張 銀，康 敏,2，傅秀清,2，李恒征 ，劉運通

(1. 南京農業(yè)大學 工學院，南京 210031；2. 江蘇省智能化農業(yè)裝備重點試驗室，(南京農業(yè)大學) 南京 210031)

隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的純鎳鍍層性能很難滿足某些苛刻環(huán)境下的特殊要求，近年來如何改善鍍層綜合性能逐漸成為熱點[1].電化學沉積法工藝方法靈活，電沉積層具有高密度、低孔隙率等優(yōu)點，是提高鍍層耐磨性能的有效手段[2].與單一金屬鍍層相比，復合鍍層具有更高的硬度及更優(yōu)的耐磨性[3].Ni-P合金鍍層具有較高硬度、優(yōu)異的耐磨及耐腐蝕性能，王穎等[4]發(fā)現(xiàn)，氣缸表面制備的Ni-P合金鍍層具有良好的耐蝕性.與Ni-P合金鍍層相比，Ni-Co-P由于Co元素的摻入可細化結晶，膜層均勻且耐蝕性好[5]；在提供優(yōu)異磁學性能和杰出耐燒結性的同時，還可以增加壓坯的疲勞強度[6].納米顆粒與合金鍍層共沉積可以獲得性能更優(yōu)的納米復合鍍層，張含卓等[7]、曾憲光等[8]、鄭興文等[9]、胡佳[10]對Ni-Co-P合金及其納米復合鍍層的結構與性能進行了相關研究.

目前，一元納米復合電沉積技術已經成熟，部分學者開展了二元納米復合鍍層的研究.王蘭等[11]通過化學鍍法制備了Ni-P-SiC-MoS2二元復合鍍層，發(fā)現(xiàn)該鍍層的耐磨減摩性能優(yōu)于Ni-P-SiC和Ni-P-MoS2復合鍍層.何杰等[12]發(fā)現(xiàn)，Ni-ZrO2-CeO2二元納米復合鍍層表面光滑且晶粒細小，顯微硬度最高，耐磨性能得到提高.郜聆羽等[13]發(fā)現(xiàn)，加入CNTs和SiC兩種顆粒，在發(fā)揮SiC的硬質顆粒作用的同時也發(fā)揮了CNTs的自減摩作用，耐磨性能明顯提高.納米BN(h)能降低復合鍍層表面的摩擦系數(shù)，納米Al2O3可以提高零件表面的顯微硬度.目前，對于二元納米復合電沉積技術尤其是電沉積Ni-Co-P-BN(h)-Al2O3二元納米復合鍍層表面組織結構及其耐磨性的研究未見報道，且一些領域對納米復合鍍層的機械及力學性能提出了更高要求.

因此，本文從細化晶粒提高涂層性能的角度出發(fā)，采用電化學沉積法制備含有自潤滑顆粒Ni-Co-P-BN(h)、硬質顆粒Ni-Co-P-Al2O3及同時含有兩種顆粒Ni-Co-P-BN(h)-Al2O33種納米復合鍍層，研究不同納米顆粒質量濃度及其混雜配比對納米復合鍍層的表面組織結構與耐磨性的影響，為進一步改善材料表面綜合性能提供基礎.

1 實 驗

1.1 納米復合鍍層的制備

使用的BN(h)納米顆粒純度為99.9%，平均粒度為50 nm；Al2O3納米顆粒的純度為99.9%，平均粒徑為30 nm.試驗時，先在燒杯中放入適量去離子水，然后將稱量好的BN(h)、Al2O3納米顆粒放入燒杯中，一起超聲波分散5 min；靜置潤濕24 h后，再次進行超聲波分散25 min；最后，將分散后的納米顆粒懸浮液加入配置好的Ni-Co-P基礎鍍液中.

試驗采用單因素的設計方法，研究不同質量濃度的BN(h)顆粒、不同質量濃度的Al2O3顆粒以及二元納米(BN(h)+Al2O3)混雜配比對納米復合鍍層的表面形貌、物相結構、顯微硬度及耐磨性的影響.選用單因素試驗表，以BN(h)顆粒質量濃度、Al2O3顆粒質量濃度以及二元納米(BN(h)+Al2O3)混雜配比為可控因素，因素水平如表1所示.

表1 試驗因素與水平

1.2 樣品表征

采用Quanta FEG 250掃描電鏡、能譜儀X Flash Detector 5030(BRUKER)和X′ert Power X射線衍射儀(荷蘭帕納科公司)，對納米復合鍍層的表面形貌及物相結構進行觀察分析.X射線衍射儀測定參數(shù)為：Cu靶，射線波長λ=0.015 406 nm，掃描角度10°～90°，步長0.02°.利用司特爾顯微硬度儀(Struers)對納米復合鍍層表面顯微硬度進行測試，采用單點測量模式，試驗載荷2 N，加載時間10 s，顯微硬度結果取10次測定數(shù)據(jù)的平均值.利用CFT-1型材料表面性能綜合測定儀(蘭州中科凱華科技)測試納米復合鍍層的摩擦系數(shù)，摩件是直徑4 mm的GCr15合金球，加載載荷3.2 N，轉速500 r/min，摩擦時間30 min，往復行程4 mm，結果取4次試驗的平均值.利用激光共聚焦顯微鏡(日本奧林巴斯株式會社OLS4100)觀測納米復合鍍層磨損后的三維形貌圖，用電子天平(賽多利斯科學儀器北京有限公司)稱量樣品磨損前后的質量.

2 結果與分析

2.1 納米顆粒含量對鍍層表面形貌的影響

圖1為不同納米BN(h)顆粒含量下Ni-Co-P-BN(h)復合鍍層的表面形貌.

圖1 不同納米BN(h)顆粒質量濃度下Ni-Co-P-BN(h)復合鍍層的表面形貌

Fig.1 Surface appearance of Ni-Co-P-BN(h) composite coatings with different nano BN(h) particles concentrations

通過圖1對比可知，隨著BN(h)顆粒質量濃度從4 g/L增加到16 g/L，Ni-Co-P-BN(h)復合鍍層表面形貌雖有不同程度的變化，但結構致密連續(xù)，無明顯氣孔和裂紋等缺陷.此外，Ni-Co-P-BN(h)復合鍍層呈現(xiàn)出典型的包狀結構.隨著BN(h)顆粒質量濃度的增加到16 g/L時，鍍層表面無脊狀結構，包狀結構明顯增大.這可能是因為BN(h)顆粒含量較高時，易發(fā)生顆粒團聚；且降低電鍍液的電導率，減小了沉積速率，導致包狀結構明顯增大.

圖2為不同納米Al2O3顆粒質量濃度下Ni-Co-P-Al2O3復合鍍層的表面形貌.

圖2 不同納米Al2O3顆粒質量濃度下Ni-Co-P-Al2O3復合鍍層的表面形貌

Fig.2 Surface appearance of Ni-Co-P-Al2O3composite coatings with different nano Al2O3particles concentrations

由圖2可知，當Al2O3顆粒質量濃度從4 g/L增加到12 g/L時，Ni-Co-P-Al2O3復合鍍層的表面形貌雖有不同程度的變化，但鍍層結構致密連續(xù)，無明顯氣孔和裂紋等缺陷；當Al2O3顆粒質量濃度繼續(xù)增加到16 g/L時，Ni-Co-P-Al2O3復合鍍層呈現(xiàn)出與Ni-Co-P-BN(h)復合鍍層完全不同的包狀結構，且鍍層的包狀結構更加均勻一致，尺寸更小.這可能是因為：1)Al2O3是硬質微粒，BN(h)是自潤滑微粒，兩種顆粒本身性質不同；2)Al2O3平均粒徑為30 nm，BN(h)平均粒徑為50 nm，兩種顆粒大小尺寸不同.

2.2 不同配比對復合鍍層表面、橫截面形貌及物相結構的影響

圖3為兩種納米混雜配比下Ni-Co-P-BN(h)-Al2O3二元納米復合鍍層的表面和橫截面形貌.由圖3可知：當混雜配比為2 g/L的BN(h)+6 g/L的納米顆粒Al2O3時，鍍層表面無氣孔缺陷，鍍層厚度為18.08 μm，整體質量較好；當混雜配比為6 g/L的BN(h)+2 g/L的納米顆粒Al2O3時，鍍層表面呈現(xiàn)“菜花”狀的包狀結構，與Ni-Co-P-BN(h)和Ni-Co-P-Al2O3復合鍍層的包狀結構截然不同，鍍層厚度變化不明顯，但均勻性降低；當混雜配比為4 g/L的BN(h)+4 g/L的納米顆粒Al2O3時，鍍層表面較為平整，鍍層厚度最大為19.20 μm，且出現(xiàn)兩種不同的塊狀結構鑲嵌在鍍層里.

分析認為，BN(h)和Al2O3納米顆粒的添加與單顆粒在陰極表面的弱吸附過程達到飽和時的狀態(tài)不同，出現(xiàn)了由兩種顆粒構成的一種新飽和狀態(tài)，導致Ni-Co-P-BN(h)-Al2O3二元納米復合鍍層微觀形貌及厚度發(fā)生變化.

圖4為兩種納米顆?；祀s配比下Ni-Co-P-BN(h)-Al2O3二元納米復合鍍層的XRD衍射譜圖，可以看出，二元納米復合鍍層的主要成分是(111)面、(200)面和(220)面上的Ni-Co合金.

圖3 不同納米混雜配比下Ni-Co-P-BN(h)-Al2O3二元納米復合鍍層的表面(a,c,e)和橫截面形貌(b,d,f)

Fig.3 Surface (a,c,e) and cross section (b,d,f) appearance of Ni-Co-P-BN(h)-Al2O3binary nano composite coatings with different nano mix proportions

這可能是由于Ni原子和Co原子具有相似的尺寸，當鍍層中Co的原子數(shù)分數(shù)低于65%時，Ni原子和Co原子形成了單一的α相固溶體所致[14].由圖4可知：當混雜配比為2 g/L的BN(h)+6 g/L的納米Al2O3時，表現(xiàn)出納米Al2O3顆粒的特征峰；當混雜配比為4 g/L的BN(h)+4 g/L的納米Al2O3時，鍍層中表現(xiàn)出的納米Al2O3顆粒的特征峰(2θ=25.564°、35.096°、52.562°、57.481°)更加明顯.并且，Ni-Co-P-BN(h)-Al2O3二元納米復合鍍層生長晶面以(111)為主，表現(xiàn)出明顯的結晶取向.這是因為金屬Ni的結晶取向不僅與晶面生長方向和生長速度有關，同時還受結晶體的生長模式競爭的影響[15].電沉積加工過程中，兩種顆粒適當?shù)幕祀s配比，在促成結晶體多種生長方式出現(xiàn)的同時，也改變了結晶體生長模式的競爭.

圖4 不同納米顆粒質量濃度混雜配比下Ni-Co-P-BN(h)-Al2O3二元納米復合鍍層的XRD譜圖

Fig.4 XRD spectrum of Ni-Co-P-BN(h)-Al2O3binary nano composite coatings with different nano mix proportions

表2為兩種不同納米顆?；祀s配比下Ni-Co-P-BN(h)-Al2O3鍍層中Ni(111)元素的粒徑數(shù)據(jù)，其中FWHM為半峰全寬，D為鍍層中垂直于晶面的平均晶粒尺寸.

表2 Ni-Co-P-BN(h)-Al2O3二元納米復合鍍層中Ni(111)元素的粒徑

Table 2 Grain size of Ni(111) element in Ni-Co-P-BN(h)-Al2O3binary nano composite coatings

ParticleconcentrationofBN(h)+Al2O/(g·L-1)2θ/(°)θ/(°)FWHMD/nm2+444.55722.2790.51551.7894+444.48822.2440.39467.6516+244.49822.2490.34377.743

由表2和謝樂公式計算Ni(111)元素的平均粒徑為65.728 nm，且當混雜配比為2 g/L的BN(h) +6 g/L的納米Al2O3時，Ni-Co-P-BN(h)-Al2O3鍍層中Ni(111)元素的粒徑最小為51.789 nm.結合表3可知，這可能是因為該混雜配比下制備的Ni-Co-P-BN(h)-Al2O3鍍層中Co元素的質量分數(shù)最大達到6.83%，使得鍍層中晶粒更加細化.

圖5為Ni-Co-P-BN(h)-Al2O3二元納米復合鍍層的EDS能譜圖.由圖5和表3可以看出，所制備的二元納米復合鍍層表面均含有Ni、Co、P、N、O、Al等元素，且各元素的質量分數(shù)隨著兩種顆?；祀s配比的改變也相應變化.當混雜配比為4 g/L的BN(h)+4 g/L的納米Al2O3時，鍍層中Al和O元素的質量分數(shù)最大，分別為25.60%、10.39%；隨著納米BN(h)的質量濃度從2 g/L增加到6 g/L，鍍層中N元素的質量分數(shù)從0.50%增加到0.76%，原子數(shù)分數(shù)從1.28%增加到2.43%.這表明，采用電沉積法制備了Ni-Co-P-BN(h)-Al2O3二元納米復合鍍層，且兩種顆粒適當?shù)幕祀s配比有利于提高復合鍍層中納米顆粒含量.

圖5 Ni-Co-P-BN(h)-Al2O3二元納米復合鍍層的EDS能譜分析

Fig.5 EDS of Ni-Co-P-BN(h)-Al2O3binary nano composite coatings

2.3 納米顆粒質量濃度對鍍層顯微硬度及耐磨性能的影響

納米顆粒質量濃度對鍍層顯微硬度的影響試驗結果如圖6所示.從圖6(a)可以看出：隨著BN(h)質量濃度的增加，鍍層平均顯微硬度呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢；且當納米BN(h)質量濃度為8 g/L時，Ni-Co-P-BN(h)復合鍍層的平均顯微硬度最大達到692.1 HV0.2.分析認為，納米BN(h)顆粒的質量濃度過低時，被基質金屬所包裹的顆粒也隨之減少，強化效果不明顯.隨著納米BN(h)微粒質量濃度的增加，與基體表面接觸的活性微粒增多，它們之間產生吸附的機會變得更大，導致包埋到Ni-Co-P合金鍍層中的微粒變得更多[16]；較高復合量的納米微粒有效起到了彌散強化和細晶強化作用，改善了Ni-Co-P-BN(h)復合鍍層的結構與致密程度，進而提高了顯微硬度[17].但當納米BN(h)的質量濃度超過一定值后，就會超過 Ni-Co-P 合金的包覆能力，顆粒易于凸出于鍍層表面，反而減小了鍍層硬度[18].

從圖6(b)可以看出：隨著Al2O3質量濃度從4 g/L增加到12 g/L時，Ni-Co-P-Al2O3復合鍍層的平均顯微硬度整體上變化不明顯；但當納米Al2O3質量濃度增加到16 g/L時，Ni-Co-P-Al2O3復合鍍層的平均顯微硬度明顯降低為669.6 HV0.2.原因分析如下：1)Al2O3顆粒本身就具有較高的強度[19]；2)納米級的Al2O3彌散分布于鍍層中，降低了鍍層的孔隙率[20]，阻礙了位錯的運動，起到了彌散強化的作用[21].因此，與Ni-Co-P-BN(h)復合鍍層相比，納米Al2O3與Ni-Co-P合金鍍層共沉積得到的Ni-Co-P-Al2O3復合鍍層的顯微硬度整體較大.隨著納米Al2O3添加量的繼續(xù)增加，Ni-Co-P-Al2O3復合鍍層平均顯微硬度反而降低.這可能是因為當其添加量過大時，引起鍍層表面析氫現(xiàn)象嚴重，使鍍層沉積速率減小，對鍍層厚度產生不利影響[22]，降低了鍍層顯微硬度.

表3 不同納米顆粒質量濃度混雜配比下Ni-Co-P-BN(h)-Al2O3 二元納米復合鍍層中元素含量

圖6 納米顆粒BN(h)(a)和Al2O3(b)質量濃度對鍍層顯微硬度的影響

納米顆粒質量濃度對鍍層摩擦系數(shù)的影響結果如圖7所示.從圖7(a)可以看出，試驗范圍內，隨著BN(h)質量濃度的增加，Ni-Co-P-BN(h)復合鍍層的摩擦系數(shù)呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢；當納米BN(h)質量濃度為8 g/L時，Ni-Co-P-BN(h)復合鍍層的摩擦系數(shù)最小.摩擦系數(shù)降低的程度與鍍層中復合硬質顆粒的尺寸、數(shù)量及均勻性有關.硬質顆粒越多、越細小且分布越均勻，其對摩擦系數(shù)的降低越明顯[23].分析認為，納米BN(h)顆粒質量濃度過低或過高時，鍍層顯微硬度均會降低，表明顆粒質量濃度過低或過高都不利于納米顆粒與合金鍍層的共沉積，使得摩擦系數(shù)增大.另外，這可能是BN(h) 粒子本身具有自潤滑性能，在外加載荷作用下形成一種固體潤滑膜[24]，當納米BN(h)的質量濃度為8 g/L時，鍍層中共沉積的顆粒較多，使得摩擦系數(shù)明顯降低.

從圖7(b)可以看出，試驗范圍內，隨著Al2O3質量濃度從4 g/L增加到12 g/L時，Ni-Co-P-Al2O3復合鍍層的摩擦系數(shù)增大；但當納米Al2O3質量濃度增加到16 g/L時，Ni-Co-P-Al2O3復合鍍層的摩擦系數(shù)變化幅度整體較大.這可能是因為：1)鍍層中納米顆粒含量和鍍層的表面形貌同時影響鍍層的摩擦系數(shù)[25]，結合圖2可知，當納米Al2O3質量濃度增加到16 g/L時，鍍層表面呈現(xiàn)出典型的包狀結構；2)由于摩擦磨損實驗機的上試件與鍍層之間相互擠壓和摩擦，鍍層破損，產生磨屑，隨著時間的延長，磨屑增多，導致摩擦系數(shù)劇烈變化[26].

納米顆粒質量濃度對鍍層磨痕寬度和磨損質量的影響分別如圖8和表4所示.從圖8(a)～(d)及表4可以看出：試驗范圍內，隨著BN(h)質量濃度的增加，Ni-Co-P-BN(h)復合鍍層磨痕寬度和磨損質量呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢；且當納米BN(h)質量濃度為8 g/L時，Ni-Co-P-BN(h)復合鍍層磨痕寬度最小為404.237 μm，磨損量最小為17.0 mg/h.合金鍍層的耐磨性主要由鍍層顯微硬度和摩擦系數(shù)決定；鍍層顯微硬度越高，耐磨性越好；摩擦系數(shù)越小，耐磨性越好[27].結合上文可知，當納米BN(h)的質量濃度為8 g/L時，Ni-Co-P-BN(h)復合鍍層的顯微硬度最大，摩擦系數(shù)最小，磨痕寬度最窄及磨損質量最小，說明鍍層表面質量越好，耐磨性越好[28].

圖7 不同納米顆粒質量濃度對鍍層摩擦系數(shù)的影響

圖8 納米顆粒質量濃度對鍍層磨痕寬度的影響

從圖8(e)～(h)及表4可以看出，試驗范圍內，隨著Al2O3質量濃度從4 g/L增加到16 g/L時，Ni-Co-P-Al2O3復合鍍層的磨痕寬度整體趨勢增大，磨損質量逐漸增大；當納米Al2O3質量濃度增加到16 g/L時，Ni-Co-P-Al2O3復合鍍層的磨痕寬度最大，為428.957 μm，磨損量最大，為19.6 mg/h.電沉積鍍層的顯微硬度與其磨損率有對應關系，鍍層的顯微硬度越高，其磨損率越低[29].由上文可知，隨著鍍液中納米Al2O3質量濃度從4 g/L增加到12 g/L時，Ni-Co-P-Al2O3復合鍍層顯微硬度整體變化不明顯，表明此時Ni-Co-P-Al2O3復合鍍層磨痕寬度主要受鍍層摩擦系數(shù)的影響.納米Al2O3顆粒質量濃度為4 g/L時，鍍層磨痕寬度(336.254 μm)微大于8 g/L的磨痕寬度(313.849 μm)；但當納米Al2O3質量濃度為4 g/L時，Ni-Co-P-Al2O3復合鍍層的摩擦系數(shù)最小，犁溝較淺，磨損質量最小，故鍍層耐磨性能最好.

表4 不同納米顆粒質量濃度時復合鍍層的磨損量

2.4 兩種顆?；祀s配比對二元納米復合鍍層顯微硬度及耐磨性能的影響

兩種顆?；祀s配比對Ni-Co-P-BN(h)-Al2O3二元納米復合鍍層顯微硬度的影響試驗結果如圖9所示.結合圖6和圖9可以看出，試驗范圍內，Ni-Co-P-BN(h)-Al2O3二元納米復合鍍層的顯微硬度大于Ni-Co-P-BN(h)和Ni-Co-P-Al2O3納米復合鍍層；且當混雜配比為4 g/L的BN(h)+4 g/L的納米Al2O3時，Ni-Co-P-BN(h)-Al2O3二元納米復合鍍層平均顯微硬度最大達到753.6 HV0.2.分析認為，二元納米復合鍍層顯微硬度提高原因：1)BN(h)是自潤滑微粒，而Al2O3是硬質微粒，不同性質的納米顆粒之間產生相互作用；2)BN(h)和Al2O3兩種納米顆粒的添加與單一顆粒在陰極表面的弱吸附過程達到的飽和狀態(tài)不同，出現(xiàn)了由兩種顆粒構成的一種新飽和狀態(tài)[30].

圖9 不同納米混雜配比對Ni-Co-P-BN(h)-Al2O3二元納米復合鍍層顯微硬度的影響

Fig.9 Influence of nano mix proportion on microhardness of Ni-Co-P-BN(h)-Al2O3binary nano composite coating

結合圖9和表2可知，當混雜配比為2 g/L的BN(h)+6 g/L的納米Al2O3時，Ni-Co-P-BN(h)-Al2O3鍍層中Ni(111)粒徑最小，但鍍層顯微硬度相對降低.結合表3可知，這可能是因為當混雜配比為4 g/L的BN(h)+4 g/L的納米Al2O3時，鍍層中Al和O元素的質量分數(shù)最大，鍍層中顆粒含量的影響較大，從而提高了鍍層表面顯微硬度.因此，兩種不同大小納米顆粒夾雜在金屬基質中，在提高Ni-Co-P-Al2O3-BN(h)二元納米復合鍍層表面形貌和致密性的同時，也提高了鍍層表面的顯微硬度.

兩種顆?；祀s配比對Ni-Co-P-BN(h)-Al2O3二元納米復合鍍層摩擦系數(shù)的影響試驗結果如圖10所示.

圖10 不同納米混雜配比對Ni-Co-P-BN(h)-Al2O3二元納米復合鍍層摩擦系數(shù)的影響

Fig.10 Influence of nano mix proportion on frictional coefficient of Ni-Co-P-BN(h)-Al2O3binary nano composite coating

從圖10可以看出，當混雜配比為4 g/L的BN(h)+4 g/L的納米Al2O3時，Ni-Co-P-BN(h)-Al2O3二元納米復合鍍層摩擦系數(shù)開始均急劇升高，之后逐漸穩(wěn)定，即存在明顯的“磨合”階段(即從摩擦開始時摩擦系數(shù)較高，到經過一段時間的磨損后，摩擦系數(shù)趨于穩(wěn)定的過程)進入穩(wěn)定[31].分析認為，隨著摩擦磨損的進行，鍍層表面磨屑不斷增多，且磨屑包含兩種不同大小顆粒；在磨痕處堆積到一定程度后，在壓應力的作用下產生塑性變形，使得摩擦阻力增大，因而導致摩擦系數(shù)較大][32].

兩種顆?；祀s配比對Ni-Co-P-BN(h)-Al2O3二元納米復合鍍層磨痕寬度和磨損質量的影響試驗結果如圖11及表5所示，可以看出：兩種顆?；祀s配比對二元納米復合鍍層耐磨性能有較大影響；當混雜配比為4 g/L的BN(h)+4 g/L的納米Al2O3時，Ni-Co-P-Al2O3-BN(h)二元納米復合鍍層磨痕寬度最小達到134.327 μm，磨損量最小達到9.2 mg/h.分析認為，在鍍層與對磨件的摩擦過程中，顆?？梢云鸬街纬休d的作用，減小摩擦表面上的粘著面積；且納米Al2O3硬質顆粒在摩擦過程中還可起到抵抗塑性變形、阻礙磨料運動、終止磨痕擴展等作用，從而提高了復合鍍層的抗粘著磨損和磨料磨損的能力，延緩鍍層的破壞速率[33].

表5 不同納米顆粒混雜配比下的Ni-Co-P-BN(h)-Al2O3二元納米復合鍍層的磨損量

Table 5 Wear loss of Ni-Co-P-BN(h)-Al2O3binary nano composite coatings with different nano mix proportions

BN(h)+Al2O3顆粒質量濃度/(g·L-1)磨前質量m1/g磨后質量m0/g磨損量(m1-m0)/(mg·h-1)2+612.936312.930212.24+413.056413.01589.26+212.964012.957213.6

圖11 不同納米混雜配比對Ni-Co-P-BN(h)-Al2O3二元納米復合鍍層磨痕寬度的影響

當混雜配比為2 g/L的BN(h)+6 g/L的納米Al2O3、6 g/L的BN(h)+2 g/L的納米Al2O3時，磨痕變淺，且鍍層上有一些不均勻分布的較深的暗色磨痕，這是由于硬質微粒Al2O3和自潤滑微粒BN(h)同時脫落形成的磨粒磨損所致，磨損機制為磨粒磨損與粘著磨損的混合形式[34].

結合上文可知，當混雜配比為4 g/L的BN(h)+4 g/L的納米Al2O3時，二元納米復合鍍層顯微硬度最大，磨痕寬度最小，磨損質量最小，故耐磨性能最好.鍍層磨痕變窄，犁溝變淺，表面粘著物逐漸較少，說明鍍層的磨損機理是由粘著磨損逐漸轉變?yōu)槟チ夏p[35].鍍層的磨損機理產生了變化，故鍍層耐磨性能得到顯著提高[36].

3 結 論

1)不同納米顆粒質量濃度及其混雜配比對納米復合鍍層表面微觀形貌和物相結構有重要影響.三種納米復合鍍層結構致密連續(xù)，無明顯氣孔和裂紋等缺陷；Ni-Co-P-BN(h)和Ni-Co-P-Al2O3納米復合鍍層表面呈現(xiàn)出典型的包狀結構，混雜配比后Ni-Co-P-BN(h)-Al2O3二元納米復合鍍層表面呈現(xiàn)“菜花”狀的包狀結構.二元納米復合鍍層均存在(111)面、(200)面和(220)面，且晶面主要成分是Ni-Co合金；混雜配比后Ni-Co-P-BN(h)-Al2O3二元納米復合鍍層表現(xiàn)出明顯的納米Al2O3顆粒的特征峰.

2)試驗范圍內，當納米BN(h)和Al2O3均為8 g/L時，Ni-Co-P-BN(h)與Ni-Co-P-Al2O3鍍層的平均顯微硬度最大，分別為692.1和712.3 HV0.2；且納米顆粒質量濃度過低或過高，均會使鍍層的顯微硬度降低，不利于納米顆粒與合金鍍層的共沉積.兩種顆粒合適的混雜配比有利于提高納米復合鍍層的顯微硬度，且當混雜配比為4 g/L的BN(h)+4 g/L的納米Al2O3時，Ni-Co-P-Al2O3-BN(h)二元納米復合鍍層的平均顯微硬度最大達到753.6HV0.2.

3)試驗范圍內，與Ni-Co-P-BN(h)和Ni-Co-P-Al2O3復合鍍層相比，兩種顆粒混雜配比后，使鍍層的磨損機理發(fā)生了變化；當混雜配比為4 g/L的BN(h)+4 g/L的納米Al2O3時，Ni-Co-P-BN(h)-Al2O3二元納米復合鍍層的磨損機理是為磨料磨損，鍍層磨損量最小達到9.2 mg/h.Ni-Co-P-BN(h)-Al2O3二元納米復合鍍層中共沉積的納米Al2O3、BN(h)顆粒充分發(fā)揮了二元納米粒子協(xié)同生長的優(yōu)勢，使得鍍層具有較好的耐磨性能.