毕设论文电刷镀NiZrO纳米复合镀层及其磨损腐蚀性能研究

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1、 密级： NANCHANG UNIVERSITY 学 士 学 位 论 文 THESIS OF BACHELOR（20112015年） 题 目 电刷镀Ni-ZrO2纳米复合镀层及其磨损腐蚀性能研究 学 院： 机电工程学院 系 机械工程系 专业班级： 机械设计制造及其自动化116班 学生姓名： 学号： 指导教师： 职称： 副教授 起讫日期： 2015.3.2-2015.6.7 南 昌 大 学学士学位论文原创性申明本人郑重申明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果。对本文的研究作出重要贡献的

2、个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期：学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在 年解密后适用本授权书。本学位论文属于 不保密。（请在以上相应方框内打“”）作者签名： 日期：导师签名： 日期：摘 要电刷镀Ni-ZrO2纳米复合镀层及其磨损腐蚀性能研究 摘 要纳米复合镀是20世纪90年代兴

3、起的一种新型材料表面改性技术，它用纳米颗粒代替了普通复合镀中所使用的微米颗粒，是复合镀的发展趋势。本文采用纳米电刷镀技术在Q235基体表面镀覆Ni-ZrO2纳米复合镀层，重点对添加了不同浓度的ZrO2纳米颗粒镀层的性能进行分析。纳米电刷镀制备过程包括试验前预处理（打磨、电净、活化）、镀打底层、镀复合镀层三步。在镀复合镀层阶段，控制反应温度50，pH值6，通过控制电量来控制镀层厚度。制备成功的镀层经洗净、烘干后进行检测。从镀层表面形貌、摩擦摩损性能和耐腐蚀性能三个方面重点研究在镀液中添加不同浓度ZrO2纳米颗粒对镀层性能的影响。试验表明，当添加的ZrO2纳米颗粒浓度较低时（0.5 g/L-1.5

4、 g/L），试件的摩擦系数、磨损量和划痕宽度均保持在一个较小的范围内；当ZrO2纳米颗粒浓度较高（2.0 g/L）时，试件的摩擦系数、磨损量和划痕宽度明显增大。在耐腐蚀性能方面，采用静态浸泡失重法测腐蚀量。试验表明，随着ZrO2纳米颗粒浓度的增加，其耐腐蚀性也不断提高。关键词：镍基复合镀层；纳米电刷镀；二氧化锆；耐磨损性能；耐腐蚀性能IAbstractResearch for Wearing Resistance and Corrosion Resistance of Ni-ZrO2 Nano-composite Coatings Prepared by Brush Electroplatin

5、gAbstractNano-composite plating,which occurred in the 90s of 20 century,is a novel surface-finishing method of materials,wherein microparticles used in composite plating were substituted by nano-particles.It is the trend of composite plating.We use the method of nano-composite brush plating coated w

6、ith Ni-ZrO2 nano-composite coatings on Q235 substrate in this paper,and mainly analyzed Ni-ZrO2 nano-composite coatings performance with different ZrO2 content. The preparation for nano-composite coatings include three steps,such as pretreatment(polishing,electro-clean and activate),nickel pre-plate

7、 and preparation of Ni-ZrO2 nano-composite coatings.We should keep 50,pH = 6 and electric quantity to control thickness.After we prepared Ni-ZrO2 nano-composite coatings successfully,we need wash and dry it,then detect it.We studied major in Ni-ZrO2 nano-composite coatings which from three aspects i

8、nclude surface performance,wearing resistance and corrosion resistance from different ZrO2 content.And that ,we studied wearing resistance also from three aspects ,such as friction factor,wearing value and scratch width.We found its good for coatings wearing resistance when density of ZrO2 between 0

9、.5 g/L and 1.5 g/L;its bad for coatings wearing resistance obviously when density of ZrO2 exceed 2g/L.And we research corrosion resistance by the method of static immersion.we found as density of ZrO2 increased,corrosion resistance increased follow.Keyword：nickel composite coating;nano-composite ele

10、ctro-brush plating;zirconium dioxide;wearing resistance;corrosion resistanceIIII目 录目 录摘 要IAbstractII目 录I第一章 绪 论11.1选题意义、背景11.2电刷镀技术概况21.2.1电刷镀技术的发展历程21.2.2电刷镀技术原理31.2.3电刷镀技术特点41.2.4电刷镀技术应用51.3纳米材料在电刷镀技术中的应用51.3.1纳米材料的基本特征51.3.2纳米材料的研究历史61.3.3纳米材料在镀层中的沉积机理61.4本论文的研究目的和主要内容7第二章 电刷镀镍基纳米镀层的制备技术与工艺参数82.1

11、 镍基镀层制备的试验仪器82.1.1 电刷镀电源82.1.2 真空干燥箱92.1.3 电子分析天平92.1.4 超声波搅拌机102.2 镍基镀层的制备流程112.2.1 试验前预处理112.2.2 镍基镀层的制备122.3 工艺参数的选择132.3.1 镀液的酸碱度132.3.2 镀层制备的反应温度132.3.3 电源电压的选择142.3.4 镀层制备反应时间的选定142.4 试验原料的选择及配比142.4.1 基体材料的选择及尺寸142.4.2 化学试剂的选择及配比152.4.3 纳米颗粒的选择及尺寸172.4.4 分散剂的分散原理与选择18第三章 纳米电刷镀镀层的性能检测方法193.1 镍

12、基镀层的检测仪器与检测原理193.1.1 镀件摩擦系数的检测及原理193.1.2 镀件磨损量测量方法的选取203.1.3 镀件划痕宽度测量及方法203.1.4 镀件耐腐蚀性能检测213.1.5 X光谱衍射仪测镀层元素含量213.1.6 镀层表面组织与形貌观测213.2 镍基镀层的检测流程213.2.1 摩擦性能检测试验流程213.2.2 镀层的磨损量测试223.2.3 试样划痕宽度测试223.2.4 X光谱衍射测镀层元素含量流程223.2.5 镀层的表面组织与形貌观测流程233.2.6 镀层的耐腐蚀性测试流程23第四章 电刷镀镍基二氧化锆纳米镀层性能分析244.1 XRD分析244.2 SEM

13、分析254.3 摩擦磨损性能分析264.3.1 镀层表面摩擦系数264.3.2 镀层摩擦试验磨损量294.3.3 镀层划痕宽度304.4 耐腐蚀性能分析30第五章 总结与展望325.1 结论325.2 展望32参考文献34致 谢36第一章 绪 论第一章 绪 论1.1选题意义、背景进入20世纪，航空、电子、机械、化工、冶金及核能等现代工业得到了飞速的发展，在这些现代工业不断技术革新的过程中，涉及的工业装备面对着高强度的工作压力，材料的表面极易在高强度的工况下发生破坏，从而导致整个零件的失效，同时也对这些工业装备零部件的硬度、耐磨、耐腐蚀等表面性能提出了新的考验。断裂、磨损和腐蚀是工程结构和机械零

14、件主要的三种失效形式，工业强大的发展态势，使机械装备长时间服役在沉重的工作压力下，导致大量的零件因断裂、磨损和表面腐蚀严重而报废，造成严重的经济损失。据相关数据显示，机械制造中磨损、腐蚀直接或间接引起30%的能源消耗。锈蚀和其他腐蚀上也致使的世界上10%钢铁总量损耗1。冶金和机电产品提前失效，70%的原因也归因于磨损与腐蚀。在这些严重的经济浪费压力下，经过专家学者们的不断努力，最终探索出了一条再制造的新道路。这种新学科是将因长期服役造成腐蚀、磨损而报废的零件进行表面修复，重新的恢复其工作服役能力。在讲究绿色环保、节能减排、节约能源的21世纪，再制造势必成为工业发展的主力。近几十年，随着再制造概

15、念的提出，表面工程技术应势迅速发展，这些新兴表面工程技术已经广泛的应用在工业生产中，专家学者们也不断的对其进行深入的研究2。电刷镀技术作为表面工程技术的代表，广泛的应用在现代工业的各个领域，近些年获得的飞快的进展，从单一的电刷镀技术发展到复合电刷镀技术，复合电刷镀技术是将不溶性颗粒加入到镀液中，使得到的复合镀层具有特殊的表面性能，一方面原因是添加的不溶性颗粒具有优异的耐腐蚀和抗磨损等特性，其形成在镀层表面使得镀层表面具有添加颗粒本身性能，另一方面原因是当不溶性颗粒均匀的分散到镀层时对镀层起到弥散强化作用，从而也能够提供镀层表面的耐磨，耐腐蚀性能。复合电刷镀技术又随着纳米技术的不断革新，发展成为

16、纳米复合电刷镀技术。由于纳米材料具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应等特点，所以纳米材料本身会比其他材料的强度和硬度要高，纳米颗粒的加入进一步提供了镀层的表面性能3。纳米复合镀技术巧妙的将纳米材料和复合镀技术联系在一起，对表面工程技术产生了重大意义，纳米复合电刷镀技术成为了复合镀领域新焦点，目前，纳米复合电刷镀技术的研究和开发，已列入了全国装备维修改革项目和973项目4。1.2电刷镀技术概况1.2.1电刷镀技术的发展历程电刷镀技术是由最初的槽镀（电镀）衍生的，起先人们运用法拉第电解定律电化学沉积的方法，把工件放到镀槽中，使镀液中的金属离子还原在镀件表面来改良工件的表面性能，我们将这种技术称为

17、“电镀”技术5-6。后来人们想到用电镀的方法来对工件的局部进行修复或改良，但电镀技术要依附于承载镀液的镀槽，其技术装备笨重，不灵活，难以实现人们对于不同工况的需求。所以人们把单纯电镀技术发展到了电刷镀技术。电刷镀技术原理与电镀相同，都是通过电化学沉积的方法，将镀液中的金属离子还原到工件表面。电刷镀技术始于国外，在十九世纪末期由于镀工发现电镀有电镀缺陷，用棉花和包布缠绕阳极上，浸泡镀液，将镀液蘸到有缺陷表面进行电镀补救。后来这种方式被叫作为了“棉塞团电镀”7。而后法国人在不断的研究中发明了镀笔，进而使得对于电刷镀技术的研究进一步深入，美国是最早推广电刷镀技术的国家，在二十世纪中期，美国大量的专家

18、学者开始对电刷镀技术进行研究，并应用于工业，在此期间，复合电刷镀技术也应世出现，美国人A.Simos成为了世界上第一个被授权复合电刷镀技术的人，美国对电刷镀设备和技术的发展做出了巨大的贡献，继美国之后，英国、瑞士、前苏联、日本等国家也对电刷镀技术进行推广研究。电刷镀技术在二十世纪五十年代电刷镀技术才转到中国，七十年代我国的高研院校开始研究复合电刷镀技术，并取得了一定成绩，主要有哈尔滨工业大学研制Ni-SiC、Fe-A12O3、Fe-SiC复合镀层；天津大学研制Ni-金刚石复合镀层与一些具有电接触功能的复合镀层。随着改革开放政策大力推进我国科学技术的研究，电刷镀技术也开始迅速发展起来。人们对电刷

19、镀工艺、镀层、设备的研究也不断深入。八十年代初，武汉材保所对Cu-氟化石墨和Ni-氟化石墨复合电镀进行研究。九十年代，昆明理工大学对多元复合镀层进行研究，并成功研制出RE-Ni-W-P-SiC、RE-Ni-W-P-B4C- PTFE等多性能复合镀层6-8。近年来我国各先进单位和高等院校在电刷镀技术上不断取得进步，并在国际学术舞台上积极活跃，使得我国电刷镀技术不断的在现代工业的各大领域拓展和应用。在绿色友好的大环境下，国家政府也对电刷镀技术的发展十分看重，多次将电刷镀技术列入国家发展计划中。目前，由于电刷镀技术在生活中的广泛应用，使人们看到了电刷镀技术带来巨大的经济效益。对于电刷镀技术本身，各专

20、家学者仍然对其潜力进行不断的研究和挖掘。1.2.2电刷镀技术原理电刷镀技术与电镀技术在技术原理上基本相同，主要区别在设备和工艺上，其技术原理还是电化学氧化还原反应过程，电刷镀的原理如图1-1。电刷镀技术采用的供应电源为特制的直流电源，其正极连接镀笔（作为电刷镀的阳极），其负极连接工件（作为电刷镀的阴极），镀笔通常采用石墨材料，外面包裹上棉花和涤棉套，采用石墨作阳极的原因，是金属阳极在发生氧化还原反应的时候易损失，石墨不会9。刷镀时将镀笔浸满镀液，并施以加一定压力使得在镀笔与在工件表面产生相对运动。在电场力的作用下镀液中的金属离子从镀液慢慢扩散到工件表面，并在工件表面发生氧化还原反应，金属离子被

21、还原成原子，在工件表面沉积结晶，形成镀层。随着电刷镀时间的增加，镀层逐渐增厚，通过监控电源电量及来控制镀层厚度。图1-1 电刷镀原理图以下为电刷镀过程中金属离子在阴极发生的电结晶的步骤：（1）镀液中金属离子向阴极表面或附近移动。（2）与阴极的交换电子：Mn+n e- M，金属离子放电被还原成金属原子。（3）原子在晶格中排列，晶核生长成金属原子。镀液中金属离子被还原后，会在镀层晶体表面发生不规则的热运动，在此过程中由于被还原的原子不断增多，原子之间聚集形成晶核，在阴极表面不断沉积。原子的聚集是使得晶核尺寸增大，当其大于某一临界值时，就会形成晶粒。随着刷镀过程的持续进行，晶粒之间相互连接成片形成镀

22、层。1.2.3电刷镀技术特点电刷镀技术衍生于普通电镀技术，其本身工作原理相近，都是在镀层表面发生氧化还原反应，形成人们所需要的具有各种特性的镀层。但刷镀和普通电镀技术在工艺、设备及流程细节之处还是有所不同，电刷镀技术根据有优势，具体体现在如下10：（一）工艺上的特点：（1）由于镀液是通过循环管不断浇灌在工件表面，使得离子会及时供应在工件表面，离子沉积速度也会大大增加。（2）由于刷镀是在镀笔和工件相互运动处，发生氧化还原反应的，所以我们可以通过控制镀笔的位置来控制镀层形成位置，而且方便观察镀层表面生产情况，控制镀层厚度。（3）工件和镀笔的相对运动以及镀笔对工件表面施加的压力，限制了晶粒的排列和成

23、长，所以会形成的晶粒细化和高密度位错表面强化的镀层，对镀层表面性能起到强化作用。（二）电刷镀设备特点（1）设备装置简单，电刷镀技术所用装备要比普通电镀用到的设备精巧很多，电刷镀只用到专用直流电源、镀笔、转台等体积较小器件，而普通电镀，所需要的镀槽就十分庞大，所以电刷镀技术更适于现场使用和野外抢修。（2）主要采用高纯细石墨作为阳极，镀笔可以根据需要制成各种形状，以适应工件的表面形状。（3）电刷镀技术多数为局部刷镀，所以设备用电量、用水量相对较少。（三）电刷镀镀液特点（1）一般情况下都是采用金属有机络合物水溶液作为电刷镀镀液，由于络合物具有良好的稳定性和水中溶解度大的性质，所以电刷镀镀液中的金属离

24、子浓度将远远高于槽镀镀液13。（2）大多数镀液呈近中性，无毒，弱腐蚀性，便于配置、携带、操作、存储。一般不会对人体造成伤害，保障了操作安全。1.2.4电刷镀技术应用目前，电刷镀技术作为主流的表面工程技术，广泛的应用在工程机械废旧零部件的修复工作中。目前机械工程领域中，大多数废旧零部件的主要失效形式是磨损，而且一般是因为表面某些部分的损坏而使整个零件报废。电刷镀主要应用是提高零件表面的防腐性、恢复磨损零件的尺寸精度与几何精度、填补零件表面的划伤沟槽或压坑、强化零件表面、减小零件表面的摩擦系数等。尤其近年来发展起来的纳米电刷镀技术，是我国学者将传统电刷镀技术与纳米材料技术相结合的创新性研究成果，通

25、过在电刷镀液中添加纳米颗粒或纳米纤维，以进一步提高涂层性能的电刷镀技术。在快速镍镀层中分别添加聚合物PTFE、WC、ZrO2、稀土Ce纳米颗粒，XLZ型呋喃树脂，纳米复合刷镀层比传统快镍刷镀层具有更高的耐蚀性能、显微硬度、耐磨性能及抗接触疲劳性能，可以强化和提高被刷镀零件表面的性能，延长其使用寿命，纳米复合电刷镀技术可用于装备贵重零部件及服役苛刻条件下零部件的高性能修复与再制造。采用电刷镀技术在碳钢基材上制备了含纳米WC和PTFE的镍基复合镀层，耐磨性比镍镀层提高了7倍，耐蚀性、防蚀性也较好。目前，将纳米电刷镀技术运用于实际中，已经成功地修复了多种机械设备零部件，延长设备的使用寿命，并取得了可

26、观的经济效益。为了使电刷镀制备的镀层的性能有更进一步的增强，不断符合高能装备零部件使用的标准，相应发展了各种电镀技术。最近几年，纳米电刷镀技术的研究取得了较大的进展，已制备出多种纳米结构镀层。研究的内容主要包括纳米颗粒的前处理、复合镀液的配制、复合镀层制备和复合镀层的性能及其应用等。大力开发电刷镀技术，高度契合了国家构建循环经济的战略需求，不仅有利于形成新的经济增长点，而且有利于建设资源节约型和环境友好型社会，是实现循环经济、节能减排和可持续发展的主要途径之一，具有巨大的经济效益和社会效益。1.3纳米材料在电刷镀技术中的应用1.3.1纳米材料的基本特征纳米材料是指微粒在空间的三个维度上至少有一

27、个维度的尺寸在1到100纳米之间，或一种材料由这些在1到100纳米范围内的颗粒构成，我们也称这种材料为纳米材料11-12。纳米颗粒也叫超微颗粒，其大小相当于10到100个原子排列起来，其结构大小居于原子簇和宏观物体的过渡范围，用宏观和微观的角度来看，这样的体系既不是微观系统，也不是宏观系统，它是一种介观系统。由于其尺寸结构，使得它具有一些特殊性，如小尺寸效应、表面效应和量子隧道效应13-14。当人们把宏观物体细分成纳米微粒后，它将展现出独特的性能。当颗粒尺寸小到一定的尺寸范围，就应该用量子力学的观点对其行为进行描述，当粉末颗粒尺寸由10m降至10nm时，其一维长度虽然只变成原来的1000倍，但

28、换算成三维将有109之巨大，所以在粒子行为上将产生巨大的差异。纳米粒子不同于普通微小粒子的原因是在其表面积相对较大，表面分布着阶梯状结构，此结构代表具有高表面能的不安定原子。不安定原子极易与外部原子粘附，同时因粒径缩小而提供了大表面的活性原子。由于纳米材料微粒数目庞大，使得其整个表面积之和变得非常大，从而处于使粒子界面上的原子比例也变得非常高，通常可达到总原子数的一半左右。因此，纳米材料常会具有奇特的光、电、磁、热、力和化学等方面的性质，和宏观材料显得与众不同。1.3.2纳米材料的研究历史纳米材料在我国古代已经产生，根据考古学家和科学家研究发现，距今千年字画之所以能不褪色，其原因就是所用的墨迹

29、为纳米级材料构成。还发现我国古代所用的铜镜表面涂的氧化锡防护漆料也是纳米级材料。只是当时的科技发展水平还能难观察到这些微小粒子，所以人们还没对其进行深入的研究。纳米科技可以说是从诺贝尔奖获得者理查德费曼，在1959年所作的在底部还有很大空间演讲开始的。提在演讲中提出一个物体可以从单个分子或者原子一个个组装起来，从而完成对该物体的设计要求，他设想从物理学的角度由原子一个个排列组装起来成为物体的技术并不是不能实现的。并且预言“当有一天我们有技术能够控制细小尺寸的物体时，我们将获得更广阔的物性来源”。Gelcer发明了气体泠凝方法制备纳米微粒，并成功的制备了铁的纳米粉末。而后，美国、德国和日本科学家

30、相继研制了多种纳米材料粉末以及烧结块体材料，纳米材料开始了快速发展的时代。近些年纳米材料的研究在不断拓宽到各个科学领域，包括机械、材料、物理、化学、医学等等跟我们生活日益相关，目前，这些领域都有较好的发展。1.3.3纳米材料在镀层中的沉积机理纳米材料在电刷镀工艺中主要作为镀液的添加复合型材料，目前虽然电刷镀技术不断的进步，但大部分人把研究重点放到了，电刷镀工艺、添加成分和设备治具上面，而对于添加复合纳米材料的沉积机理研究的甚少，所谓的沉积机理就是纳米颗粒如何均匀的分散到镀液中，并成功的伴随着镀液中金属离子沉淀到镀件表面形成镀层15。起初，人们在研究复合电刷镀技术的过程中发现，粒子在阴极沉积的共

31、析量与阴极的电流密度存在一定关系，为了探究这种关系人们对得出的沉积机理提出了各种模型，如：Guglielmi模型、MTM模型、运动轨迹模型、完全沉降模型、扩散控制模型等其中以运动轨迹模型和Guglielmi模型尤为具有代表意义，这些模型大体可分为：电化学机理、力学机理和粒子吸附机理18。这些模型围绕的主要问题有三个：纳米粒子如何移动到阴极、纳米粒子如何粘附于阴极表面、纳米粒子如何镶嵌到阴极基质金属中。最终人们总结出的结论是：1）搅拌和阴极的形状决定纳米粒子的移动，2）阴极和纳米粒子本身的特性决定纳米颗粒在阴极表面的粘附行为，3）微粒嵌入阴极表面由纳米颗粒的附着力，纳米颗粒附着阴极表面的时间以及

32、镀液成分均有关系16-18。虽然部分模型给出了相应的计算公式，但目前的模型并没有设计足够的控制因素，所以我们仍然需要不断的对于复合镀层的沉积机理进行研究。1.4本论文的研究目的和主要内容目前，对于Ni-ZrO2纳米复合镀层的研究并不多，而Ni-ZrO2纳米复合镀层具有良好的耐磨损、耐腐蚀性能，研究其制备方法和优化制备参数对于表面修复再制造领域具有很大的意义。本文采用电刷镀技术制备纯镍镀层和Ni-ZrO2复合镀层，并对镀层表面微观结构、耐腐蚀、摩擦磨损性能进行表征分析。主要内容有：（1）了解纳米电刷镀制备纳米复合镀层的技术、工艺和实验设计。（2）对表面预处理、分散方法、电压、温度、pH值等电刷镀

33、工艺及实验参数的分析。（3）Ni-ZrO2复合镀层与纯镍基镀层的制备。（4）Ni-ZrO2复合镀层和纯镍基镀层的表面微观结构、耐腐性能、机械性能进行表征。（5）Ni-ZrO2复合镀层和纯镍基镀层的表征结果进行性能分析研究。88第二章 电刷镀镍基纳米镀层的制备技术与工艺参数第二章 电刷镀镍基纳米镀层的制备技术与工艺参数本章主要介绍电刷镀试验前的准备，包括所需的设备仪器、药品及配方、工艺参数的选择和试验流程。很多因素都会对试验结果产生一定的影响，因此，把握好参数的选择和试验药品的使用对实验具有重要影响。2.1 镍基镀层制备的试验仪器试验中用到的试验仪器及设备有：SDK-100AHZ 刷度电源（武汉

34、材料保护所），DZF-6050B型干燥箱（上海一恒科技有限公司），KQ-400KDB型高功率数控超声波清洗器，GR300型电子分析天平。其它仪器包括：烧杯、镀笔、镀液槽、锥形瓶、移液管、滴定管、量筒、药匙、玻璃棒等。2.1.1 电刷镀电源在电刷镀试验中，电源为其主要设备，主要采用可无级调节电压型直流电源作为其专用设备。电源控制电路的主要组成部分是镀层厚度控制器。其实质是一个高精度电量计，即安培小时计，它的核心部分是压频转换(v-f)电路。而电刷镀工艺试验对电源通常有如下要求：（1）要求电源能提供平直或缓降的直流电。在外界条件变化较大时，也能保持电流大小几乎不变。（2）要求电源提供的电压可以进行

35、无极调节，以便满足不同工序的要求，最大不能超过60V。（3）要有安全可靠的保护设置，防止在发生过载和短路，可以保证试验仪器的正常使用，也要保证试验操作者的安全。（4）要求电源具备一定精度的镀层厚度控制及显示系统，以便满足不同试验的需要。（5）要求电源具备可靠的极性转换装置，以满足不同工序的需要，如刷镀和退镀工序的转换。在试验中，控制电压约为10V，刷镀时间在6 min左右。介于此，我们选择SDK-100AHZ型号仪器来作为我们试验电源，如图2-1所示。图2-1 SDK-100AHZ电刷镀电源2.1.2 真空干燥箱试验中，为了减小不良试验操作对试验结果的影响，需对试样测量、检测前后进行清洗、烘干

36、。本试验所用真空干燥箱型号为DZF-6050B，如图2-2所示。图2-2 DZF-6050B干燥箱2.1.3 电子分析天平本实验中试样检测部分包括磨损失重试验和浸泡失重试验，均需对试验前后试样进行称重测量。实验中选用GR300型电子分析天平，其操作简单，精确度高，可达0.1mg，所用电子分析天平如图2-3所示。图2-3 GR300型电子分析天平2.1.4 超声波搅拌机纳米颗粒指特征维度尺寸在1100nm范围之内，其大小是介于块状物体与原子、分子之间的。研究表明，在镀层中添加纳米级别颗粒有利于提高镀层的多方面性能19。但由于纳米颗粒具有极大的比表面积和较高的表面能，在制备和使用过程中极易发生粒子

37、团聚20，形成二次粒子，使粒字直径径变大，故此大大影响纳米颗粒发挥应有优势，失去纳米颗粒所具备的功能。故含有纳米粒子的镀液在使用前要进行分散处理。常用的分散方法有机械搅拌分散、超声波分散和分散剂分散。本实验采用超声波分散和化学试剂复合分散法进行分散处理。试验中选用KQ-400KDB型高功率数控超声波清洗器，对溶液中的纳米颗粒进行分散处理，如图2-4所示。图2-4 KQ-400KDB型超声波清洗机2.2 镍基镀层的制备流程镍基镀层的制备流程大致可以分为三步，即实验前预处理、镀打底层和镀镍基复合镀层。每个的步奏正确操作完成是下一个步奏顺利进行的必要前提，整套流程的有序完成才能制备出性能优良的镀件。

38、2.2.1 试验前预处理（1）表面整修 对于待镀工件表面存在肉眼可见的不平整形貌，要先用车削机床等进行加工修理，然后用砂纸打磨，使工件表面表现出正确的形状，显露出基体的正常组织。（2）表面清理 采用化学方法（弱酸、丙酮、蒸馏水清洗）对整修后的镀件表面进行除油、除锈处理。若镀件表面的油污较多，可先用汽油、丙酮等有机溶剂对其进行初步清理除油，再用化学脱脂液处理残留的油污，然后用蒸馏水将试件表面冲洗干净。如果镀件表面有明显的锈蚀物，可先用钢刷或砂纸打磨光亮，除去锈蚀物。（3）电净处理 电净是用电化学方法对试件表面进一步除油污。电净过程就是金属材料表面的脱脂过程，对任何导电基体都可采取相同的脱脂溶液，

39、只是不同的基体金属要求的电压和反应时间不相同。电净处理通常采用正向电流(镀件接负极)，对于部分有色金属，采用反向电流(镀件接正极)。电净处理后的表面应无任何油渍，不能聚成水滴。（4）活化处理 活化处理用以除去镀件电净后表面的氧化膜、疏松的表面组织以及锈迹等，对试件表面进行轻微腐蚀而呈现出基体金属的致密组织，保证金属离子能在纯净的基体表面上还原并与基体紧密结合，使镀层更好地吸附在基体表面。进行活化操作时，通常是采用反向电流的(镀笔接负极)。预处理具体操作如下：首先挑选机械表面加工较为平整的工件，将挑出的工件用300Cw的砂纸打磨5min，除去加工产生的较大毛刺和加工痕迹，之后在分别用800Cw、

40、1200Cw的砂纸打磨5min，使工件表面平整、光滑、无加工痕迹，最后用丙酮溶液进行清洗。将打磨好的工件用1号电净液精除油。其步骤是先将工件接电源负极，工作电压12V，相对运动速度为80mm/s，于此同时将1号电净液浇灌到工件表面，此过程中镀笔和工件接触部分会产生气泡，说明电路已经导通，时间约20s，到油除净为止，清水冲洗，冲洗后表面湿润性要好，无法聚成水珠。最后用2号活化液活化。试件基体接电源正极，电压10V，相对运动速度为115mm/s，时间约45s，出现黑灰色为正常，再冲洗，冲洗后表面呈暗灰色或黑灰色。预处理注意事项:（1）预处理时间不宜过长，因为试件表面除油与活化均使用化学试剂，易对试

41、件造成腐蚀。（2）实验过程中要严格遵守安全规则，操作时应带橡胶手套及眼镜，保护自身安全，避免造成不必要的损伤。（3）活化处理后应快速进行电刷镀操作。因为活化后长时间放置，容易造成二次氧化，使表面预处理失效。如需短期存储也应该采用严格密封装置进行密封储藏。表2-1 电刷镀预处理工艺参数工艺工件接电方式工件与镀笔相对速度（mm/s）电压（V）电净正接80122号活化液活化反接115103号活化液活化反接115102.2.2 镍基镀层的制备本论文主要研究纳米复合镀层的制备与纳米复合镀层的性能，为了研究不同浓度下，纳米ZrO2含量对形成的镍基二氧化锆复合镀层耐腐蚀性和耐磨性的影响，本实验分为六组，第一

42、组为纯镍基镀层试件，第二到第六组分别为含不同质量的ZrO2镀液，ZrO2在镀液中的含量从0.5g/L到2.5g/L，浓度梯度为0.5g/L。具体操作流程如下：（1）将试验用的烧杯、电子称、玻璃棒、试管、滴管、药匙等仪器准备齐全，放置在实验台上。准备好蒸馏水、快速镍、十六烷基三甲基溴化铵（分散剂）、纳米ZrO2粉末，六偏磷酸钠（阳离子表面活性剂）。之后精准量取500mL的快速镍镀液至编号分别为16的六个烧杯中。（2）称量0.4g至0.5g十六烷基三甲基溴化铵，分别放入到编号26烧杯中，再用玻璃棒轻轻搅拌2min，最后放入超声波清洗器中超声振荡10-15min至其完全溶解，肉眼观察液体中无白色悬浮

43、物为止。（3）按照实验预先设计的组Ni-ZrO2镀液浓度，按照所需浓度计算，称量出五份ZrO2纳米颗粒。（4）将称量好的ZrO2粉末分别倒入配好五份镀液中，慢慢搅拌，用pH试纸检测其酸碱性，用硼酸调节其pH值在6左右，再放入超声波震荡20min至镀液澄清，可在短时间内待用。2.3 工艺参数的选择电刷镀制备镍基镀层，涉及多个工艺参数，如：镀液酸碱性、反应温度、电源电压、反应时间等，每个参数都对最后试件镀层性能产生一定的影响。为了最后能够得到性能优良的镀层，必须对每个工艺参数对制备过程的影响进行分析，最后选定最佳参数。2.3.1 镀液的酸碱度镀液的酸碱度（pH值），对镍的沉积过程及所得镀层的摩擦腐

44、蚀性能有很大的影响。如果溶液pH值过低，电流效率也会降低，镀液性质不稳定，阴极便会析出氢气，使镀镍产生困难。随着pH值升高，镀层的内应力增大，硬度也会相应提高，延展性相应下降，但电流效率会较好一些，而分散能力会有所下降。当pH值过高时，镀层质量会明显下降，出现疏松、多孔等现象21。因此，在试验条件允许的情况下，维持较低的酸碱度，有以下一些优点：（l）可以在较宽的范围内提升电流密度。（2）pH值较低时，可以在一定程度上增加主盐浓度，也可以相应地提高温度，从而使用较高的电流密度。（3）pH值较低时，电解液阳极溶解性好，而且镀层针孔较少。（4）但要获得某实验所需最佳pH值，往往要通过多组实验分析总结

45、得出。依据本次试验的实际情况，在试验的过程中，用硼酸适当缓冲镀液的pH值，一般控制在 6左右。2.3.2 镀层制备的反应温度在镀镍试验中，适当提高镀液温度可以相应使用较高的电流密度。这是因为升高温度可以提高盐的溶解度，因而可以使用较高浓度的镀液，提高溶液中离子的含量，提高电解的电导率；升高温度可以使阴极的极化现象有所降低，而阳极不易钝化，阴极镀层不易烧焦。当温度升高时，阴极电流效率也会有所提高。升高温度并不总是有利的，也会产生一些不利的影响。随着温度的升高，盐类水解现象加剧，生成氢氧化物的倾向增大，使镀层易出现针孔现象，也会降低镀液的分散能力21。快速镀镍，通常采用较高的温度，一般为 4560

46、。由于试验设备简陋，条件不足，难以达到在反应过程中持续保持该温度不变。实际操作中通常采用先将镀液加热到60，再进行刷镀反应。2.3.3 电源电压的选择影响沉积速度的另一个主要因素是电流密度，而在其他条件不变的情况下，电流密度直接取决于电压大小。刷镀工艺需要较大范围的电流密度，在该范围内制备镀层，有助于提高沉积速率，使镀层保持良好的性能。电流密度的使用范围，与溶液的性质、金属离子的浓度、温度、阴阳极相对运动速度等因素有关。通常，溶液中主盐的浓度增加，温度升高和阴阳极的相对运动速度提高，可以采用较高的电流密度。但必须注意，通过阴极的电流的大小才是影响沉积速度的主要因素。在阴阳极接触面积和电流效率相

47、同的条件下，提高电流密度，增加通过阴极的总电流，可提高沉积速度。而温度、阴阳极的相对运动等因素也是通过对电流密度的影响而使沉积速度发生变化的。本试验中，选择电压为10V。2.3.4 镀层制备反应时间的选定电镀反应时间的长短直接影响镀层的厚度。并且，随着反应的进行，镀液中Ni2+浓度的降低，使得反应速度变慢。因而，反应时间很难找到合适的长短。由法拉第第一定律可得，电极上生成产物的质量与电量成正比。故，可通过计算，得出镀件所需电量。一般控制电量在45Amin左右，实际试验中一般在6分钟左右。2.4 试验原料的选择及配比试验中，选用Q235作为基体材料，特殊镍打底层，快速镍为主要镀液。以一号电净液和

48、三种活化液作为表面处理试剂。2.4.1 基体材料的选择及尺寸考虑到试验装置和检测装置的限制，该实验所选基体要满足大小适中，结构简单，如图2-5、2-6。实验选用工程上常用的碳素结构钢Q235钢作为电镀基体，其化学成分含量如表2-2所示。将Q235材料加工成外径60mm，内径8mm，厚度9mm的圆块。图2-5 基体试件原图图2-6 基体试件尺寸示意图表 2-2 Q235化学成分含量元素CSiMnSP含量（wt%）0.160.120.450.0290.0192.4.2 化学试剂的选择及配比电刷镀溶液本身质量的好坏以及使用方法的不同，对镀层性能有决定性影响。试验所需溶液一般按作用不同可分为四大类：表

49、面预处理溶液、金属刷镀溶液、退镀溶液、钝化和电抛光溶液。而在本实验中，仅涉及表面预处理溶液和金属刷镀溶液。（一）表面预处理溶液为了增强镀层与基体之间的结合力，被镀表面必须进行严格的预处理，包括电净处理和活化处理，所使用溶液是电净液和活化液。电净液是用化学方法去除基体表面油脂的溶液，呈无色透明，手摸有滑感，-10不结冰，-40冰冻后性能不变。可长期存放，无闪点。具有很强的去油脂作用及轻度去锈能力。表2-2 电净液配方成份浓度（g/L）NaOH3050Na3PO4140180Na2CO3 4045NaCl45活化液是用化学腐蚀和电解腐蚀方法去除被镀零件表面有机、无机膜层的溶液。国内外研制的活化剂约

50、有十多种，其中最常用的为13号活化液，其配方、成份如表2-3、2-4、2-5所示：表 2-3 1号活化液配方成份浓度（g/L）H2SO4（9598%）7090(NH3)2SO4100120表 2-4 2号活化液配方成份浓度（g/L）HCl（3038%）2030NaCl130150表 2-5 2号活化液配方成份浓度（g/L）C3H8O7H2O7090(NH3)2SO4100120（二）金属刷镀溶液电刷镀溶液一般按酸碱性分为酸性电镀液和碱性电镀液两大类。酸性溶液比碱性溶液的沉积速度快1.53倍，但绝大部分酸性溶液不适用于材质疏松的金属材料，如铸铁，也不适用于不耐酸腐蚀的金属材料，如锡、锌等。碱性和

51、中性电镀溶液有很好的使用性能，可获得晶粒细小的镀层。在边角、狭缝和盲孔等处有很好的均镀能力，无腐蚀性，适于在多种材质的零件上镀覆。本实验中的金属刷镀溶液主要为快速镍溶液，其配方为表2-6所示：表2-6 快速镍配方成份浓度（g/L）NiSO4250CH3(CH2)11(CH3)3NBr0.8CH3(CH2)11SO3Na0.3NiSO4是镀液的主盐，起着供给 Ni2+的作用。硫酸镍的浓度可以在很大范围内变化（100 g/L350 g/L）。浓度低的电解液（100 g/L200 g/L），阴极极化大，分散能力强，结晶细致；但是允许使用的电流密度小，沉积慢，而且阴极电流效率低。在这次实验中，为了有较

52、理想的沉积速率，取硫酸镍的浓度为 250 g/L；十二烷基硫酸钠，用在电镀上可以使氢气泡更容易脱离镀件表面，从而减少针孔。提高光泽，提高着色力和遮盖力，改善展色性和调色性，防止浮色发花，防止絮凝，防止沉降；十二烷基三甲基溴化铵（DTAB）通过空间位阻的作用阻止粉末颗粒的团聚。为了镀层与镀件之间有更好的附着，在试验前，先用特殊镍在试件表面镀上一层薄薄的镍层。所用溶液为特殊镍溶液。其配方为表2-7所示：表2-7 特殊镍配方成份浓度（g/L）NiSO46H2O320350C6H8O7H2O6080H3BC315302.4.3 纳米颗粒的选择及尺寸本试验选用ZrO2（二氧化锆）作为镀层添加剂。纳米Zr

53、O2颗粒氧化锆为白色固体，熔点2397，沸点4275，具有硬度大、熔点高、热膨胀系数大、耐磨性及抗腐蚀性能优良等特点，且具有较高的高温强度和韧性。将纳米氧化锆与基质镀层材料Ni复合，利用纳米二氧化锆的优异性能，以提高基质镀层的性能参数，如硬度、耐磨性、高温性能等。2.4.4 分散剂的分散原理与选择纳米颗粒在镀液（包括电镀液和化学镀液）中的分散方法主要有超声波、机械搅拌和表面活性剂等方法，以及由这几种方法构成的复合分散方法。要获得优良的复合镀层的前提是：纳米颗粒粒径分布合理、在镀液之中均匀分散和复合镀液性能稳定。当纳米颗粒的团聚体进入镀层中后,会成为镀层中的薄弱区，从而降低镀层的性能。因此，对纳

54、米颗粒在镀液中进行有效分散处理很有必要。（1）分散处理有利于镀液中的离子、络合剂等在纳米颗粒表面吸附或键合，利用静电效应或空间位阻效应，阻止纳米颗粒的进一步团聚，提高纳米复合镀液的稳定性，有利于纳米颗粒与Ni2+的共沉积；（2）将团聚的纳米颗粒打开，使得进入复合镀层的纳米颗粒在纳米数量级且均匀弥散分布在镀层中，有利于提高镀层的性能。两方面的共同作用，使分散处理能在一定程度上改善复合镀层的性能。因此，对复合镀液进行有效分散非常重要。为了得到均匀稳定的纳米颗粒复合电刷镀液，本研究采用超声波分散法、机械分散法和表面活性剂复合分散法对纳米颗粒与镍基镀液的复合体系进行分散处理。即，将有化学分散剂的溶液置

55、于超声场中进行超声波振荡。3737第三章 纳米电刷镀镀层的性能检测方法第三章 纳米电刷镀镀层的性能检测方法体现镀层的性能，需要合适的表征方法来体现其性能。而表征方法的选取，既要贴近生活实际，又要符合不尽齐全的试验条件，最后用一种直观的图表来反映。3.1 镍基镀层的检测仪器与检测原理按指定工艺制备出来的镀件，还要进行严格的检测，反映出试件的多种性能，如耐磨性，耐腐蚀性等，再与初始试件进行对比，推断出添加纳米颗粒对镀层性能的影响。3.1.1 镀件摩擦系数的检测及原理摩擦是自然界普遍存在的一种现象。据统计，三分之一到二分之一的能源消耗与摩擦上，近百分之八十的机器零件失效是由磨损引起的。故研究材料的摩

56、擦性能具有重要意义。摩擦系数是材料摩擦性能的一个重要的表征量，其测试流程及原理如下。摩擦系数测试原理如图3-1所示：电动机2通过带传动1带动托盘3旋转，下试件4安装在托盘3上并随托盘3一起回转，上试件装在夹头6中。荷载P由砝码7的重力W产生，摆杆8在摩擦力F作用下摆动，摆杆的另一端压在压力传感器9上，压在压力传感器上的力Q可经数据采集测量系统获得。工作时，托盘3中可加入润滑油或在下试件4表面上滴润滑油（边界润滑），也可不加润滑油（干摩擦）。试验机主要技术指标：转速：100500r/min，最大载荷：W = 10N。试验机的主要技术指标：转速 100500r/min、最大载荷 W = 10N。如

57、图3-1所示，试验中，作用在试件上的荷载和砝码重量相等，即P = W（N）由杠杆原理可得，试件上的摩擦力与作用在压力传感器9上的力Q的关系为：QL1 = FL2试验中通过调节，使得L1 = L2，则有，Q = F。则摩擦系数：本文采用的是基体材料为45号钢，当载荷为2N，不同相对运动速度，温度为室温条件下试验得出的结论。(a) 正面剖视图(b) 俯视图图3-1 HIT-1型球盘式摩擦磨损试验机原理图 （1带传动，2电动机，3托盘，4下试件，5上试件，6夹头，7砝码，8摆杆，9压力传感器 ）3.1.2 镀件磨损量测量方法的选取常用磨损量来评价材料的耐磨性能，体积磨损量和重量磨损量是最常用的磨擦性

58、能评价指标。由于试验所用试件体积较小，镀层较薄，很难在摩擦试验后精确测出其体积损失量。故根据本实验实际情况，依据目前试验设备所能做到的程度，采用质量测量法。即测量摩擦试验前后质量，计算磨损量。3.1.3 镀件划痕宽度测量及方法试样经HIT-1型球盘式摩擦磨损试验后，会在试件上留下一定宽度的划痕。该划痕宽度很小，难以用普通测量工具直接测得。将用无水乙醇进行清洗、在烘干箱内进行烘干，选择划痕清晰、宽度中等均匀出，用游标卡尺分别测划痕外径和内径，间接测出划痕宽度。3.1.4 镀件耐腐蚀性能检测采用静态浸泡失重法在pH = 5的H2SO4溶液浸泡48小时。实验前后均需对试样进行丙酮超声波清洗、真空干燥

59、和称重，将原始试样和一组一定梯度的工艺参数电镀后的式样在GR300型电子分析天平上称出试验前后质量。对比前后质量损失。试验中要每隔一段时间查看一下试件，因为镀层厚度有限，且一旦在试件边角处腐蚀完镀层，露出基体，就会在该处形成原电池，加快腐蚀反应的进行，应避免这种现象的出现。3.1.5 X光谱衍射仪测镀层元素含量使用X光谱衍射仪，获得试样镀层的X射线衍射图谱，与标准卡片进行对比，确定镀层各元素种类及相对含量。3.1.6 镀层表面组织与形貌观测使用将镀件用丙酮清洗，放置干燥箱烘干，采用Quanta 200 f型扫描电子显微镜对镀件的表面形貌进行图片采集。3.2 镍基镀层的检测流程由于原料有限，在检

60、测过程中，应尽可能在一组试件中做多组检测。故优化检测方案。刚做完的试件测量其厚度，再做摩擦系数测试，清洗、烘干后称重，测量磨损量；再洗净后，测量划痕宽度；再进行线切割，将试件切割成便于扫描电子显微镜（SEM）观察表面形貌的形状，清洗、烘干后用扫描电子显微镜观察其表面形貌（避开有划痕的部分）。用在相同的工艺参数条件下镀成另一组试件，进行浸泡腐蚀试验，洗净、烘干后称重测量其腐蚀量。3.2.1 摩擦性能检测试验流程（1）旋松固定传感器转盘上的两个螺栓，将传感器按顺时针方向旋到极限位置。将实验机后侧传感器保护装置卸下，将实验机上摆杆固定到摆杆支架上，旋下上试件卡头，将上试件5放入卡头中，然后把卡头拧到

61、实验机上。将下试件4固定到转盘中。摩擦半径R、力臂L1、 L2。调整摩擦半径时先将摆杆前端上方的大螺帽逆时针旋松，旋转摆杆前端旋钮来调整摩擦半径，调整摩擦半径到所需值后，再将摆杆前端上方的大螺帽顺时针旋紧。接着调整L1：将摆杆后端上方的大螺帽逆时针旋松，然后（按摆杆后端左侧刻度线）旋转摆杆后端旋钮，使L1L2，再将摆杆后端上的大螺帽顺时针旋紧。旋松固定传感器立板的螺栓，按固定传感器立板下的刻度移动立板到所需位置，保证传感器触头到摆杆转轴中心的距离等于L1。只有按上述、操作才能保证P = W，Q = F（其中：P为下试件所受载荷，W为砝码重量，Q为传感器受力，F为下试件对上试件产生的摩擦力）。（

62、2）将实验机后侧传感器保护装置装上，拧紧螺帽。然后将传感器按逆时针旋转到极限位置，旋紧固定传感器转盘上的两个螺栓。（3）将实验机后端（蓝色）行程开关上的（白色）杆搭到挂钩上，按开关上的绿色按钮，实验机即可转动。（4）将待测试样清洗烘干后用GR300型电子分析天平称重，记录初始质量。（5）将试样放在托盘3上，将转速调至250r/min，两组试验，荷载分别为2N和4N，磨损时间为十分钟。试验结束后，计算摩擦系数。（6）将摩擦试验后的试样清洗烘干后，称重，计算磨损量。（7）将摩擦试验后的试样清洗烘干后，在显微镜下观察，测量计算划痕宽度。3.2.2 镀层的磨损量测试（1）在做磨损试验前，先将原始试样及一组一定梯度工艺参数的试样在GR300型电子分析天平上称重。（2）磨损试验结束后，用无水乙醇对磨