论文部分内容阅读
化学复合镀是在普通化学镀基础上，通过加入高硬度、高耐磨性的复合粒子发展起来的一种表面处理技术。复合镀层在基本保留原普通镀层的性能优点的同时，较大幅度地提高了普通化学镀层的硬度及耐磨性。该技术在机械、电子、纺织及化工等行业有着广泛的应用前景。本文采用金刚石作为复合粒子，系统研究了Ni-P-金刚石复合镀的工艺规律以及镀层的组织结构和性能。 本文在初步探讨Ni-P-金刚石化学复合镀沉积工艺规律的基础上，提出了金刚石的沉积机理；采用OM、SEM+EDX、TEM、XRD以及DSC等试验手段，深入地研究了镀层的组织结构变化，并详细探讨了复合粒子加入后对原镀层组织结构的影响；采用M-200型磨损试验机测试了镀层的磨损性能，结合磨损形貌观察和表面轮廓分析等研究手段，论述了复合镀层提高耐磨性的机理以及影响复合镀层耐磨性的因素；采用三点弯曲疲劳和旋转弯曲疲劳对比试验，利用自动信号采集技术跟踪试样宏观挠度的动态变化过程，结合材料学微观断口观察，测试并分析了以40Cr钢为基底的Ni-P镀件及Ni-P金刚石化学复合镀镀件的疲劳行为。所获得的较有价值的试验和分析结果如下： 1．对Ni-P-金刚石化学复合镀中金刚石的沉积机理的研究首次发现，镀液中金刚石的ζ电位测定结果为负值，说明在镀液中的金刚石并未吸附正离子而带正电，金刚石的吸附并不是依靠电场力，而主要是依靠机械力实现强吸附的；当沉积工艺条件（除镀液中金刚石的加入量外）一定时，（1-av）cv／av与cv间成线性关系，其中cv为镀液中金刚石加入量，av为镀层中金刚石的含量。 2．对镀层组织结构的研究得出： 1) 在所选工艺条件下，Ni-P金刚石复合镀层与Ni-P镀层含P量约在10％左右。TEM观察结果表明，复合镀层含有部分微晶，其结构是非晶十微晶。 2) Ni-P-金刚石复合镀层约在300℃开始晶化，晶化后的产物是Ni和Ni3P；300℃的等温晶化有利于Ni3P相的生成，随着等温时间延长，Ni3P相相对含量逐渐增加，而Ni相含量逐渐减少；400℃的晶化有利于Ni相的形成，随着等温时间延长，Ni相相对含量逐渐增加。经过不同的晶化处理后，Ni-P-金刚石复合镀层中Ni相相对含量高于Ni-P镀层。TEM等温晶化过程的研究发现，复合镀层在300℃晶化时，随等温时间延长，晶核数量逐渐增多，其晶化机制为一次晶化。 3) 变温品化动力学的研究发现，Ni-P镀层晶化激活能为310KJ／mol，而Ni-P-金刚石复合镀层晶化激活能为280KJ／mol。不同升温速率下，Ni-P-金刚石复合镀层的晶化起始温度低于Ni-P镀层，但晶化的峰值温度却略高于Ni-P镀层；等温晶化动力学的研究发现，复合镀层晶化开始所需的孕育期比Ni-P镀层短，中育大拳博士学位论文翔气娜了户义夕但复合镀层完成晶化所需时间却更长。据此，研究首次指出复合粒子的存在有利于晶化过程的开始，但对晶化的进行过程又有阻碍作用，即复合镀层的晶化历程较长.复合镀层晶化方式指数为2.87，Ni一P镀层晶化方式指数为2.91，两者的晶化机制是一样的，晶核形成和长大的方式是二维的。 4)经过热处理后，Ni一P一金刚石复合镀层与墓底之间会发生扩散，扩散主要发生在Fe、Ni元素间，P元素几乎不发生扩散。扩散后形成了FeNi，相以及Y（F。、Ni）相，镀层经600℃、1h的热处理后，由于扩散的影响，在镀层内部Ni含量呈现梯度分布. 3.对比Ni一P镀层、Ni一P一纳米金刚石及Ni一P一微米金刚石复合镀层，在不同载荷及热处理温度下，Ni一P一微米金刚石复合镀层均具有最好的耐磨性，且摩擦系数也最小.与Ni一P镀层相比，其耐磨性可提高十几倍.Ni一P微米金刚石复合的磨损机制以磨粒磨损为主，对应最佳耐磨性的镀层金刚石含量约为25肠（vt%）。Ni一P一纳米金刚石复合镀层与Ni一P镀层的耐磨性差别不大，两种镀层在载荷超过10Kgf后，均显示出明显的粘着磨损特征.研究确证了复合镀层提高耐磨性的原因是复合粒子在镀层表面形成突起，起到了承载作用，并改善了润滑条件，避免了粘着，减小了摩擦系数. 4.复合粒子的加入降低了原Ni一P镀层的耐蚀性和抗氧化性.镀层组织均匀性的降低是造成复合镀层耐蚀性及抗氧化性降低的主要原因. 5.Ni一P镀与Ni一P一金刚石复合镀显著降低40cr钢基底的疲劳寿命，其中三点弯曲疲劳寿命降低达5叭，旋转弯曲疲劳寿命降低20%左右;经热处理后（镀层晶化）降低更严重，三点弯曲疲劳寿命降低达70%，旋转弯曲疲劳寿命降低60%左右.通过疲劳损伤图的研究并结合疲劳断口形貌的观察提出:与基底材料相比，镀态时Ni一P镀件与Ni一P一金刚石复合镀镀件主要是由于疲劳裂纹扩展阶段的寿命降低，而痰劳裂纹萌生阶段的寿命改变相对较小。疲劳裂纹是在基底的表面萌生的;经热处理后主要是由于疲劳裂纹萌生加速导致镀件疲劳寿命降低，疲劳裂纹是从镀件外表面萌生的.与墓底疲劳寿命相比，镀件疲劳寿命的改变主要取决于三个因素，一是镀层自身的脆性;二是镀层与墓底间的结合;三是施镀过程中的吸氢.