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Ni-P复合镀层制备及其摩擦力学特性分析

作　者: 胡斌梁
导　师: 谭援强
学　校: 湘潭大学
专　业: 一般力学与力学基础
关键词: 脉冲电沉积复合镀层摩擦磨损性能耐蚀性能有限元模拟
分类号: TG174.4
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

Ni-P合金镀层具有镀液稳定、操作简单、耐磨耐蚀性能优良以及性价比高等特点,在电子、机械、化学化工等工业领域中获得了广泛应用。但是,随着现代科学技术的快速发展,单一镀层材料难以满足复杂恶劣工况条件下对材料性能的要求,多元多功能Ni-P复合镀层材料正日益引起人们的重视。本文研究工作以纳米三氧化二铝和六方氮化硼为分散相,采用脉冲电沉积方式制备Ni-P复合镀层,利用SEM、XRD以及EDS等手段分析镀层的结构,同时采用Tafel线性外推法、电化学交流阻抗以及摩擦磨损实验等手段对镀层的耐蚀及摩擦学性能进行评价。为了探索复合镀层的失效机理,本文对Ni-P/纳米Al₂O₃复合镀层划痕过程进行了有限元模拟,分析了涂层中应力分布规律,获得了涂层可能产生裂纹的位置和模式。采用脉冲电沉积方法制备Ni-P复合镀层的适宜工艺条件为：pH值4.0,脉冲频率1500Hz,占空比0.2,电流密度5A/dm2,镀液温度50℃,镍磷镀液中分散相Al₂O₃或BN（h）悬浮量为20g/L,表面活性剂为聚乙烯醇。Ni-P复合镀层热处理前为非晶态结构,经200℃热处理后镀层内析出少量的Ni₅P₄和Ni₁₂P₅等亚稳相,镀层结构仍为非晶态,300℃热处理80分钟后镀层内开始析出少量稳定的Ni₃P相,镀层为非晶态与晶态混合组织,400℃热处理80分钟后,镀层中Ni₁₂P₅等亚稳相消失,主要为Ni₃P相,镀层已完全晶化。与Ni-P合金镀层对比,Al2O3、BN（h）固体颗粒阻滞了镀层中第二相的析出速度,使晶化时间延长。当热处理温度不变时,随着热处理时间的延长,Ni-P复合镀层的显微硬度先增大后减小,出现一个硬度峰值；提高镀层的热处理温度,达到硬度峰值所需要的热处理时间缩短。载荷为30N,转动速度为100r/min时,Ni-P/纳米Al₂O₃和Ni-P/BN（h）复合镀层与淬火45钢对摩时的摩擦因数分别为0.2、0.08,2种复合镀层的耐磨性能比Ni-P合金镀层显著提高,Ni-P复合镀层具有优异的摩擦学性能。在低载荷和低转速条件下,复合镀层的磨损机理为轻微磨粒磨损,在高载荷和高转速条件下,表现为疲劳磨损与磨粒磨损的混合磨损机理。2种Ni-P复合镀层在3.5%NaCl和10%H₂SO₄腐蚀介质中的耐蚀性能均优于Ni-P合金镀层；热处理后复合镀层在3.5%NaCl溶液中的耐蚀性能发生了改变,300℃热处理后的复合镀层耐蚀性能最好,而400℃热处理后的耐蚀性能降低,出现了轻微的点蚀；随着浸泡时间的延长,Ni-P/BN（h）复合镀层的耐蚀性先升高后降低。铝液与Ni-P/纳米Al₂O₃复合镀层的湿润性较差。铝液在Ni-P/纳米Al203复合镀层表而只发生界面反应,产生较薄的金属化合物AlP或Al₃Ni层,不利于铝液在复合镀层上的铺展。因此,Ni-P/纳米Al203复合镀层表现出良好的耐铝侵蚀性能。划痕过程可以分为划针尖端压入涂层表面、划针在涂层表面上滑动和划针升高等三个阶段。前两个阶段由于划针尖端对涂层表面的作用,在涂层表面形成划痕,在涂层中产生局部高应力;划针升高后在涂层中留下了较大的残余应力。应力分析表明当划针尖端压入涂层后,由于基底的塑性变形,在划针尖端周边的接触边缘区域会产生堆积变形,在堆积的顶点,径向应力和第一主应力具有最大拉应力；在接触中心之下,涂层/基底界面上的对应点,径向应力、第一和第二主应力会出现最大拉应力：划针尖端压入涂层后在涂层表面滑动时,划针尖端的前面,涂层会产生最大的堆积,在堆积区域的顶点,沿滑动方向的正应力和第一主应力出现了最大拉应力；划针尖端压入涂层深度越大,基底塑性变形越大,堆积就会越高,在堆积区沿着滑动方向的正应力和第一主应力就会越大;对于涂层为弹性变形,基底为弹塑性变形的涂层结构,划痕过程产生的残余应力主要集中在划痕结束时划针尖端之下的涂层/基底界面区域,以及划针尖端前面的堆积区,残余应力的最大值主要存在于涂层表面和基底/涂层界面的涂层中,这些最大残余应力均是拉应力。根据应力的分布规律,在划痕过程中涂层产生裂纹主要会出现在划针尖端前面堆积区的表面和划针与涂层接触区之下的涂层/基底界面上,这些区域内最大应力都是拉应力,相应地会产生第一型裂纹。由于在划痕后,在涂层中存在较大的残余应力,即使划痕结束后,在涂层中仍然有可能引起新裂纹和原有裂纹扩展。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-13
第1章绪论  13-24
  1.1 引言  13-14
  1.2 复合电沉积机理及应用  14-17
    1.2.1 复合电沉积机理  14-16
    1.2.2 复合镀层的应用  16-17
  1.3 电沉积复合镀层的研究进展  17-22
    1.3.1 纳米复合电沉积的研究  17-19
    1.3.2 脉冲电沉积复合镀层的研究  19-22
  1.4 涂层划痕过程的有限元模拟  22-23
  1.5 本课题的研究内容  23-24
第2章实验材料及测试方法  24-29
  2.1 实验材料及设备  24-25
    2.1.1 实验材料和化学试剂  24
    2.1.2 实验设备  24-25
    2.1.3 实验装置  25
  2.2 试验方法  25-26
    2.2.1 工艺流程  25-26
    2.2.2 复合镀层的热处理  26
  2.3 测试分析方法  26-29
    2.3.1 镀层的显微硬度  26
    2.3.2 镀层的沉积速率  26
    2.3.3 镀层的组织结构  26
    2.3.4 镀层的摩擦磨损性能  26-27
    2.3.5 镀层的耐腐蚀性能  27
    2.3.6 镀层的电化学性能  27-28
    2.3.7 Ni-P/纳米Al_2O_3复合镀层的耐铝液侵蚀性能  28-29
第3章脉冲电沉积Ni-P复合镀层的工艺研究  29-44
  3.1 Ni-P合金镀层的脉冲电沉积工艺  29-35
    3.1.1 脉冲频率对Ni-P合金镀层的影响  29-30
    3.1.2 占空比对Ni-P合金镀层的影响  30-32
    3.1.3 电流密度对Ni-P合金镀层的影响  32-33
    3.1.4 温度对Ni-P合金镀层的影响  33-34
    3.1.5 pH值对Ni-P合金镀层的影响  34-35
  3.2 脉冲电沉积Ni-P复合镀层的工艺研究  35-39
    3.2.1 表面活性剂对Ni-P复合镀层组织的影响  35-36
    3.2.2 镀液中第二相颗粒含量对复合镀层结构的影响  36-38
    3.2.3 镀液中第二相颗粒含量对复合镀层显微硬度的影响  38-39
  3.3 Ni-P复合镀层的热处理工艺研究  39-43
    3.3.1 热处理对Ni-P复合镀层的组织结构的影响  39-41
    3.3.2 热处理对Ni-P复合镀层显微硬度的影响  41-43
  本章小结  43-44
第4章 Ni-P/纳米Al_2O_3复合镀层的摩擦磨损与耐蚀性能  44-56
  4.1 Ni-P/纳米Al_2O_3复合镀层的摩擦磨损性能  44-47
    4.1.1 纳米Al_2O_3含量对复合镀层摩擦磨损性能的影响  44-45
    4.1.2 载荷对Ni-P/纳米Al_2O_3复合镀层摩擦磨损性能的影响  45-47
    4.1.3 转速对Ni-P/纳米Al_2O_3复合镀层摩擦磨损性能的影响  47
  4.2 Ni-P/纳米Al_2O_3复合镀层的耐腐蚀性能  47-53
    4.2.1 Ni-P合金镀层的耐腐蚀性能  47-50
    4.2.2 Ni-P/纳米Al_2O_3复合镀层的耐腐蚀性能  50-52
    4.2.3 Ni-P-纳米Al_2O_3复合镀层的极化曲线  52-53
  4.3 Ni-P/纳米Al_2O_3复合镀层的耐铝液侵蚀性能  53-54
  本章小结  54-56
第5章 Ni-P/BN(h)复合镀层的摩擦磨损与耐蚀性能  56-71
  5.1 Ni-P/BN(h)复合镀层的摩擦磨损性能  56-60
    5.1.1 BN(h)含量对复合镀层摩擦磨损性能的影响  56-58
    5.1.2 载荷对复合镀层的摩擦磨损性能的影响  58-59
    5.1.3 转速对复合镀层的摩擦磨损性能的影响  59-60
  5.2 Ni-P/BN(h)复合镀层的耐腐蚀性能  60-61
  5.3 Ni-P/BN(h)复合镀层在3.5%NaCl溶液中的极化曲线分析  61-63
  5.4 Ni-P/BN(h)复合镀层在3.5%NaCl溶液中的阻抗谱分析  63-69
    5.4.1 浸泡前Ni-P/BN(h)复合镀层的阻抗谱分析  63-65
    5.4.2 腐蚀时间对Ni-P/BN(h)复合镀层的阻抗谱的影响  65-69
  本章小结  69-71
第6章 Ni-P/纳米Al_2O_3复合镀层划痕过程有限元模拟  71-92
  6.1 力学模型的建立  71-74
  6.2 复合镀层划痕实验  74-75
  6.3 复合镀层划痕的三维有限元模型  75-77
  6.4 划针压入时的应力分析  77-81
  6.5 划针尖端滑动时的应力分析  81-86
  6.6 划针升高1mm后的残余应力分析  86-91
  本章小结  91-92
第7章结论与展望  92-94
  7.1 结论  92-93
  7.2 展望  93-94
参考文献  94-99
附录  99-100
致谢  100

Ni-P复合镀层制备及其摩擦力学特性分析

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