高性能镍硼合金镀层的制备与分析.docx

摘 摘 要 高性能镍硼合金镀层的制备与研究 摘要 —、、i长期以来，提高材料的耐磨性一直是一个困扰材料研究者的难 题，开发研制化学镀镍硼合金镀层对于解决这一难题极具潜力，特别 是基体材料尺寸精度要求高、避免工件变形的场合采用化学镀更具优 势。化学镀镍硼合金以其高硬度和制备温度低而倍受瞩目，该法工艺 简单、成本低廉，这对于节省大萤的资源和能源、提高材料使用与环 境之间的协调性具有重要意义。、『 本文针对化学镀镍硼合金的组织结构、性能进行了系统、全面地 研究，特别侧重探索高硬度镀层获得的途径，并力图弄清其产生的机 理。通过深入、系统地研究镍硼合金镀层的组织结构和硬度变化的规 律，发现了具有层错结构的非晶一晶态双结构镀层及其自然时效现象， 揭示了晶化反应及时效相变机制，为该合金涂层的进一步开发和应用 提供了重要的理论依据。 ／从化学镀沉积生长方式的理论模型出发，探讨了化学镀镍硼合金 镀层的生长沉积方式，通过实验证实了镀层的纵、横向生长速度之比 是决定沉积生长方式的关键因素。当纵向生长速度高于横向生长速度 时，镀层以柱状方式生长；反之，以粒状或叠层方式生长。不同生长 方式下形成的镀层组织结构和形貌有差异。这对控制镀覆工艺、调整 镀层结构具有重要的指导作用。丫 通过改变镀覆工艺条件得到影响镀层制备的几个关键因素。其中 还原剂、络合剂和镍盐的浓度以及温度等是影响镀速的主要因素。镀 层的硼含量主要取决于硼氢化钾的加入量；此外，镀速也对镀层硼含 量有一定影响。 上海交通大学I学博±学位论文 上海交通大学I学博±学位论文 l对镀态为非晶．晶态双结构的镍硼合金镀层进行了重点分析， TEM测定结果证实组织中有层错存在，迄今为止在化学镀镍硼合金 镀层中这一结构未见报道。形成该双结构取决于镀层硼含量及镀速。 对该结构镀层晶化相变的研究结果表明：晶化反应主要有三种类型， 分别在300℃、400℃、425 形成Ni3B、Ni2B、Ni483三种反应产物。 通过实验发现某些热处理态的镀层存在自然时效现象，表现为硬 度随时效时间的延长而降低。经XRD分析证实其原因是镀层中Ni。B3、 Ni。B相的出现，它们在室温下不稳定、易分解，造成镍硼合金镀层的 硬度发生改变。特别是经400℃或500℃处理后，镀层中出现Ni。B。 时，时效现象最为严重。 热处理过程中，影响镀层硬度的主要因素及其表现是：应力松弛、 氢气释放和硼的脱溶降低镀层硬度；晶化产物析出有助于提高硬度， 且随着其数量增加镀层硬度提高幅度加大，特别是出现Ni2B、Ni。B3 时，镀层硬度更高；但这些析出物的过度长大降低镀层硬度。300℃ 及低于该温度处理组织转变缓慢，长时间保温能使其发生转变，镀层 硬度提高；400℃及高于该温度处理时，晶化相变反应剧烈，硬度提 高幅度大。 通过AFM观察到热处理态的镀层晶粒表面形成纳米尺度的突起。 分析表明：它们的尺寸与镀层硬度之间满足正H-P关系，这为获得更 高硬度镀层提供了理论依据。实验中还发现：两步热处理法能够较好 地改变和控制镀层晶粒表面的纳米突起的尺寸，这与镍硼合金晶化产 物长大的有序原子集团切变沉积方式有关；通过该法获得的镀层硬度 比其它热处理工艺的高。 进一步通过激光表面处理实现对镍硼合金镀层的极端条件下热 处理，以获得更高硬度镀层。实验发现当激光功率为500W、扫描速 度60mm／s时，处理后的非晶一晶态双结构镀层出现硬度高达 HVl700～1900的局部镀层组织。分析表明，产生该现象的原因在于： 激光处理时，短暂的加热仅使硼原子发生近程扩散，这样晶化过程中 形成的镍硼化合物尺寸极为细小，从而获得具有超高硬度、细化的镍 硼合金组织。 II 捅 捅 要 摩擦磨损实验表明：镍硼合金镀层的摩擦磨损特性睫镀层的组织 结构、硬度及磨损条件而变化。在干摩擦条件下，摩擦系数随载荷的 增加呈下降趋势：磨损时的外加载荷存在一个临界载荷值，载荷高于 该值时，镀层磨损加剧：热处理后的镀层磨损率随滑动速度提高丽降 低，这与镀层产生保护性的氧化膜有关；高硬度的镍硼合金镀层在低 载、高滑动速度条件下具有最好的耐磨性。与干摩擦条件时相比较， 在油润滑的条件下，镍硼合金镀层的摩擦系数下降，耐磨性大幅提高， 这主要是由于磨损过程中镀层受到油膜的保护而使其磨损程度大为 减轻。镍钼硼合金镀层在镀态即具有非常好的耐磨性，故该合金镀层 特别适于基材要求尺寸精度高的场合。1 关键词：化学镀镍，镍硼合金， 硬陡，镀层，热处理，自然必警，激 光表面处理，耐磨性 i海交通大学I学博士学位论文——————————————————————————————————————H——————————————————一_————————————————————————————一 i海交通大学I学博士学位论文 —