纳米复合电刷镀层的性能

镀层性能

镀  层  体  系

快镍

n-Al₂O₃/Ni

n-TiO₂/Ni

n-SiO₂/Ni

n-ZrO₂/Ni

n-SiC/Ni

n-Dia/Ni

硬度

硬质纳米颗粒的加入可以显著提高电刷镀层的硬度，且随镀液中加入纳米颗粒量的增加而增高，镀层的硬度存在极大值。图a为n-Al₂O₃/Ni复合电刷镀层显微硬度随镀液中的纳米颗粒含量变化的曲线。在镀液中n-Al₂O₃颗粒含量为30g/L时，镀层的显微硬度达到极大值，约为快镍(快速镍)电刷镀层的1.5倍。下表给出了纳米颗粒含量优化条件下几种镍基纳米复合电刷镀层的硬度

(a) 镀层显微硬度与镀液中纳米颗粒含量关系

硬度 HV

—

660~700

580~640

650~690

630~680

600~640

610~650

结合强度

为了提高电刷镀和纳米复合电刷镀层的结合强度，二者都必须制备打底层

试验测得，纳米复合电刷镀层的结合强度大于普通金属电刷镀层。图b是采用冲击法测得的几种电刷镀层的临界载荷。临界载荷越大，说明电刷镀层的结合强度越高。由图看出：未打底层的电刷镀层结合强度低；经打底后，电刷镀层的结合强度大幅度提高；复合电刷镀层的结合强度明显大于普通电刷镀层；复合电刷镀层的结合强度还与加入的纳米颗粒种类有关，n-SiC/Ni纳米复合电刷镀层的结合强度大于n-Al₂O₃/Ni纳米复合电刷镀层

(b) 冲击法测试的不同电刷镀层的临界载荷

Ni0和Ni1—未经和经过特殊镍打底的快镍镀层；

NA0，NA1—未经和经过特殊镍打底的n-Al₂O₃/Ni纳米复合电刷镀层；

NS1—经特殊镍打底的n-SiC/Ni纳米复合电刷镀层

耐磨性

纳米复合电刷镀层的耐磨性能是影响镀层实用性的重要因素。复合电刷镀层的耐磨性除与电刷镀工艺参数(电压、电流、温度、相对运动速度等)和基质镀液种类有关外，还与所加入纳米颗粒种类及其含量等因素有关

图c为n-Al₂O₃/Ni复合电刷镀层的磨损失重与镀液中纳米颗粒含量的关系。磨损失重越小，电刷镀层的耐磨性越好。由图看出，由于纳米颗粒的加入，复合电刷镀层的耐磨性明显优于快镍电刷镀层。在镀液中n-Al₂O₃颗粒含量为20g/L，n-Al₂O₃/Ni复合电刷镀层的耐磨性最好，比快镍电刷镀层提高约1.5倍。以快镍电刷镀层的相对耐磨性为1，下表给出了几种镍基纳米复合电刷镀层的相对耐磨性

(c) 磨损失重与镀液中纳米颗粒含量的关系

相对耐磨性

1

2.2~2.5

1.9~2.2

2.0~2.4

1.5~2.0

1.6~2.0

1.4~1.8

抗接触

疲劳性

是指其在循环载荷作用下抵抗破坏的能力。它与电刷镀层的硬度、结合强度、内聚强度、应力状态均有密切关系。纳米复合电刷镀层的抗接触疲劳强度直接受电刷镀工艺参数(电压、电流、温度、相对运动速度等)、基质镀液种类和纳米颗粒种类及含量等因素的影响。图d为n-Al₂O₃/Ni复合电刷镀层的抗接触疲劳特征寿命(载荷3000MPa)与镀液中纳米颗粒含量的关系。纳米颗粒含量为0的电刷镀层是普通快镍电刷镀层。抗接触疲劳特征寿命越长，说明镀层的抗接触疲劳性能越好。可以看出，普通快镍电刷镀层的抗接触疲劳性能较差，其抗接触疲劳特征寿命仅为10⁵周，n-Al₂O₃/Ni复合电刷镀层的抗接触疲劳特征寿命可达10⁶周；在n-Al₂O₃纳米颗粒含量为20g/L时，n-Al₂O₃/Ni复合电刷镀层的抗接触疲劳性能最好，其抗接触疲劳特征寿命可达到2×10⁶周。但是此后，随着纳米颗粒含量的增加，其抗接触疲劳性能急剧下降。下表为多次试验测试得到的几种镍基纳米复合电刷镀层在不同试验载荷条件下的抗接触疲劳特征寿命。结果表明：纳米复合电刷镀层的抗接触疲劳性能与加入的纳米颗粒材料种类有关；随试验载荷增大，纳米复合电刷镀层的抗接触疲劳寿命缩短

一定种类、一定含量的纳米颗粒能有效提高纳米复合电刷镀层的抗接触疲劳性能。纳米颗粒对复合电刷镀层抗接触疲劳性能的影响可能存在如下机制：①纳米颗粒的存在使得复合电刷镀层金属组织更加细小致密，其中存在大量晶界，对镀层起到晶界强化作用；②复合电刷镀层中弥散分布着大量纳米颗粒硬质点，对复合电刷镀层起到弥散强化作用，在接触疲劳循环载荷作用下，纳米复合电刷镀层中产生疲劳裂纹，镀层金属中的大量细小晶界和弥散分布的纳米颗粒能有效阻碍疲劳裂纹的扩展，从而提高其抗接触疲劳性能。但是，当镀液中纳米颗粒含量很高时，由于电刷镀液分散能力的限制，镀液中可能存在纳米颗粒团聚体，这些团聚的纳米颗粒沉积在复合电刷镀层中，很可能引发初始微裂纹，从而导致复合电刷镀层性能下降。有关这些机理的推断，尚无足够的实验证据，需进一步深入研究分析

(d) n-Al₂O₃/Ni复合电刷镀层的抗接触疲劳性能

几种纳米复合电刷镀层的抗接触疲劳特征寿命

10⁶周

镀层体系

3000MPa试验载荷

4000MPa试验载荷

快镍

1.20

0.92

n-Al₂O₃/Ni

1.98

1.20

n-SiO₂/Ni

1.48

1.34

n-TiO₂/Ni

1.47

0.94

n-ZrO₂/Ni^①

1.55

—

① 镀液中纳米颗粒含量为20g/L。

抗高温性

复合电镀层中的纳米颗粒可以有效阻碍涂层中的位错运动和微裂纹扩展，因此可在一定程度上对涂层所受载荷起到支撑作用，这直接表现为其高温硬度和高温耐磨性等的提高

图e给出了几种电刷镀层的硬度与温度的关系。图中曲线表明，n-Al₂O₃/Ni、n-SiC/Ni和n-Dia/Ni(金刚石)3种复合电刷镀层的硬度在各个温度下均高于快镍电刷镀层；快镍电刷镀层的硬度在高于200℃后即快速降低，当温度达250℃时，其硬度仅为300HV左右；几种复合电刷镀层的硬度直到温度达400℃时才表现出下降趋势，在500℃时，n-Al₂O₃/Ni复合电刷镀层的硬度仍高达450HV左右

图f分别给出了快镍电刷镀层和几种纳米复合电刷镀层在相同的微动磨损试验条件下磨痕深度随温度的变化曲线。图中表明在相同温度下，纳米复合电刷镀层的磨痕深度小于快镍电刷镀层的磨痕深度。这说明，由于纳米颗粒的加入，提高了纳米复合电刷镀层的高温耐磨性能。400℃时的复合电刷镀层的磨痕深度小于室温和200℃时的磨痕深度，这是由于复合电刷镀层在400℃条件下发生了再强化现象。同时，复合电刷镀层的高温耐磨性能与所用纳米颗粒种类有关。添加不同纳米颗粒的几种复合电刷镀层的耐磨性能由高到低的顺序排列为：n-Al₂O₃/Ni、n-SiC/Ni和n-Dia/Ni(金刚石)

一般地，金属电刷镀层只适宜在常温下应用。而纳米复合电刷镀层尤其是纳米n-Al₂O₃/Ni复合电刷镀层在400℃时仍具有较高硬度和良好的耐磨性，可以在400℃条件下工作

(e) 电刷镀层硬度与温度关系　　　　　　　　　　　　　　　　　(f) 电刷镀层磨痕深度与温度的变化曲线