摘要
45号钢在日常生活和工业生产中发挥着巨大的价值，但是由于其表面性能存在不足，严重限制其实际使用，因而迫切需要通过一些表面加工技术改善其表面性能。本文采用复合电沉积法，选用氨基磺酸盐镀液体系，在45号钢表面制备了Ni-Co合金镀层和Ni-Co-石墨烯复合镀层，对比研究了石墨烯对镀层的强化作用。采用L16(45)的正交试验法对工艺参数进行优选，选取显微硬度和摩擦系数两个指标，探究了石墨烯浓度、电流密度、镀液温度、搅拌速度、电镀时间5个因素对复合材料显微硬度和耐磨性的影响程度。 结合正交实验结果，采用单因素试验分别探讨了石墨烯浓度和电流密度两个因素对硬度、耐磨性和耐蚀性的影响规律。用平均摩擦系数和磨损量测试评估材料耐磨性，并分析了磨损机制。利用开路电位、电化学阻抗、塔菲尔极化曲线测试，评价复合镀层的耐腐蚀能力。利用SEM、EDS、XRD、Raman光谱分别对复合镀层的微观形貌、元素分布、相结构及石墨烯的存在进行相关表征与分析。 结果表明: (1)结合正交实验和单因素实验，最佳工艺条件为:石墨烯浓度3g/L，电流密度6A/dm2，镀液温度40℃，电镀时间60min，搅拌速度200r/min。显微硬度1270.8HV，较基底(288.9 HV)提升了339.9％，较镍钴合金镀层(559.3HV)提升了127.2％;摩擦系数0.1207，较基底(0.5287)降低了77.2％，较镍钴合金镀层(0.3857)降低了68.7％;磨损量0.00079mm2较基底(0.01173mm2)降低了93.3％，较镍钴合金镀层(0.00584 mm2)降低了86.5％。说明优化工艺强化了复合材料性能。 (2)随着石墨烯浓度升高，显微硬度出现先增大后减小的变化趋势;摩擦系数和磨损量变化趋势趋于一致，均先减小后增大。石墨烯浓度3g/L的时候显微硬度达到最大值957.7HV;摩擦系数在3g/L时最小值0.1915;磨损量在4g/L最小0.00079mm2。从耐蚀性来看，开路电位、容抗弧半径、塔菲尔曲线均在3g/L达到最佳。 (3)随着电流密度的增加，显微硬度变化趋势为增大后减小、摩擦系数和磨损量均先减小后增大。显微硬度在6A/dm2达到最大值1078.8HV，摩擦系数在6A/dm2达到最小值0.2473，磨损量在5A/dm2达到最小值0.00066mm2。从耐蚀性来看，开路电位在5A/dm2最接近零，容抗弧半径在6A/dm2最大，塔菲尔曲线在4A/dm2达到最佳。 (4)Ni-Co合金镀层磨损机制为磨粒磨损和剥层磨损，属于严重磨损。Ni-Co-石墨烯复合镀层由于石墨烯的添加使得磨损机理发生变化，由磨粒磨损变成微动磨损，减轻磨损程度。说明石墨烯的添加显著增强了镀层的耐磨性。 (5)通过SEM分析，Ni-Co镀层与Ni-Co-石墨烯复合镀层晶粒大小较为均匀，镀层结合力优异。EDS结果表明各元素在镀层中均匀弥散分布。根据XRD分析，与Ni-Co合金镀层相比，Ni-Co-石墨烯复合镀层晶粒尺寸较小;(002)晶面的出现说明复合镀层中存在石墨烯。根据拉曼光谱分析，证明复合镀层中存在石墨烯且损伤程度很低，与EDS碳含量结果一致。说明复合电镀可以在不破坏石墨烯独特结构的同时增强复合材料性能。
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