电刷镀镍基纳米金刚石复合镀层性能及界面结合的研究

论文摘要

本文借助电刷镀的方法，采用超声高能机械化学法分散纳米金刚石于镀液中，以Q235#钢为基体，制备了普通快速镍镀层和镍基纳米金刚石复合刷镀层。通过单因素和正交试验设计对刷镀工艺参数进行了优化选择，对镀层的性能、表面形貌、界面成分及结合情况进行了分析，并研究了电刷镀技术的特点对纳米晶形核与长大的影响，对复合刷镀层的强化机制进行了探讨。分散试验结果表明：采用超声波振荡、搅拌的物理分散方式和向镀液中添加op-10的分散方式可以制备出分散均匀的纳米金刚石复合镀液；单因素和正交试验设计优化的工艺参数为电压10V，镀液温度3540℃，相对运动速度11m/min，纳米金刚石的含量在530g/L，镀层的厚度控制在50μm左右。摩擦磨损试验及硬度检测表明，纳米复合刷镀层的硬度、耐磨性、抗高温性能均高于快速镍镀层，复合镀层的磨损量是快速镍镀层的1/3；当镀液中纳米金刚石的浓度为30g/L时，复合刷镀层的显微硬度值最大；200℃时硬度值达到HV687；两种镀层在进行结合强度试验时，没出现脱落、龟裂、起皮等现象，与基体的结合强度良好。表面及界面研究表明，镀层的表面组织出现了“束结状组织”和“链环状组织”；镀层的硬度与d-1/2基本上成直线关系，即满足Hall–Petch关系。通过循环伏安法对快速镍镀液的电化学性能进行了分析，研究了镍离子的沉积过程，并给出沉积物理模型。借助金相显微镜、扫描电镜、EDS等手段对镀层的界面结构、成分及结合情况进行了研究，对镀层界面结合的机理进行了描述。最后探讨了影响电刷镀纳米晶形成的可能性；分析了电刷镀自身的特点与镀层形核与成长的关系；对纳米复合镀层的强化机制进行了探讨，强化机制主要以细晶强化、弥散强化、位错强化为主。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 纳米材料概述
• 1.1.1 纳米材料的研究历史
• 1.1.2 纳米材料的基本特性
• 1.2 纳米复合电刷镀的概述
• 1.2.1 电刷镀技术发展现状
• 1.2.2 电刷镀的基本原理
• 1.2.3 纳米复合电刷镀简介
• 1.2.4 纳米复合电刷镀层的研究进展
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第二章 纳米金刚石在镀液中的分散
• 2.1 纳米颗粒分散的理论分析
• 2.1.1 纳米粒子团聚的原因分析
• 2.1.2 纳米粒子的分散机理
• 2.2 纳米金刚石分散试验
• 2.1.1 选用分散剂种类
• 2.2.2 分散剂种类对纳米金刚石分散的影响
• 2.2.3 分散剂用量对纳米金刚石分散的影响
• 2.2.4 超声波分散时间对分散效果的影响
• 2.2.5 搅拌时间对分散效果的影响
• 2.3 纳米金刚石复合镀液的制备
• 2.4 本章小结
• 第三章 工艺参数优化及分析
• 3.1 试验仪器、材料
• 3.1.1 仪器设备和试验材料
• 3.1.2 镀液的选择
• 3.2 复合电刷镀工艺研究
• 3.2.1 纳米复合镀层的制备
• 3.2.2 纳米复合镀层结构的设计
• 3.3 试验设计及参数优化
• 3.3.1 单因素试验设计
• 3.3.2 单因素试验设计的结果分析
• 3.4 正交试验设计
• 3.4.1 正交试验工艺参数的选取
• 3.4.2 正交试验结果及分析
• 3.5 镀液中纳米金刚石含量对复合镀层显微硬度回归分析
• 3.6 快速镍镀液中的循环伏安特性
• 3.7 本章小结
• 第四章 镀层的性能、组织分析
• 4.1 镀层的性能对比
• 4.1.1 镀层显微硬度对比
• 4.1.2 镀层结合强度对比
• 4.1.3 耐磨性能对比
• 4.1.4 耐高温性能对比
• 4.2 镀层抛光后的表面形貌
• 4.3 复合镀层的表面晶粒尺寸与硬度关系
• 4.4 本章小结
• 第五章 复合镀层的界面结合与强化机制
• 5.1 镀层与基体界面结合的理论分析
• 5.1.1 镀层的结合机理
• 5.1.2 镀层的界面生长模型
• 5.1.3 镀层的界面结构
• 5.1.4 影响镀层界面结合的因素
• 5.2 电刷镀纳米晶的形成
• 5.2.1 过电位与镀层形核生长的关系
• 5.2.2 高金属离子浓度与镀层形核生长的关系
• 5.2.3 电刷镀过程的摩擦作用与镀层形核与生长的关系
• 5.3 纳米复合镀层的强化机理
• 5.3.1 细晶（晶界）强化
• 5.3.2 纳米颗粒硬质点弥散强化
• 5.3.3 高密度位错强化
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历