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研究生:莊政霖
研究生(外文):cheng-lin chuang
論文名稱:無電鍍鎳陶瓷複合鍍層之磨耗腐蝕研究
論文名稱(外文):Study on the wear - corrosion properties of electroless nickel-ceramic composite coatings
指導教授:李正國李正國引用關係
指導教授(外文):Cheng-Kuo Lee
學位類別:碩士
校院名稱:清雲科技大學
系所名稱:機械工程研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2005
畢業學年度:93
語文別:中文
論文頁數:73
中文關鍵詞:無電鍍鎳複合鍍層乾磨耗腐蝕磨耗動態極化原子力顯微鏡表面粗糙度無電鍍鎳層無電鍍鎳液用微奈米複合鍍層氧化鋁粉
外文關鍵詞:Electroless nickel compositeDry wearWear -corrosionElectrochemical polarizationAFMSurface roughnessbeforestaticafter
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無電鍍鎳層由於具有耐磨耗與耐腐蝕性,已廣泛應用於化學、機械、以及電子工業。而無電鍍鎳複合鍍層,藉由PTFE及或SiC粒子的添加,改善了機械與磨潤的特性,也由於具有低的表面能量,提供了抗黏著與磨耗之特性。然而此種複合鍍層對於耐磨耗腐蝕性,缺乏系統性的研究與比較。本研究嘗試在無電鍍鎳液中加入不同濃度(1~25g/L)與粒徑(1µm與0.3µm)的氧化鋁(Al2O3)陶瓷粉末並與不同粒徑(0~2µm與0~0.5µm)的鑽石粉末作比較,使其共同析鍍於 AISI 4140 鋼基材上,以探討對於基材的機械性質、耐腐蝕、以及耐磨耗腐蝕之改善效應。鍍膜以塊對環(Block-on-ring)表面磨耗方式在空氣中與3% NaCl 水溶液環境下分析鍍膜的抗磨耗與抗磨耗腐蝕性,磨擦環為燒結氧化鋁(Al2O3)陶瓷,並且同時進行電化學腐蝕量測。使用掃描式電子顯微鏡(SEM)和X光能量散射分析儀(EDS),來分析薄膜腐蝕前後的表面微結構與元素成分。以原子力顯微鏡(AFM)量測試片腐蝕後的表面粗糙度。用微奈米硬度量測儀測得鍍膜硬度。
研究結果顯示無電鍍鎳/氧化鋁複合鍍層均能增加 AISI 4140 鋼之腐蝕保護性,其抗蝕能力會隨著氧化鋁粉末濃度的增加而增加,且會有一臨界濃度(16.65g/L)使耐腐蝕性達最大值,而氧化鋁粉的粒徑越小此最大耐腐蝕性越顯著,並與無電鍍鎳(1.67g/L)鑽石薄膜相當,當濃度超過此臨界濃度後鍍膜的抗蝕能力則有下降的趨勢。無電鍍鎳/氧化鋁複合鍍層之耐磨耗腐蝕對 AISI 4140 鋼基材也有明顯的改進效果,並會隨氧化鋁(Al2O3)陶瓷粉末濃度的增加而使硬度產生臨界最大值Hv816(濃度為10g/L)而顯示出最佳的耐磨耗腐蝕性,而且其效果可與無電鍍鎳(1.67g/L)鑽石薄膜相當。
Electroless nickel coatings have been widely used in the mechanical, chemical and electronic industries owing to their higher wear, abrasion and corrosion resistance. Electroless nickel composite coatings incorporated with PTFE and /or SiC particles exhibited a significantly beneficial effect of impoving mechanical and tribological properties, as well as low surface energy which are desired for anti-sticking and wear resistant applications. However, the wear-corrosion resistance of these composite coating has not been systematically studied and compared. The purpose of this study is to investigate the wear, corrosion and wear-corrosion resistance of electroless nickel composite coatings containing Al2O3 powder additive with different concentration (1~25g/L) and diameter (1μm and 0.3μm), and also adding the diamond powder with different diameter (0~2μm and 0~0.5μm) for compared. Using a block-on ring surface friction method to evaluate the dry wear and wear-corrosion behavior of these composite coatings in air and 3% NaCl solution, respectively. The friction ring counterpart is made of a sintered Al2O3. Electrochemical polarization measurements are performed for analyzing both corrosion and wear-corrosion characteristics under static and wearing conditions, respectively. Surface morphologies, element compositions and surface roughness of the composite coatings before and after all tests are analyzed by scanning electron microscopy (SEM), X-ray energy dispersive analyzer (EDS) and atomic force microscopy (AFM). Also, the surface hardness of these composite coatings is measured by a precision nano-indentation test instrument.
The experimental results indicated that all the electroless nickel composite coatings posses a beneficial effect to improve the corrosion protection, wear and wear-corrosion resistance for the AISI 4140 steel substrate. The corrosion resistance of the composite coatings increases with increasing concentration of Al2O3 powder, and a critical concentration of 16.65 g/L) with the maximum corrosion resistance is found, the maximum corrosion resistance value is more significant as less powder diameter, also it is comparable with the diamond powder addition at a concentration of 1.67g/L. The hardness of composite coatings increases with increasing Al2O3 powder concentrations, a critical maximum value of Hv 816 is obtained at concentration of 10 g/L, which also exhibited the best wear-corrosion resistance and its effect is comparable with the diamond powder addition at the concentration of 1.67g/L.
目錄
中文摘要 i
英文摘要 ii
致謝 iv
圖目錄 viii
表目錄 xi
第一章 前言 1
第二章 文獻回顧 4
2.1腐蝕的定義 4
2.2金屬腐蝕的原理 4
2.3鉻鉬合金鋼 6
2.4無電鍍鎳原理 7
2.4.1無電鍍特性 8
2.4.2無電鍍鎳鍍液的組成及特性 8
2.4.3無電鍍鎳的反應機構 9
2.4.4無電鍍鎳的應用 10
2.4.5磷含量對鍍層性質的影響 11
2.4.6鍍層界面的擴散現象 11
2.5電化學量測 12
2.5.1 極化原理 12
2.5.2 混合電位原理 15
2.6 磨耗理論 16
2.6.1磨耗腐蝕 17
2.7微奈米硬度 18
2.7.1 微奈米硬度機作動原理 18
第三章 實驗步驟 23
3.1 試片準備 24
3.2 試片前處理步驟 24
3.3 鍍浴配製 25
3.4 實驗步驟 25
3.6 薄膜表面微結構觀察 28
3.7 微奈米硬度試驗 29
3.8 乾磨耗試驗 30
3.9 AFM表面粗糙度量測 31
3.10 電化學腐蝕分析 31
3.11 磨耗腐蝕試驗 33
第四章 實驗結果與討論 34
4.1 鍍膜分析 34
4.1.1 鍍膜表面微觀組織形態 34
4.1.2 鍍膜橫截面微觀組織型態 40
4.1.3 鍍膜表面元素分佈情形 44
4.2 微奈米硬度試驗 48
4.2.1 負載-位移曲線圖 49
4.3 磨耗試驗 52
4.3.1 乾磨耗試驗 52
4.4 電化學腐蝕分析 57
4.5 腐蝕試驗後薄膜表面形態 59
4.6 腐蝕磨耗試驗 66
第五章 結論 69
參考文獻 70






















圖目錄
圖2.1 壓力管腐蝕情形 6
圖2.2 無電鍍鎳實驗設備示意圖 7
圖2.3 各種結晶結構之阻障層圖 12
圖2.4 氫離子在電極上還原作用造成濃度極化現象 14
圖2.5 總極化過電壓與電流之關係圖 15
圖2.6 鋅在鹽酸中的電極動力示意圖 16
圖2.7 腐蝕磨耗示意圖 17
圖2.8 Electrochemical corrosive wear testing apparatus, where W is the working electron, C is the counter electrode, and R is the reference electrode. 18
圖2.9 微奈米硬度機作動原理圖 19
圖2.10 不同材料卸載曲線彈性變形之恢復示意圖 19
圖2.11 卸載曲線初始部份之勁度 21
圖2.12 三角錐探針之針尖形狀圖 22
圖2.13 堆積式與沉入式壓痕示意圖 22
圖3.1 實驗流程圖 23
圖3.2 無電鍍鎳實驗設備示意圖 27
圖3.3 JEOL掃描式電子顯微鏡設備圖 28
圖3.4 UMIS Nano Indenter設備圖 29
圖3.5 Block-on-ring示意圖 31
圖3.6 電化學反應極化測量示意圖 32
圖3.7 Tafel extrapolation methode 示意圖 32
圖3.8 磨耗腐蝕示意圖 33
圖4.1 Ni-P薄膜表面微結構 34
圖4.2 Ni-P-1.67g/LAl2O3(1µm)氧化鋁薄膜表面微結構 35
圖4.3 Ni-P-5g/LAl2O3(1µm)氧化鋁薄膜表面微結構 35
圖4.4 Ni-P-10g/LAl2O3(1µm)氧化鋁薄膜表面微結構 36
圖4.5 Ni-P-10g/LAl2O3(0.3µm)氧化鋁薄膜表面微結構 36
圖4.6 Ni-P-16.65g/LAl2O3(1µm)氧化鋁薄膜表面微結構 37
圖4.7 Ni-P-16.65g/LAl2O3(0.3µm)氧化鋁薄膜表面微結構 37
圖4.8 Ni-P-21.65g/LAl2O3(1µm)氧化鋁薄膜表面微結構 38
圖4.9 Ni-P-25g/LAl2O3(1µm)氧化鋁薄膜表面微結構 38
圖4.10 Ni-P-1.67g /L Diamond powder(0~2µm)鑽石薄膜表面微結構 39
圖4.11 Ni-P-1.67g/L Diamond powder(0~0.5µm)鑽石薄膜表面微結構 39
圖4.12 鎳磷薄膜橫截面與元素成份圖 41
圖4.13 鎳磷氧化鋁薄膜橫截面與元素成份圖 42
圖4.14 鎳磷鑽石薄膜橫截面與元素成份圖 43
圖4.15 鎳磷薄膜元素分佈圖 44
圖4.16 鎳磷氧化鋁薄膜元素分佈圖 45
圖4.17 鎳磷鑽石薄膜元素分佈圖 46
圖4.18 鍍析不同濃度的鎳磷氧化鋁薄膜之氧化鋁粉含量圖 47
圖4.19 鍍析不同濃度的鎳磷氧化鋁薄膜之磷含量圖 47
圖4.20 不同濃度的鎳磷氧化鋁薄膜負載-位移曲線圖 49
圖4.21 不同粒徑的鎳磷氧化鋁薄膜與鑽石薄膜負載-位移曲線圖 50
圖4.22 鍍析不同濃度的鎳磷氧化鋁薄膜微之微奈米硬度值 51
圖4.23 鍍析不同粒徑的鎳磷氧化鋁薄膜與鎳磷鑽石薄膜微奈米硬度值 51
圖4.24 鎳磷氧化鋁鍍層與鑽石鍍層之摩擦係數比較圖 53
圖4.25 乾磨耗試驗後之薄膜表面破壞圖 54
圖4.26 AISI4140鋼表面粗糙度圖 55
圖4.27 鎳磷薄膜表面粗糙度圖 55
圖4.28 鎳磷氧化鋁薄膜表面粗糙度圖 56
圖4.29 鎳磷鑽石薄膜表面粗糙度圖 56
圖4.30 不同濃度之鎳磷氧化鋁薄膜在3%NaCl動態極化曲線圖 57
圖4.31 不同粒徑之鎳磷氧化鋁薄膜與鑽石薄膜在3%NaCl的溶液中動態極化曲線圖 58
圖4.32 AISI4140 鋼在3%NaCl溶液腐蝕過後的表面形態圖 60
圖4.33 Ni-P薄膜在3%NaCl溶液腐蝕過後的表面形態 60
圖4.34 Ni-P-1.67g/LAl2O3(1µm)鎳磷氧化鋁薄膜在3%NaCl溶液腐蝕過後的表面形態 61
圖4.35 Ni-P-5g/LAl2O3(1µm)鎳磷氧化鋁薄膜在3%NaCl溶液腐蝕過後的表面形態 61
圖4.36 Ni-P-10g/LAl2O3(1µm)鎳磷氧化鋁薄膜在3%NaCl溶液腐蝕過後的表面形態 62
圖4.37 Ni-P-10g/LAl2O3(0.3µm)鎳磷氧化鋁薄膜在3%NaCl溶液腐蝕過後的表面形態 62
圖4.38 Ni-P-16.7g/LAl2O3(1µm)鎳磷氧化鋁薄膜在3%NaCl溶液腐蝕過後的表面形態 63
圖4.39 Ni-P-16.7g/LAl2O3(0.3µm)鎳磷氧化鋁薄膜在3%NaCl溶液腐蝕過後的表面形態 63
圖4.40 Ni-P-21.6g/LAl2O3(1µm)鎳磷氧化鋁薄膜在3%NaCl溶液腐蝕過後的表面形態 64
圖4.41 Ni-P-25g/LAl2O3(1µm)鎳磷氧化鋁薄膜在3%NaCl溶液腐蝕過後的表面形態 64
圖4.42 Ni-P-1.67g/LDiamond powder(0~2µm)鑽石薄膜在3%NaCl溶液腐蝕過後的表面形態 65
圖4.43 Ni-P-1.67g/LDiamond powder(0~0.5µm)鑽石薄膜在3%NaCl溶液腐蝕過後的表面形態 65
圖4.44 鎳磷氧化鋁薄膜在3%NaCl的溶液中磨耗腐蝕之動態極化曲線圖 66
圖4.45 不同粒徑鎳磷氧化鋁薄膜與鑽石鍍膜在3%NaCl的溶液中磨耗腐蝕之動態極化曲線圖 67
圖4.46 鍍膜在3%NaCl的溶液中磨耗腐蝕後的表面形態圖 68












表目錄
表3.1 AISI4140鋼化學成分表 24
表3.2 加入電鍍鎳液中鑽石粉與氧化鋁粉濃度比例 27
表3.3 UMIS Nano Indenter 的主要規格 29
表4.1 鎳磷鑽石薄膜含碳量統計表 48
表4.2 乾磨耗試驗摩擦係數平均值 53
表4.3 鎳磷氧化鋁薄膜與鑽石薄膜腐蝕後之電化學極化特性值 59
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