1、外文原文中文譯文含微米和亞微米SiC顆粒的復合鍍鎳層的電沉積和滑動耐磨性I. Garciaa,b,*, J. Fransaera, J.-P. Celisaa比利時天主教魯汶大學, MTM部, Kasteelpark Arenberg 44, B-3001 Leuven, 比利時b國家冶金研究中心CENIM-CSIC, 腐蝕與防護部, Av. Gregorio del Amo 8, 28040 馬德里，西班牙摘要SiC微粒的三種粒徑 m，與鎳共沉積于Watts溶液中。研究發現，當電鍍液中的微粒密度給定時，鍍層中的微粒密度隨著微粒粒徑的減小而增加。這些復合鍍層的摩擦和損耗性可由在剛玉球上的單一和

2、雙向滑動測試來評估。含有4-5%容量的亞微米SiC微粒的Ni-SiC復合鍍層能獲得最正確的滑動耐磨性。關鍵詞：電沉積；復合體；損耗；鎳；SiC1. 前言電沉積復合鍍層由含第二相微粒的分散體系的金屬或合金鑄模組成1-3。這些微粒可以是硬氧化物或碳化物微粒，如Al2O3, SiC, TiO2, WC, SiO2或金剛石，固體潤滑劑，如PTFE，石墨或MoS2，甚至可以是含有液體的微囊劑4，以改善耐磨性和/或減少摩擦。含有微米級顆粒的復合電鍍層是用來作為耐磨性鍍層的5-7，例如汽車發動機上的Ni-SiC復合鍍層 1,8-10。隨著納米顆粒越來越多，納米顆粒的電解和化學共沉積越來越引起關注11。對于納

3、米共沉積的主要挑戰是足夠數量的粒子沉積，和防止在電鍍液中的懸浮顆粒團聚。在該項工作中，我們研究的是鎳Watts溶液中微米和亞微米SiC顆粒的電解共沉積和該復合鍍鎳層的滑動耐磨性。研究報道了電鍍液的懸浮顆粒的粒徑和數量對共沉積粒子數目的影響。并討論了共沉積的結果和以數目密度為根底的共沉積粒子模型。也就微粒粒徑對微米和亞微米大小的非Brownian粒子的共沉積過程的影響作了詳細的說明。且關于共沉積亞微米粒子對Ni-SiC復合鍍層的耐磨性也進行了討論。2. 實驗局部實驗使用的電鍍液是標準鎳Watts溶液。該鍍液組成和電鍍參數見表1。 使用的SiC顆粒取0.3B I. Garcia,*, J. Fra

4、nsaer來源:Surface and Coatings Technology，2002，148(7):171 178.SC-21C，性能陶瓷，日本，0.7BS0.7，Elektroschmelzwerk Kempten，德國和5mE110 _4000, Norton，挪威的二次平均直徑。所有的粒子均按原樣使用。對于各電鍍液，已計算了數量密度ns見表2，假設顆粒是單分散的且為球形。電鍍液中的粒子濃度的變化范圍為-104g/l。各電鍍液用電磁攪拌24小時，隨后在電鍍前超聲攪拌30分鐘。電沉積是在垂直電極上進行的，而電沉積期間電磁攪拌器攪拌電鍍液。表1 電鍍液的成分及電鍍參數表2 電鍍液中SiC微

5、粒含量 共沉積后，有些樣品被切斷和安裝在環氧樹脂。掃描電子顯微鏡觀察的金相截面是完整和磨光的，沒有使用SiC砂紙以防止污染。共沉積于鍍層上的SiC顆粒的數目，可通過在拋光截面上使用X射線探測器來評估。維氏顯微硬度測量負載，30克也是在這些拋光截面上進行的。單一和雙向滑動磨損測試是在電鍍光盤進行的。單向滑動球上盤磨損測試的正常加載為10 N，滑動速度為m/s。旋數為15000或20000。雙向滑動球上盤磨損試驗12的正常負載5 N，振蕩頻率為10Hz，切位移幅度為500m。磨損周期為50000。所有的磨損測試都在10mm的剛玉球上進行，無需潤滑，溫度22°C和環境空氣的相對濕度為50。

6、磨損試驗期間須連續記錄摩擦系數。材料的體積損失是完成磨損測試后在激光輪廓儀Rodenstock RM300上測定的。至此，用乙醇清理樣品并超聲攪拌15分鐘。為了比擬單向和雙向磨損測試，磨損表示為體積磨損因子(cm3/N m。該磨損因子是用磨損損失總體積除以總滑動距離和載荷計算得到的。3. 結果與討論對應SiC顆粒的三種類型的共沉積的SiC數量如圖1所示。鍍層中共沉積的SiC的體積分數隨著電鍍液中的粒子濃度的增加而增加，這與文獻資料是一致的。5m微粒得到的共沉積的SiC的體積百分數最高，而最低的沉積分數是由0.7m微粒獲得的。相當出乎意料的是13mm粒子共沉積得多。一個可能的原因是從不同生產商獲

7、得的這些SiC的外表狀況存在差異。另一個m粒子在鍍液中發生團聚。液中不同SiC顆粒濃度且不同SiC顆粒粒徑下與鎳共沉積的SiC顆粒的體積分數。Ni-SiC復合鍍層在單向滑動下的體積磨損因數。純電解鎳的數據已給ED鎳參考文獻。在單向和雙向滑動測試后Ni-SiC復合鍍層的磨損痕跡表現為黑色，并顯示刮痕與運動方向平行。這種刮痕是典型的劃痕磨損。對于所有Ni - SiC復合鍍層測試，摩擦系數在最初的幾個滑動周期約為0.5。mmSiC微粒的鎳鍍層的摩擦系數約為0.29。這一摩擦系數比含有5 mSiC顆粒的鍍鎳層觀察得到的值0.34低，而兩微粒在共沉積顆粒中的體積百分數是相似的。另一方面，研究了各SiC顆

8、粒的粒徑，摩擦系數隨著鍍層中SiC顆粒的體積分數的增加而增加，mSiC顆粒，m SiC顆粒而言是從變化到0.30。在剛玉球上滑動進行單向和雙向磨損測試后，含有不同粒徑SiC顆粒的Ni-SiC復合鍍層的磨損量見圖2和圖3。純鍍鎳層和Ni-SiC復合鍍層在單向磨損測試中的體積磨損量，幾乎比雙向磨損測試中記錄的數據低了兩個數量級。這與堅硬的陶瓷涂層上獲得的滑動磨損數據是一致的，比方TiN，顯示在單向磨損測試時的磨損速率遠遠低于雙向測試14。然而，在單向滑動測試下，隨著SiC顆粒數目的增多，含有5mSiC顆粒的復合鍍鎳層顯示出比純鍍鎳層更弱的耐磨性mmSiC顆粒時能獲得最正確效果。在雙向滑動測試下，相

9、似電鍍條件下電沉積時所有的Ni-SiC復合鍍層mSiC顆粒復合鍍鎳層。圖3.含有三種不同粒徑且不同體積含量SiC顆粒的Ni-SiC復合鍍層在雙向滑動測試下的體積磨損因數。純電解鎳的數據也已給出ED鎳參考文獻。圖4. 純鍍鎳層和含有三種不同粒徑SiC顆粒的Ni-SiC復合鍍層的維氏硬度共沉積的SiC顆粒的體積含量圖為了試圖說明測試的Ni-SiC復合鍍層的磨損行為，測試了這些鍍層的維氏硬度。圖4中維氏硬度是根據共沉積得SiC顆粒的體積分數劃分的。對于研究的三種粒徑的SiC顆粒，維氏硬度隨著鍍鎳層中SiC顆粒數目的增加而增加。所有研究的Ni-SiC復合鍍層的維氏硬度比純電沉積鎳高。當硬度值給定時，亞

10、微米共沉積SiC顆粒比5mSiC顆粒m，體積分數的變化范圍為1-15%。研究發現，顆粒間間距m時能得到最正確效果15。攜帶負載和顆粒的鑄模能阻止錯位運動的發生。顆粒強化復合鍍層含有的比1m大的顆粒的體積分數大于20%。于是顆粒間間距大于5m且負載由鑄模和顆粒共同承當。獲得強化的效果是因為顆粒通過機械約束抑制了鑄模的變形。繪制這些鍍層的維氏硬度對應于顆粒間間距的圖時，哪個機理在這項研究的復合鍍層中起作用就變得顯而易見了圖5。顆粒間間距是在SiC顆粒是單分散，球形的且在鍍層上均勻分布的假設下計算的。在含有5mSiC顆粒的復合鍍鎳層中，顆粒間間距大于5m，甚至是獲得最高的微粒體積分數7.5-23%的

11、鍍層見圖4。于是，含有亞微米SiC顆粒的復合鍍層，其硬度增加的記錄可以與微粒強化效應聯系起來。相反，在含亞微米SiC微粒的體積分數為2-10%的復合鍍鎳層中，顆粒間間距低于5m。于是復合鍍層的硬度增加的記錄可以與分散強化效應聯系起來。這說明得到非團聚亞微米顆粒的均勻共沉淀物以獲得分散強化效應的重要性。圖5. 含有三種不同粒徑SiC顆粒的Ni-SiC復合鍍層的維氏硬度鍍層中顆粒間間距圖圖6. 含有三種不同粒徑SiC顆粒的Ni-SiC復合鍍層在單向滑動測試下的體積磨損因數共沉積SiC顆粒的數量密度圖顆粒間間距，是一個不僅取決于共沉積顆粒的體積分數，而且取決于共沉積顆粒的粒徑的參數，因此比僅基于體積

12、分數的描述更適合于分析機械性能，磨損行為。當用數量密度和顆粒粒徑作為參數代替體積分數和顆粒粒徑時，就可以比擬獨立的參數了。Ni-SiC復合鍍層的磨損數據如圖2和圖3所示，當作對應于共沉積顆粒的數量密度的圖時能提供更多的信息分別見圖6和圖7。圖6和圖7說明，在大多數情況下，體積磨損因數隨共沉積的三種粒徑的SiC顆粒的數目密度增大而增大。此外，體積磨損因數在多數情況下隨顆粒粒徑的減小而減小。這說明，Ni-SiC復合鍍層含有較低的亞微米SiC顆粒的體積分數與含有較高的微米顆粒的體積分數的鍍層，其耐磨性是一樣的。滑動測試后通過磨損痕跡觀察到的磨蝕說明，碎片和被拉出的SiC顆粒如果繼續停留在滑動接觸面積

13、上，就會具有反作用。因此，由于共沉積于鍍鎳層中的SiC顆粒增多而導致的有益的硬度增加和相反的磨蝕效應之間展開了一場競爭。如金屬鑄模鍍層的硬度一樣，金屬鑄模鍍層的磨蝕隨著磨蝕顆粒的數量和粒徑的增大而增大。因此，在復合鍍層中，共沉積顆粒的粒徑的減小從兩個方面來說都是積極的。然而，共沉積顆粒的數量密度的增加雖然能產生更高的硬度和機械性能，卻也在滑動磨損期間增加了復合鍍層中被拉出的顆粒，從而增大了磨蝕。重新繪制圖1中的共沉積數據如電鍍液中和鍍層中的顆粒的數量密度ns， nc，結果見圖8。這樣看來，共沉積SiC顆粒的數量密度比電鍍液中顆粒的數量密度大1-100倍。共沉積效率，定義為鍍層中顆粒的數量密度與

14、電鍍液中顆粒的數量密度之比，當電鍍液中顆粒的數量密度減小時對于各粒徑的SiC顆粒來說該值隨著增大。更重要的事實是，共沉積效率隨著顆粒粒徑的減小而大幅增大。在圖8中可以注意到，當電鍍液中不同粒徑的顆粒的數量密度見例子5×1014和5×1017/m3給定時，共沉積顆粒的數量密度發生了突變。因此，與圖1中的明顯的結果相比，共沉積效率并不隨著顆粒粒徑的減小而減小。相反，當電鍍液中顆粒的數量密度給定時，共沉積效率隨顆粒粒徑的減小而增大。圖7. 含有三種不同粒徑SiC顆粒的Ni-SiC復合鍍層在雙向滑動測試下的體積磨損因數共沉積SiC顆粒的數量密度圖圖8. Ni-SiC復合鍍層中三種不

15、同粒徑SiC顆粒的數量密度懸浮于電鍍液中的顆粒的數量密度圖盡管使用的不同SiC顆粒都是高純度的，但仍然不能排除顆粒不僅在粒徑上的差異，更由于各自的起源而引起的不同的外表化學。因此，圖8的結果可歸因于外表化學的差異或粒徑依賴性的共沉積行為。為了區分這兩種二選一的解釋，建立了一種簡單模型，看是否有可能基于粒徑效應來解釋這樣的結果。鍍層中每單位體積的顆粒的數量密度nc，等于鍍層中每單位時間和外表積顆粒的數量nsª除以鍍層中每單位時間和外表積的體積增量V： 1體積增量由法拉第定律得到，考慮到了共沉積顆粒的作用，假設顆粒是單分散和球形的： 2這里F為法拉第常數，n為金屬離子的化合價，M和分別為

16、原子量和金屬密度，I為電流強度，d為共沉積顆粒的直徑。鍍層中顆粒的數量nsª等于電鍍液中顆粒的數量密度ns，引入的一個轉移速率A和一個概率P三個的乘積： 3這里A為每單位時間和外表積滲入電極的顆粒的總體積，P為顆粒停留和存在于陰極沉淀中的概率。轉移速率A和概率P很明顯是由電鍍槽的攪拌和流體力學決定的。把V 和nsª代入方程1，共沉積顆粒的數量密度變為： 4方程4只含有一個可變參數，即PA，這把到達陰極的顆粒數量A與這些顆粒停留在陰極上的概率P聯系在一起。然而，從我們的共沉積的實驗可知，分開測定這兩個因數是不可能的。對于在旋轉圓盤上進行的實驗，A與轉速的平方根成正比，而獲得更

17、多關于電鍍槽攪拌的影響的信息應該是可能的。在我們的實驗中，電鍍槽攪拌和電極配置是保持不變的，且假設轉移速率A也是不變的。方程4過去被用來擬合圖8的實驗數據的。圖9中的擬合數據是由變化的PA和顆粒的直徑值獲得。研究發現，三種顆粒粒徑的實驗數據僅在PA值為10-4m/s時能擬合。能得到最正確擬合的PA值10-4mm分別比生產商提及的粉體的粒徑5，0.7和0.3大。生產商說明的粒徑與擬合粒徑之間的差異是合理的。事實上，小顆粒容易聚集于高電離強度的電解質中16mm的多兩個數量級。這可以展望獲得電解復合鍍層中的分散效應的美好前景，且會有可喜的磨損特性。4. 總結Ni-SiC復合鍍層的磨損特性已說明是取決

18、于強化顆粒所占據的體積和其數量密度。不同顆粒含量的Ni-SiC復合鍍層的滑動磨損行為在單向和雙向滑動測試下是相同的。對于剛玉球上測試得到的最正確滑動耐磨性，Ni-SiCmSiC顆粒的體積分數為4-5%。共沉積顆粒的高體積分數或數量密度會降低耐磨性。顆粒粒徑的減小能以積極的方式影響耐磨性。這是由共沉積顆粒導致的有益的強化效應和被拉出顆粒的不利的磨蝕引起的。m的Ni-SiC的共沉積。研究發現，對于這個體系，當電鍍液中顆粒的數量密度給定時，共沉積SiC顆粒的數量密度隨顆粒粒徑的減小而增加。因此，小的SiC顆粒比大的更易沉積。以共沉積顆粒的數量密度和電鍍液中中顆粒的數量密度的聯系為根底，說明電鍍液中S

19、iC顆粒的粒徑和數量密度是共沉積過程中的重要參數。致謝 I.G.感謝歐洲委員會提供的瑪麗居里獎學金合同ERBFMBICT 983129。 J.F.感謝FWO-Vlaanderen提供的財政支持。其中局部工作受到FWO-Vlaanderen合同G.0337.98，比利時政府合同IUAP P4/33和歐洲委員會INMAN工程，合同BRPR - CT98 - 0788的資助。作者感謝V. Terzieva博士和X. Ye博士對實驗工作的協助。參考文獻1 J.R. Roos, J.P. Celis, J. Fransaer, C. Buelens, J. Met. 1990, 42, 60.2 J.

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