苏ICP备112451047180号-6
简介
纳米材料由于粒径及其重要的晶界体积分数和三联点大大减少，与传统的多晶或非晶材料相比呈现出许多不同寻常的力学、物理、化学和电化学性能。在许多工程应用中,耐磨性是最重要的机械性能之一,因为磨损占50%以上材料的损失。晶粒尺寸的减少已被证实对纳米材料的耐磨损性有显著改善。以纳米结构WC-Co复合材料为例，WC晶粒尺寸减小到70 nm，耐磨性比传统的金属、陶瓷高近一倍 。用电沉积法制备的10~100um晶粒尺寸复合材料相比于100~170nm晶粒尺寸的多晶镍耐磨性提高10~20倍，摩擦系数只有45~50%。在微型销盘试验中，当铝的晶粒尺寸从1毫米减小到16纳米，峰值系数下降了57%。
在这项研究中，泰伯磨损试验定量研究了晶粒尺寸的减小对电沉积纳米镀层的耐磨性的影响。
实验
纳米镍涂层的芯模是符合美国钢铁协会的10x10平方厘米的低碳钢。把他们排成600目，用超声清洗5分钟，用去离子水冲洗。纳米晶镍在电解池中被脉冲电流电沉积到芯模上。纳米镍镀层的厚度在40~50um。
用透射电镜、扫描电镜和X射线衍射仪对涂层的微观结构进行了观察。在电解电压直流30 V 用10%高氯酸+15%乙酸+75% +15摄氏度甲醇制备抛光TEM分析样品。用维氏硬度计hmv-2000在施加平均50g的载荷下对每层表面涂层的硬度测定。
Taber磨损试验是公认的对许多材料的摩擦磨损性能测定的标准方法，其中包括金属涂层。使用独特的“×”的磨损模式，特定负载的双砂轮被放置在试样上，滑动磨损作用发生时，试样是旋转的。在这项研究中，使用了CS-17砂轮由嵌入式氧化铝磨料颗粒橡胶 制成。表1显示了基于ASTM D 4060泰伯磨损试验的试验条件、ASTM C 501，美国军用规范mil-a-8625f和日本工业标准H 8503。每1000个周期后，试样用去离子水清洗5分钟，然后用0.1毫克的试样测量重量损失。使用150粒度砂纸对砂轮表面进行重磨去除堵塞或污染的磨损颗粒。
磨损数据由Taber磨损指数（TWI）表示，这是在每一千周期1毫克的磨粒磨重量损失。
结果与讨论
通过控制镀液成分和脉冲电镀工艺参数，得到了4种不同晶粒尺寸的纳米晶体镍镀层。 从透射电镜观察分别到300纳米，13纳米，18纳米，214纳米的纳米晶体。图1显示了纳米晶粒尺寸的镍镀层的亮场图像、暗视场图像、电子衍射花样和晶粒尺寸分布。图1(c)表明（111）、（200）、（220）和（311）纳米镍镀层的前四环。多晶镍板的晶粒厚度为90毫米，在1000°C完全退火60分钟，并在炉内冷却，进行测试，比较耐磨性。
图2是纳米镍镀层和多晶镍在Hall-Petch形式显示晶粒尺寸、硬度的变化。虽然硬度随晶粒尺寸的减小而增大，但从90毫米到13纳米，硬度随着晶粒尺寸的减小而减小。从传统的Hall-Petch关系也可以看出，这种偏差已经在许多先前的研究观察到。
图1。纳米晶镍镀层（13纳米平均晶粒尺寸）的电子衍射图（一）和暗视场（二）和暗视场。
也就是说，磨损率是在许多工程应用中控制材料损失最重要的因素之一。在Taber磨损试验，磨损率可以定义为平均厚度除以每周期的重量损失。
图2。硬度变化的平均晶粒尺寸。
图3。平均磨损率作为磨损周期函数
其中w是磨损率，t为厚度损失，N为周期数，DV的体积损失，R是密度(在这里,ϭ镍8.9克/厘米)。
图3是平均磨粒磨损率作为一个磨损周期的函数（最多至10000个周期），而图4显示了在磨损试验前和10000个磨损周期后三个的试样的表面形貌（90毫米，62纳米和13纳米晶粒尺寸）。对于纳米涂层，约6000个磨损周期后达到稳态磨损率。前几次循环，在磨损中不规则的表面形态可能是由于电沉积的不规则导致如图4B和4C。多晶材料的磨损率，另一方面，随着磨损周期接近稳定值的增加而增加。
图4。多晶镍和纳米晶体镍涂层的表面形态
当检查不同材料的磨损形貌（图4）时，可以理解磨损中的差异。在柔软的多晶镍如图4d，氧化铝颗粒发生塑性变形作用。可以认为，在磨损试验的早期阶段，大量的镍被重新分配在这些表面涂中起到润滑作用。然而，由于磨损周期的增加，表面的多晶材料的磨损。结果表明位错密度增加，微切削材料去除的磨损率增加。稳态磨损率的测试结束时，测量在该测试点表面加工硬化多晶镍的磨损率。这是关于多晶样品的硬度测量的进一步研究。
如图2所示，磨损试验中硬度124±1 VHN的多晶镍经过10000个周期后在磨损区域的硬度变为161±13 VHN。应该注意的是，接近磨损轨道的表面硬度可能更高。需要纳米压痕测量进一步证实了这一点。
在纳米材料的平均晶粒尺寸为13 nm事，磨损的沟槽宽度很小，塑性变形（如侧脊的形成）是可以忽略不计的（图4f）。这基础上是可以理解（如图2）纳米晶镍的晶粒尺寸小于20纳米之前观察到的加工硬化可以忽略不计。在这种材料的磨损试验之前，显微测量硬度（618 ±18 VHN）和10000个周期后（631±29 VHN）间接的为这材料低硬化加工进一步支持。62纳米晶粒尺寸的镍镀层（图4E）和214 nm（未显示）表现出有限的侧脊，形成一些塑性流动。一般情况下，磨损率对孔隙的材料有相当大的影响。然而，在目前的研究中，对纳米材料镀层稳态区致密无孔，磨损率不受孔隙度影响。
硬度提高耐磨性的提高，在这种情况下，由于晶粒尺寸的减小，通常利用Archard定律表达磨损体积损失之间的关系（DV），施加的载荷（L，这里1000 GF），滑动距离（S，这里的23.8 cmcycle）磨损表面的硬度（H）。Archard定律已应用于粘合剂和磨料磨损条件下。图5显示的是在10000次循环后体积损失作为所有镍样品的逆维氏硬度函数，这表明了磨损体积的逆维氏硬度线性损失比例。实验数据拟合Archard定律与R
=0.977。
如图6所示的TWI和多晶镍纳米晶镍镀层，平均晶粒尺寸之间的关系。 随着晶粒尺寸的减小，如预期TWI迅速降低硬度增加。
图5。体积损失作为逆维氏硬度的函数。
根据ASTM规范intralaboratory泰伯测试结果,系数变化,标准差除以平均双胞胎表示为一个百分比,应该在9%(ASTM C 501)或10%(ASTM D 4060)判断结果的可靠在95%以上
。在目前的研究中,变异系数在1.2~9.9%的范围。
总结
采用Taber磨损试验定量研究了晶粒细化对纯镍耐磨性的影响。当晶粒尺寸从多晶纳米范围减小，磨粒磨损性能如预期增加硬度大大增加。泰伯磨损试验后观察到的是大量的塑性变形多晶镍，随着晶粒尺寸的减小，塑性变形大大减少成为可以忽略不计的最小晶粒尺寸为13纳米。
图6。泰伯磨损指数平均晶粒尺寸的函数。
鸣谢
感谢自然科学和工程研究委员会（NSERC）加拿大、安大略发电和Integran技术资金支持。
图2。硬度变化的平均晶粒尺寸。
图3。平均磨损率作为磨损周期函数
其中w是磨损率，t为厚度损失，N为周期数，DV的体积损失，R是密度(在这里,ϭ镍8.9克/厘米)。
图3是平均磨粒磨损率作为一个磨损周期的函数（最多至10000个周期），而图4显示了在磨损试验前和10000个磨损周期后三个的试样的表面形貌（90毫米，62纳米和13纳米晶粒尺寸）。对于纳米涂层，约6000个磨损周期后达到稳态磨损率。前几次循环，在磨损中不规则的表面形态可能是由于电沉积的不规则导致如图4B和4C。多晶材料的磨损率，另一方面，随着磨损周期接近稳定值的增加而增加。
图4。多晶镍和纳米晶体镍涂层的表面形态
当检查不同材料的磨损形貌（图4）时，可以理解磨损中的差异。在柔软的多晶镍如图4d，氧化铝颗粒发生塑性变形作用。可以认为，在磨损试验的早期阶段，大量的镍被重新分配在这些表面涂中起到润滑作用。然而，由于磨损周期的增加，表面的多晶材料的磨损。结果表明位错密度增加，微切削材料去除的磨损率增加。稳态磨损率的测试结束时，测量在该测试点表面加工硬化多晶镍的磨损率。这是关于多晶样品的硬度测量的进一步研究。
如图2所示，磨损试验中硬度124±1 VHN的多晶镍经过10000个周期后在磨损区域的硬度变为161±13 VHN。应该注意的是，接近磨损轨道的表面硬度可能更高。需要纳米压痕测量进一步证实了这一点。
在纳米材料的平均晶粒尺寸为13 nm事，磨损的沟槽宽度很小，塑性变形（如侧脊的形成）是可以忽略不计的（图4f）。这基础上是可以理解（如图2）纳米晶镍的晶粒尺寸小于20纳米之前观察到的加工硬化可以忽略不计。在这种材料的磨损试验之前，显微测量硬度（618 ±18 VHN）和10000个周期后（631±29 VHN）间接的为这材料低硬化加工进一步支持。62纳米晶粒尺寸的镍镀层（图4E）和214 nm（未显示）表现出有限的侧脊，形成一些塑性流动。一般情况下，磨损率对孔隙的材料有相当大的影响。然而，在目前的研究中，对纳米材料镀层稳态区致密无孔，磨损率不受孔隙度影响。
硬度提高耐磨性的提高，在这种情况下，由于晶粒尺寸的减小，通常利用Archard定律表达磨损体积损失之间的关系（DV），施加的载荷（L，这里1000 GF），滑动距离（S，这里的23.8 cmcycle）磨损表面的硬度（H）。Archard定律已应用于粘合剂和磨料磨损条件下。图5显示的是在10000次循环后体积损失作为所有镍样品的逆维氏硬度函数，这表明了磨损体积的逆维氏硬度线性损失比例。实验数据拟合Archard定律与R
=0.977。如图6所示的TWI和多晶镍纳米晶镍镀层，平均晶粒尺寸之间的关系。 随着晶粒尺寸的减小，如预期TWI迅速降低硬度增加。
图5。体积损失作为逆维氏硬度的函数。
根据ASTM规范intralaboratory泰伯测试结果,系数变化,标准差除以平均双胞胎表示为一个百分比,应该在9%(ASTM C 501)或10%(ASTM D 4060)判断结果的可靠在95%以上
。在目前的研究中,变异系数在1.2~9.9%的范围。
总结
采用Taber磨损试验定量研究了晶粒细化对纯镍耐磨性的影响。当晶粒尺寸从多晶纳米范围减小，磨粒磨损性能如预期增加硬度大大增加。泰伯磨损试验后观察到的是大量的塑性变形多晶镍，随着晶粒尺寸的减小，塑性变形大大减少成为可以忽略不计的最小晶粒尺寸为13纳米。
图6。泰伯磨损指数平均晶粒尺寸的函数。
鸣谢
感谢自然科学和工程研究委员会（NSERC）加拿大、安大略发电和Integran技术资金支持。