Co-WC复合镀层制备及其性能研究

论文摘要

电沉积复合镀是一种新兴的复合表面技术，它在电镀溶液中加入不溶性固体颗粒，并使其与基质金属在阴极上共沉积，形成具有优异性能的新型镀层，这种电沉积技术正逐渐成为研究焦点。本文在直流、单脉冲两种电流方式下，选取WC颗粒为增强相，钴为镀层基质金属，在W18Cr4V基体上制备Co-WC复合镀层。研究了镀液中WC颗粒的添加量、电流密度、搅拌速率、脉冲占空比、脉冲频率等参数与复合镀层的性能之间的关系，确定了电沉积Co-WC复合镀层的最佳工艺参数；利用光学显微镜、扫描电镜（SEM）、能谱仪（EDS）和X-ray衍射仪（XRD）等手段对复合镀层的截面形貌、化学成分和相结构进行了观察和分析。结果表明， WC颗粒均匀地分布在Co基质镀层内，复合镀层与基体界面清晰，且结合紧密；整个复合镀层平整均匀，厚度120μm左右；镀态下复合镀层均为晶态结构。当镀液中WC颗粒添加量为35g/L时，直流电沉积复合镀层颗粒复合量和镀速均达到最大，分别为17.4wt.%和56.3μm/h；而采用脉冲电沉积时，当占空比为50%，频率为500Hz时，镀层颗粒复含量和镀速分别为18.78wt.%和60.7μm/h；当稀土CeO2添加量为6g/L时，复合镀层颗粒复合量和沉积速率为19.9wt.%和78.2μm/h；同时研究还得出：WC颗粒的加入能显著提高复合镀层的显微硬度和耐磨性，但是降低了复合镀层的耐蚀性能。用直流和脉冲电沉积技术分别制备了Co-WC复合镀层。研究结果表明，与直流镀层表面形貌相比，脉冲电沉积制备的复合镀层组织得到明显细化，晶粒尺寸减小，大小均匀，堆积更为紧密。探讨了不同电沉积方式对镀层沉积和生长过程的影响。结果表明，不同的电沉积方式并未使Co-WC复合镀层的晶体择优取向发生变化，脉冲电沉积使晶粒细化。直流电沉积时，基质金属的沉积连续进行，粒子在电极表面不间断的嵌入镀层，脉冲电沉积由于脉冲间歇存在使具有较大体积的粒子脱附重新回到溶液中，因此镀层中复合粒子尺寸小且均匀。脉冲电沉积得到的镀层晶粒细化，说明脉冲沉积方式阻碍了复合镀层中晶粒的长大，提高了电沉积过程中晶核的形成速率。在直流电沉积下，研究了稀土CeO2和LaCl3对复合镀层微观组织、显微硬度及摩擦磨损性能的影响。研究结果表明，添加适量稀土提高Co-WC复合镀层中WC颗粒的沉积量，使WC颗粒在镀层中的分布更加均匀；CeO2添加量为6g/L时，复合镀层平均显微硬度比未添加CeO2时提高15.68%；而添加0.2g/L稀土LaCl3时，复合镀层平均显微硬度比未添加LaCl3时提高13.47%。摩擦磨损试验结果表明，稀土能改善复合镀层的干摩擦特性，有效防止镀层片状脱落，对镀层耐磨性有明显改善作用，CeO2添加量为6g/L时，复合镀层磨痕轻且窄，比未添加CeO2的磨损量减少了70%。在400℃高温下研究复合镀层的摩擦磨损性能得出，无论是直流还是脉冲电沉积所制备的复合镀层的磨损量较室温低，说明在高温400℃下Co-WC复合镀层的耐磨性提高。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 复合电沉积
• 1.2.1 复合电沉积概述
• 1.2.2 复合电沉积的特点
• 1.2.3 复合电沉积的应用与发展过程
• 1.2.4 复合电沉积的沉积机理与模型
• 1.2.5 复合电沉积的影响因素
• 1.3 脉冲电沉积复合镀技术
• 1.3.1 脉冲电沉积的发展趋势
• 1.3.2 脉冲电沉积的基本原理
• 1.3.3 脉冲电沉积的特点
• 1.4 稀土在复合电沉积中的应用与作用机理
• 1.4.1 稀土改性技术在复合电镀中的研究和应用
• 1.4.2 稀土改性技术在复合电镀中作用机理
• 1.5 本课题研究目的与研究内容
• 2 实验设备仪器及实验方法
• 2.1 实验材料和设备
• 2.1.1 主要化学试剂及仪器设备
• 2.1.2 颗粒的预处理
• 2.2 镀液的选取及配制
• 2.2.1 镀液的选取
• 2.2.2 镀液的配制
• 2.3 CO-WC 复合镀层的制备
• 2.3.1 基体准备
• 2.3.2 电极准备
• 2.3.3 镀液的分散
• 2.3.4 实验工艺流程
• 2.4 CO-WC 复合镀层分析与测试方法
• 2.4.1 复合镀层微观形貌观察
• 2.4.2 镀层的组织及结构分析
• 2.4.3 复合镀层厚度及镀速测试
• 2.4.4 复合镀层中颗粒含量测定
• 2.4.5 复合镀层硬度测试
• 2.4.6 复合镀层耐蚀性测试
• 2.4.7 复合镀层耐磨性测试
• 2.5 本章小结
• 3 CO-WC复合镀层的组织形貌和性能研究
• 3.1 CO-WC 复合镀层的微观形貌
• 3.1.1 电流密度对 Co-WC 复合镀层表面形貌的影响
• 3.1.2 WC 添加量对 Co-WC 复合镀层表面形貌的影响
• 3.1.3 Co-WC 复合镀层的截面形貌
• 3.2 CO-WC 复合镀层的物相分析
• 3.3 工艺参数对 CO-WC镀层颗粒含量和沉积速率的影响
• 3.3.1 镀液中 WC 颗粒的添加量对镀层中颗粒含量的影响
• 3.3.2 镀液中 WC 颗粒的添加量对复合镀层沉积速率的影响
• 3.3.3 电流密度对 Co-WC 复合镀层中 WC 颗粒含量的影响
• 3.3.4 电流密度对 Co-WC 复合镀层沉积速率的影响
• 3.3.5 搅拌速度对 Co-WC 复合镀层中 WC 沉积量的影响
• 3.3.6 搅拌速度对 Co-WC 复合镀层沉积速率的影响
• 3.3.7 电沉积 Co-WC 复合镀层的最佳工艺参数
• 3.4 CO-WC 复合镀层的硬度
• 3.4.1 WC 颗粒添加量对 Co-WC 复合镀层显微硬度的影响
• 3.4.2 电流密度对 Co-WC 复合镀层显微硬度的影响
• 3.4.3 搅拌速度对 Co-WC 复合镀层显微硬度的影响
• 3.5 CO-WC 复合镀层的电化学性能研究
• 3.5.1 镀液中 WC 颗粒对 Co-WC 复合镀层耐蚀性能的影响
• 3.5.2 Co-WC 复合镀层耐腐蚀机理探讨
• 3.6 本章小结
• 4 脉冲电沉积CO-WC复合镀层组织形貌和性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验内容与方法
• 4.2.1 脉冲波形及脉冲参数
• 4.2.2 脉冲电镀过程
• 4.2.3 脉冲电沉积 Co-WC 复合镀层的制备与结构表征
• 4.3 实验结果与讨论
• 4.3.1 脉冲占空比对 Co-WC 复合镀层表面形貌的影响
• 4.3.2 不同电沉积方式对镀层表面形貌的影响
• 4.3.3 脉冲电沉积 Co-WC 复合镀层的截面形貌
• 4.4 脉冲电沉积的物相分析
• 4.5 脉冲参数对 CO-WC复合镀层沉积速率和镀层沉积量的影响
• 4.5.1 占空比对 Co-WC 复合镀层沉积速率和 WC 颗粒复合量的影响
• 4.5.2 频率对 Co-WC 复合镀层沉积速率和 WC 颗粒复合量的影响
• 4.6 脉冲电沉积 CO-WC复合镀层的硬度
• 4.6.1 不同频率下占空比对 Co-WC 复合镀层显微硬度的影响
• 4.6.2 电沉积方式对 Co-WC 复合镀层显微硬度的影响
• 4.7 脉冲电沉积 CO-WC复合镀层的电化学性能
• 4.8 脉冲电沉积 CO-WC复合镀层机理探讨
• 4.9 本章小结
• 5 稀土对电沉积CO-WC复合镀层性能的影响
• 5.1 引言
• 5.2 实验内容与方法
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 CeO2添加量对 Co-WC 复合镀层沉积速率和 WC 复合量的影响
• 5.3.2 LaCl3添加量对 Co-WC 复合镀层沉积速率和 WC 复合量的影响
• 5.3.3 稀土对 Co-WC 复合镀层微观形貌的影响
• 5.3.4 稀土对 Co-WC 复合镀层物相的影响
• 5.3.5 稀土对 Co-WC 复合镀层硬度的影响
• 5.3.6 稀土对 Co-WC 复合镀层耐蚀性能的影响
• 5.4 稀土对电沉积 CO-WC复合镀层沉积机理研究
• 5.5 本章小结
• 6 CO-WC复合镀层摩擦磨损性能研究
• 6.1 引言
• 6.2 试验方法
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 WC 颗粒对 Co-WC 复合镀层摩擦磨损性能的影响
• 6.3.2 电流密度对 Co-WC 复合镀层摩擦磨损性能的影响
• 6.3.3 占空比对 Co-WC 复合镀层摩擦磨损性能的影响
• 6.3.4 稀土对 Co-WC 复合镀层摩擦磨损性能的影响
• 6.3.5 不同 Co-WC 复合镀层在高温条件下的摩擦磨损性能研究
• 6.4 CO-WC 复合镀层摩擦磨损机理探讨
• 6.5 本章小结
• 7 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况