是先增加后降低。當(dāng)超聲波功率為400W時，鍍層中TiN微粒的復(fù)合量最大，最大值為10. 7 w%t。由此可見，超聲波攪拌-電沉積制備的Ni-TiN復(fù)合鍍層，其TiN微粒的復(fù)合量明顯大于機械攪拌-電沉積制得的Ni-TiN復(fù)合鍍層。這是因為超聲波特有的分散效應(yīng)對鍍液中微粒的攪拌分散作用遠遠超過機械攪拌所能達到的劇烈程度。機械攪拌的方法主要是通過攪拌方式使微粒懸浮，一旦微粒完全懸浮后，分散強化的效果便不再明顯。而超聲波的分散效應(yīng)和清洗效應(yīng)，不僅使微粒均勻分散于鍍液中，而且可清洗TiN微粒表面的氣體和雜質(zhì)，使其更易吸附帶電離子，從而使TiN微粒在陰極表面的沉積更易進行。然而，若機械攪拌或超聲波攪拌過大時，就會對鍍液產(chǎn)生的過度攪拌作用，從而導(dǎo)致弱吸附在電極表面的粒子再度被沖刷到鍍液中，影響TiN微粒在鍍層中的復(fù)合量。
2. 2 攪拌方式對Ni-TiN復(fù)合鍍層顯微組織的影響
圖2所示為攪拌方式對復(fù)合鍍層顯微組織的影響。圖2（a）為采用機械攪拌-電沉積Ni-TiN復(fù)合鍍層的顯微組織結(jié)構(gòu)，圖2（b）為采用超聲波攪拌-電沉積Ni-TiN復(fù)合鍍層的顯微組織結(jié)構(gòu)。由圖2可知，機械攪拌-電沉積鍍層和超聲波攪拌-電沉積鍍層表面顆粒都呈現(xiàn)四棱錐狀。采用機械攪拌時，Ni-TiN復(fù)合鍍層表面有大量粒徑較大的顆粒出現(xiàn)，其平均粒徑在3μm;而采用超聲波攪拌時，Ni-TiN復(fù)合鍍層表面顆粒相對較小，約為1μm,同時可以看到許多正形狀不規(guī)則的小顆粒夾雜在大顆粒之間。因此，在電沉積制備Ni-TiN復(fù)合鍍層時，采用超聲波攪拌可獲得表面顆粒細(xì)小、致密的鍍層。這是因為超聲波不僅使TiN微粒均勻懸浮于鍍液中，而且超聲波產(chǎn)生的聲流可使懸浮在溶液中的微粒在宏觀上均勻分布，而空化效應(yīng)產(chǎn)生的高壓激波可粉碎成團聚狀的粒子群，使微粒進一步均勻化，增加了鎳晶粒的形核，細(xì)化鎳晶粒，從而獲得顆粒細(xì)小、致密的Ni-TiN復(fù)合鍍層。
2. 3 攪拌方式對Ni-TiN復(fù)合鍍層耐磨性能的影響分別采用機械攪拌-電沉積和超聲-電沉積制備Ni-TiN復(fù)合鍍層，并在摩擦磨損試驗機上進行摩擦磨損試驗，試驗結(jié)果如圖3所示。試驗條件：載荷10 N,室溫，干摩擦，摩擦轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速200 r/min。圖3（a）為采用機械攪拌-電沉積Ni-TiN復(fù)合鍍層磨損后的掃描電鏡照片，圖3（b）為采用超聲波攪拌-電沉積Ni-TiN復(fù)合鍍層磨損后的掃描電鏡照片。由圖3可以看出，Ni-TiN復(fù)合鍍層在經(jīng)過摩擦磨損試驗后，鍍層磨損表面撕裂和黏著的現(xiàn)象不太明顯，但存在一定的犁溝現(xiàn)象，是典型的磨粒磨損。當(dāng)TiN微粒附近的鎳磨損后，TiN微粒自然脫落，在磨損中充當(dāng)了粒子狀的磨料，造成復(fù)合鍍層磨損表面的磨粒磨損現(xiàn)象。TiN微粒之所以能夠改善復(fù)合鍍層的摩擦磨損性能，其主要原因在于TiN微粒的彌散錯位強化作用、細(xì)晶強化效應(yīng)以及承載和潤滑作用。
由圖3還可以看出，超聲波攪拌-電沉積Ni-TiN復(fù)合鍍層的磨損程度較小，而機械攪拌-電沉積Ni-TiN復(fù)合鍍層的磨損程度則較為嚴(yán)重。這與Ni-TiN復(fù)合鍍層中TiN微粒的復(fù)合量有直接關(guān)系。鍍層中TiN微粒復(fù)合量越大， TiN微粒的彌散錯位強化作用、細(xì)晶強化效應(yīng)以及承載和潤滑作用越強，故Ni-TiN復(fù)合鍍層的磨損程度越小。
3·結(jié)論
在采用機械攪拌和超聲波攪拌的方法制備Ni-TiN復(fù)合鍍層的過程中，攪拌方式對Ni-TiN復(fù)合鍍層TiN粒子復(fù)合量、顯微組織及其耐磨性能有較大影響。超聲波攪拌-電沉積制備的Ni-TiN復(fù)合鍍層，其TiN微粒的復(fù)合量明顯大于機械攪拌-電沉積制得的Ni-TiN復(fù)合鍍層。其最大值分別為10. 7 w%t和8. 8 w%t。采用機械攪拌時，Ni-TiN復(fù)合鍍層表面有大量粒徑較大的顆粒出現(xiàn)，其平均粒徑在3μm;而采用超聲波攪拌時，Ni-TiN復(fù)合鍍層表面顆粒相對較小，約為1μm。摩擦磨損試驗表明，Ni-TiN復(fù)合鍍層屬于典型的磨粒磨損，且超聲波攪拌-電沉積Ni-TiN復(fù)合鍍層的磨損程度較小，而機械攪拌-電沉積Ni-TiN復(fù)合鍍層的磨損程度則較為嚴(yán)重。
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