王春圻，王超會，王超

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，大慶 163319；2.齊齊哈爾大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院）

目前不銹鋼材料因其較強(qiáng)的耐腐蝕性能被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，但由于耐磨性和顯微硬度等諸多缺點，限制了其使用壽命。表面工程技術(shù)能夠滿足這一要求，表面工程技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于生活中的諸多方面，表面工程技術(shù)常用的技術(shù)包括堆焊技術(shù)、熔結(jié)技術(shù)、電鍍技術(shù)等[1-4]，選擇使用電鍍技術(shù)對不銹鋼進(jìn)行表面改進(jìn)，是由于目前電鍍技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)廣泛且成熟[5]。電鍍技術(shù)中鉻鍍層可有效提升不銹鋼材料的耐磨性能和顯微硬度且表面光亮[6]，但由于制備過程中產(chǎn)生的環(huán)境污染限制了其工業(yè)化生產(chǎn)，F(xiàn)e－CoNi 合金鍍層在對不銹鋼材料實施保護(hù)的同時滿足安全綠色無污染的工業(yè)化生產(chǎn)條件，因此選擇使用FeCoNi 合金鍍層對不銹鋼進(jìn)行保護(hù)具有更大的研究意義[7-8]。根據(jù)納米復(fù)合電鍍技術(shù)原理[9-11]，在鍍層中加入具有一定特性的納米顆?？梢蕴岣咤儗拥男阅躘12]，比如納米氧化鋁顆粒和納米SiC 顆粒等。由于納米高嶺土制備過程簡單且具備結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等特性[13]，因此選擇采用納米高嶺土對FeCoNi 合金鍍層的耐摩擦性能進(jìn)行提高，并探究了制備FeCoNi-Nk復(fù)合鍍層的最佳工藝參數(shù)電流密度和溫度這兩個因素。

1 材料和方法

1.1 實驗材料

采用304 不銹鋼作為基體，高嶺土。

1.2 主要試劑儀器

主要試劑：電鍍液：40 g·L-1硫酸鈉（NiSO4·6H2O），10g·L-1氯化鈉（NiCl2·6H2O），20 g·L-1硫酸亞鐵（FeSO4·7H2O），20 g·L-1硫酸鈷（CoSO4·7H2O），20g·L-1檸檬酸鈉（C6H5Na3O7），15g·L-1硼酸（H3BO3），0.2g·L-1十二烷基硫酸鈉（C12H25SO4Na），5 g·L-1糖精鈉（C7H5NO3SNa），0.5 g·L-1納米高嶺土（Al2O3·2SiO2·2H2O）；電鍍工藝參數(shù)：電流密度15 A·dm-2，pH=5，電鍍溫度55 ℃，攪拌速度200 r·min-1，電鍍時間30 min。

主要儀器：賽多利斯科學(xué)儀器有限公司的BS223S 電子分析天平，常州榮華儀器制造有限公司的DF-Ⅱ集熱式磁力加熱攪拌器，上海一恒科學(xué)儀器有限公司的BGZ-140 電熱鼓風(fēng)干燥箱，香港龍威儀器儀表有限公司的LW-1580KD 高精度直流穩(wěn)壓穩(wěn)流開關(guān)電源，上海鉅晶精密儀器制造有限公司的HV-1000IS 圖像分析顯微硬度儀，蘭州中科凱華科技開發(fā)有限公司的HSR-2M 高速往復(fù)摩擦磨損試驗機(jī)，上海儀天科學(xué)儀器有限公司的JA2103N 電子分析天平，上?？茖?dǎo)超聲儀器有限公司的SK3300H 超聲機(jī)，株式會社日立制作所的S-4700 掃描電鏡儀。

1.3 實驗方法

1.3.1 納米高嶺土的制備

研究中使用的納米高嶺土是將高嶺土粉末在醋酸鉀飽和溶液中攪拌24 h，再超聲處理1 h，隨后加入無水乙醇洗去溶液中的醋酸鉀，離心得到沉淀為納米高嶺土。

1.3.2 FeCoNi-Nk 復(fù)合鍍層的制備

圖1 為不銹鋼基體預(yù)處理的過程，經(jīng)過該流程后的基體再進(jìn)行電鍍。電鍍裝置如圖2 所示。

圖1 電鍍前預(yù)處理流程圖Fig.1 Flow chart of pretreatment before electroplating

圖2 電鍍裝置圖Fig.2 Device diagram of electroplating

（1）打磨拋光：使用碳化硅（SiC）砂紙對不銹鋼塊表面進(jìn)行打磨拋光，拋光是為了將不銹鋼基體表面的油脂雜質(zhì)清理干凈，同時使用高目數(shù)的砂紙將表面拋光，這一過程是為了鍍層的表面完成度更好，也防止電鍍過程中出現(xiàn)尖端放電的現(xiàn)象。

（2）清洗：將打磨過后的基體放在盛有丙酮溶液的燒杯中，基體要完全浸沒在丙酮溶液中，將燒杯放入超聲清洗機(jī)中進(jìn)行常溫清洗15 min，將打磨后機(jī)體表面殘留的鋼渣清理掉。隨后將基體拿出放入烘干箱中烘干。

（3）化學(xué)除油：將烘干后的基體放入化學(xué)除油液中80 ℃浸泡30 min。化學(xué)除油是利用堿溶液對油脂的皂化作用，已去除油脂的一種方法。

（4）酸浸：將基體從化學(xué)除油液中取出，使用去離子水沖洗基體，再將基體放入酸浸蝕液中進(jìn)行常溫浸泡20 min，完成后將基體清洗干凈后再次放入烘干箱中烘干。在這一步之后要使用螺旋測微器測量鍍層的厚度，單位為mm，每個樣品分別測量五個不同的位置，取其平均值，該數(shù)值為電鍍前的基體厚度。

（5）活化-閃鍍鎳：過程使用了李陽[14-15]研究的電解活化-沖擊鍍鎳工藝對基體進(jìn)行活化處理和閃鍍鎳。這一工藝縮減了預(yù)處理的時間的同時，也使鍍層與基體結(jié)合得更緊密。此過程結(jié)束后快速用去離子水沖洗基體，隨后直接將基體放入鍍液中，開始電鍍FeCoNi-Nk 復(fù)合鍍層。

（6）電鍍流程：①按照上文的電鍍液配方稱量出所需的材料，加水加熱溶解，備用；②將電鍍裝置上的溫度和電流調(diào)試至目標(biāo)數(shù)值；③不銹鋼基體經(jīng)過圖1 所示的預(yù)處理之后立刻連接上陰極電線，放入電鍍液中，開啟電源，進(jìn)行電鍍。

電鍍條件：電流密度分別設(shè)置為10 A·dm-2、15 A·dm-2、20 A·dm-2和25 A·dm-2，溫度分別設(shè)置為45、50、55 和60 ℃，納米高嶺土濃度為0.5 g·L-1，pH=5，pH 是使用pH 試紙測試得到的，攪拌速度為200 r·min-1，電鍍時間均為30 min。

1.3.3 摩擦磨損實驗的測試

通過此測試能夠得到鍍層的摩擦系數(shù)、磨損量和磨損形式。實驗過程是施加載荷為3 N，摩擦?xí)r間為10 min，轉(zhuǎn)速為200 r·min-1，旋轉(zhuǎn)摩擦為單向旋轉(zhuǎn)摩擦，在室溫下進(jìn)行。摩擦磨損實驗結(jié)束后用表面輪廓儀對磨損痕跡進(jìn)行測試，記錄下測量得到的磨痕寬度，每個樣品測量5 次，分別取平均值。研究主要通過磨損量、摩擦系數(shù)、磨痕寬度和磨痕形貌來分析鍍層的耐磨性能。其中磨損量是由電子分析天平稱重摩擦磨損實驗前后的試樣的重量差；摩擦系數(shù)是由摩擦磨損實驗得到的摩擦系數(shù)圖譜取平穩(wěn)時摩擦系數(shù)值的平均數(shù)；磨痕寬度是由表面輪廓儀測出來的；磨痕形貌通過掃描電鏡圖對比分析。

1.3.4 單流密度單因素試驗

實驗的單因素變量為電流密度，電流密度分別設(shè)置為10、15、20 和25 A·dm-2，其他工藝參數(shù)都保持一致，實驗設(shè)定溫度為55 ℃，納米高嶺土濃度為0.5 g·L-1，pH=5，pH 是使用pH 試紙測試得到的，攪拌速度為200 r·min-1，電鍍時間均為30 min。

1.3.5 溫度單因素試驗

研究探究了鍍液溫度對鍍層的影響情況，單因素變量為溫度。根據(jù)查閱文獻(xiàn)和多次實驗總結(jié)出了溫度的大概變化范圍，溫度分別設(shè)置為45、50、55 和60 ℃，其他因素都保持一致，實驗設(shè)定電流密度為15 A·dm-2，納米高嶺土濃度為0.5 g·L-1，pH=5，攪拌速度為200 r·min-1，電鍍時間均為30 min。

1.3.6 指標(biāo)測試

研究主要通過磨損量、摩擦系數(shù)、磨痕寬度和磨痕形貌來分析鍍層的耐磨性能。其中磨損量是由電子分析天平稱重摩擦磨損實驗前后的試樣的重量差；摩擦系數(shù)是由摩擦磨損實驗得到的摩擦系數(shù)圖譜取平穩(wěn)時摩擦系數(shù)值的平均數(shù)；磨痕寬度是由表面輪廓儀測出來的；磨痕形貌通過掃描電鏡圖對比分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 單流密度對鍍層耐磨性能的影響

圖3 為在相同載荷和相同時間的條件下，不同電流密度的FeCoNi-Nk 復(fù)合鍍層干摩擦磨損量的變化曲線。圖中展示的是不同電流密度下制備的Fe－CoNi-Nk 復(fù)合鍍層的磨損量分別為2.2、0.7、0.8 和1.1 mg。圖4 為在相同載荷和相同時間的條件下，不同電流密度的FeCoNi-Nk 復(fù)合鍍層干摩擦摩擦系數(shù)的變化曲線。能夠明顯觀察到鍍層摩擦系數(shù)根據(jù)電流密度變化的變化趨勢與上圖3 中磨損量的變化趨勢一致，也是電流密度為15 A·dm-2時，摩擦系數(shù)最小，摩擦系數(shù)越小說明鍍層的耐磨性能就越好。這里只考慮摩擦系數(shù)得出的制備FeCoNi-Nk 復(fù)合鍍層的最佳電流密度值為15 A·dm-2。

圖3 不同電流密度的FeCoNi-Nk 復(fù)合鍍層磨損量的變化曲線Fig.3 Variation curve of FeCoNi-Nk composite coatings weight less with different current density

圖4 不同電流密度的FeCoNi-Nk 復(fù)合鍍層摩擦系數(shù)的變化曲線Fig.4 Variation curve of average friction coefficient of FeCoNi-Nk composite coatings with different current density

圖5 為不同電流密度下制備出來的FeCoNi-Nk的表面形貌圖，圖中包括磨擦磨損實驗的磨痕形貌，并標(biāo)出了磨痕的寬度。

圖5 不同電流密度的FeCoNi-Nk 復(fù)合鍍層磨痕寬度（a-d）Fig.5 Wear track images of FeCoNi-Nk composite coatings with different current density

在圖5 中首先能夠看到的是不同電流密度時制備的FeCoNi-Nk 復(fù)合鍍層的表面形貌，圖5（a）中能夠看到鍍層出現(xiàn)了明顯的裂紋，由于這些微裂紋的出現(xiàn)，導(dǎo)致該鍍層在受到摩擦?xí)r就會脫離基體，這些裂紋導(dǎo)致了鍍層與機(jī)理的結(jié)合度大大降低，因此從電流密度的角度分析，10 A·dm-2并不能作為制備FeCoNi-Nk 復(fù)合鍍層的最佳電流密度。圖5（b）中的鍍層磨痕寬度為305.8 μm，是圖5（b-d）中磨痕寬度最小的，由于磨痕寬度越小說明鍍層的耐磨性能越好，當(dāng)電流密度為15 A·dm-2時制備的鍍層磨痕寬度最小，所以這里暫時認(rèn)為15 A·dm-2為制備FeCoNi-Nk 復(fù)合鍍層的最佳電流密度。從圖5（c、d）中能夠看出隨著電流密度的增加，鍍層沒有再出現(xiàn)脫落，說明了電流密度對鍍層的結(jié)合度也有一定的影響。

2.2 溫度對鍍層耐磨性能的影響

圖6為在相同載荷和相同時間的條件下，不同鍍液溫度的FeCoNi-Nk 復(fù)合鍍層干摩擦磨損量的變化曲線。圖中FeCoNi-Nk 復(fù)合鍍層的干摩擦磨損量分別為0.6、0.8、0.4 和1.2 mg，很明顯地能夠觀察到溫度為55 ℃時的磨損量最少，鍍層的磨損量減少說明鍍層的耐磨性能在提高，所以對于鍍層的磨損量這一方面來說，制備FeCoNi-Nk 復(fù)合鍍層的最佳溫度為55 ℃。

圖7為在相同載荷和相同時間的條件下，不同鍍液溫度下制備的FeCoNi-Nk 復(fù)合鍍層干摩擦?xí)r摩擦系數(shù)的變化曲線。明顯看到也是溫度為55 ℃時，摩擦系數(shù)最小，達(dá)到了0.5。根據(jù)查閱文獻(xiàn)可知鍍層的摩擦系數(shù)越低，鍍層的耐摩擦性能越高，也就是摩擦系數(shù)與鍍層的耐磨性能成反比，因此實驗的最佳溫度為55 ℃。

圖7 不同溫度的FeCoNi-Nk 復(fù)合鍍層摩擦系數(shù)的變化曲線Fig.7 Variation curve of average friction coefficient of FeCoNi-Nk composite coatings at different temperatures

圖8 為不同鍍液溫度下制備的FeCoNi-Nk 復(fù)合鍍層的掃描電鏡圖，圖中能夠觀察到鍍層表面形貌和磨痕寬度和狀態(tài)，從圖中能夠觀察到圖8（c）溫度為55 ℃時制備的FeCoNi-Nk 復(fù)合鍍層的磨痕寬度為302.3 μm，獲得了較低的磨痕寬度。同時能夠看到圖8（c）中磨痕內(nèi)存在許多顆粒和犁溝，通過這一現(xiàn)象可以判斷當(dāng)溫度為55 ℃時，F(xiàn)eCoNi-Nk 復(fù)合鍍層的磨損形式為磨粒磨損。通過圖8 中各圖的對比，圖8（a、b 和d）的磨痕形貌中幾乎沒有犁溝出現(xiàn)，這三個圖中的磨痕形貌中都出現(xiàn)了剝落和分層的痕跡，有摩擦碎片在表面粘附，可以證明這三個鍍層的摩擦形式為粘著磨損。而對比圖8（c）當(dāng)溫度為55 ℃時FeCoNi-Nk 復(fù)合鍍層的磨損形式為磨粒磨損，該磨損形式較粘著磨損來說，耐磨性能更強(qiáng)。因此在只考慮磨痕形貌的角度時，暫時推斷55 ℃為制備Fe－CoNi-Nk 復(fù)合鍍層的最佳溫度。

圖8 不同溫度的FeCoNi-Nk 復(fù)合鍍層的磨痕寬度（a-d）Fig.8 Wear mark width of FeCoNi-Nk composite coatings at different temperatures

電鍍實驗的時間經(jīng)過多次實驗，多數(shù)實驗的時間超過30 min 時，鍍層表面就能肉眼觀察到粗糙顆粒，由于所以確定了實驗電鍍時間均采用30 min。

結(jié)合以上實驗結(jié)果，總結(jié)出最佳的FeCoNi-Nk復(fù)合鍍層的制備條件為溫度55 ℃、電流密度為15 A·dm-2、納米高嶺土濃度為0.5 g·L-1、攪拌速度為200 r·min-1、pH=5 以及電鍍時間為30 min。

3 討論

目前已經(jīng)有很多納米復(fù)合鍍層采用不溶性納米微粒進(jìn)行改良，對鍍層的耐磨性、耐蝕性和耐高溫等性能都有一定程度的提高[16-21]。但大多數(shù)納米微粒的成本較高，制備過程復(fù)雜，在經(jīng)典的FeCoNi 鍍層的基礎(chǔ)上加入納米高嶺土進(jìn)行改良，而實驗采用的納米高嶺土是經(jīng)過簡單的處理而得到的，且納米高嶺土在我國物產(chǎn)豐富，因此成本較低[22-23]。實驗在降低了制備成本的同時提高了FeCoNi 鍍層的耐磨性能。其中納米高嶺土之所以可以提高FeCoNi 鍍層的耐磨性能一方面是由于納米高嶺土屬于納米微粒，納米微粒對鍍層的提高主要在于晶粒細(xì)化、彌散強(qiáng)化和位錯強(qiáng)化這三點[11]；另一方面是由于高嶺土特殊的層片狀結(jié)構(gòu)，在摩擦磨損的實驗中，納米高嶺土?xí)掣皆谀Σ粮钡谋砻?，對摩擦副進(jìn)行表面覆蓋的同時也自動在樣品表面也形成一層結(jié)構(gòu)較為均一穩(wěn)定的保護(hù)膜，從而提高FeCoNi-Nk 復(fù)合鍍層的耐磨性能。實驗的易操作性和節(jié)約成本是有助于后續(xù)實驗進(jìn)行。

4 結(jié)論

在電鍍液中加入超聲插層法制備得到的納米高嶺土，采用復(fù)合電鍍技術(shù)制備了FeCoNi-Nk 復(fù)合電鍍涂層，對比了FeCoNi 合金鍍層和FeCoNi-Nk 復(fù)合電鍍涂層的摩擦學(xué)性能。根據(jù)各影響因素對FeCoNi-Nk 復(fù)合電鍍涂層的顯微硬度和耐摩擦性能的影響情況，分析出了最佳的FeCoNi-Nk 復(fù)合電鍍涂層的工藝參數(shù)為：溫度55 ℃、電流密度為15 A·dm-2、納米高嶺土濃度為0.5 g·L-1、攪拌速度為200 r·min-1、pH=5 以及電鍍時間為30 min。磨損量減少到0.4 mg，摩擦系數(shù)減小到0.5，這些變化都能夠證明FeCoNi-Nk復(fù)合電鍍涂層的耐摩擦性能得到了提升。