铝合金表面Ni-Co-P/SiO2化学复合镀层的制备和性能研究

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铝合金因密度小、强度高、导热性好、易于成形、价格低廉等突出特点,得到了广泛应用。但是其硬度低、耐腐蚀性与耐磨损性差等缺点日益突显,因此,生产实践中需要对铝合金进行表面处理。采用化学镀Ni-P合金的表面处理方法,可以提高基体的硬度以及耐磨损性,但是其耐摩擦性以以及耐烧结性并不好。而含Co的Ni-Co-P合金镀层,具备较好的耐摩擦性和耐烧结性,可以增加压坯疲劳强度,更适合滑动摩擦零件的要求。为了进一步提高Ni-Co-P合金镀层的硬度与耐磨性能,本文开展了Ni-Co-P/SiO2复合镀层的制备与研究工作。本文采用化学复合镀技术,在Al-Si合金表面制备了3种不同SiO2粒径(40nm、150nm、800nm)、5种不同SiO2浓度(3、6、9、12、15g/L)的Ni-Co-P/SiO2复合镀层。并对SiO2浓度均为9g/L条件下,制备出的3种不同SiO2粒径的Ni-Co-P/SiO2复合镀层进行了不同温度(200℃、300℃、400℃、500℃)的热处理1个小时。采用扫描电子显微镜、能谱仪、X射线衍射仪、维氏硬度计、高速往复摩擦试验机、扫描三维表面轮廓仪、电化学工作站,研究了SiO2微粒的浓度、SiO2微粒的粒径和热处理温度对复合镀层的表面形貌、截面形貌、化学成分、晶态结构、维氏硬度、耐磨损性和耐腐蚀性的影响,结果表明:(1)Ni-Co-P/SiO2(40nm、150nm、800nm)复合镀层的表面比未含微粒的Ni-Co-P合金镀层的粗糙,其上分布着大小不一的、排列较均匀和较致密的球形的结节突出物。SiO2微粒存在一定程度上的凝聚,某些区域有一定的孔隙。酸性(pH=4.7±0.1)镀液、85±2℃、镀覆1.5h以后,3种复合镀层的平均厚度均为12μm左右,其中磷的含量在0.71wt%-1.4wt%,属于中低磷含量镀层。(2)SiO2微粒的浓度对所制备的Ni-Co-P/SiO2(40nm)复合镀层的结晶性能影响不大,但是它对Ni-Co-P/SiO2(40nm、150nm、800nm)复合镀层的维氏硬度和耐磨损性均有明显的影响。3种复合镀层均是在中间某个浓度达到最值,此时微粒的浓度与粒径有关:800nm SiO2微粒,在6g/L浓度时,复合镀层的维氏硬度分别达到538HV的最大值,平均摩擦系数和磨损体积达到0.542和0.135mm3的最小值;而40nm、150nm SiO2微粒,在9g/L浓度时,复合镀层的维氏硬度分别达到452HV与430HV的最大值,平均摩擦系数分别达到0.507与0.513的最小值,磨损体积分别达到0.09602mm3与0.1222mm3的最小值。(3)在SiO2微粒的浓度均为9g/L的条件下,SiO2微粒的粒径(40nm、150nm、800nm)对该复合镀层中各种元素的含量影响不大,其中磷的平均重量百分比的大小关系为:40nm>800nm>150nm,耐腐蚀性的强弱关系为:40nm>800nm>150nm。其中,以40nm的SiO2微粒复合镀层的耐蚀性最好。同样在相同SiO2微粒的浓度的条件下,维氏硬度的大小关系为:800nm>40nm>150nm。其中,以800nm的SiO2微粒复合镀层的维氏硬度最大,然而耐磨损性各有优劣。(4)电化学测试结果表明,铝合金和其表面Ni-Co-P/SiO2(40nm、150nm、800nm)(浓度均为9g/L)复合镀层相比,两者开路电位近似,后者具有更高的腐蚀电位,更低的腐蚀电流密度,更小的双电层电容以及更大的电荷转移电阻,这表明该复合镀层增强了基体的耐腐蚀性。(5)对9g/LSiO2浓度下的3种复合镀层进行了(200℃、300℃、400℃、500℃)1个小时热处理,结果表明:随着热处理温度升高,晶粒增大,表面变粗糙,高于400℃以后,非晶组织晶化明显;与镀态相比,热处理后,复合镀层的硬度和耐磨损性能均提高,其中3种复合镀层均在400℃退火后,硬度、耐磨损性能达到最好,其中,800nm的镀层硬度在三者中最高,它为599HV;40nm的镀层平均摩擦系数和磨损体积在三者中最小,分别为0.436和0.0654mm3。硬度和耐磨性能的提高,与热处理导致晶相转变,金属间化合物Ni3P的形成有关。
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