鎳-納米石墨復(fù)合鍍層的制備及其性能表征

劉 旭， 姜海峰， 於欣桐， 王璐瑤， 張 闖， 吳 化

（長春工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春130012）

0 前言

電沉積復(fù)合鍍層在提高材料的耐磨性方面發(fā)揮著良好的作用［1］。其中主要的復(fù)合鍍層有兩類：一類是以硬質(zhì)微粒為第二相的耐磨復(fù)合鍍層，另一類是含有軟相的減摩復(fù)合鍍層［2-3］。本實(shí)驗(yàn)利用納米石墨的減摩自潤滑特性，在銅基表面制備了鎳-納米石墨復(fù)合鍍層。研究了工藝條件對(duì)復(fù)合鍍層性能的影響，并討論了超聲波對(duì)改善鍍層質(zhì)量的作用。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

以純銅板為基體，尺寸為30 mm×20 mm×2mm。復(fù)合鍍層的基質(zhì)金屬為鎳，第二相微粒選用納米石墨。

1.2 樣品制備

選用 Watts 鍍 液：NiSO4·6H2O 280 g／L，NiCl2·6H2O 40g／L，H3BO335g／L，納米石墨1～5g／L，十二烷基硫酸鈉0.5g／L。電鍍工藝參數(shù)：pH值4～5，陰極電流密度3～5 A／dm2，溫度45～50℃，電鍍時(shí)間40min。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：SMD-30 型數(shù)控雙脈沖電鍍電源，KQ5200DE型數(shù)控超聲波清洗器，JJ-1A 型精密定時(shí)電動(dòng)攪拌器。

在上述鍍液配方及工藝條件下，于銅基表面制備鎳-納米石墨復(fù)合鍍層。

1.3 性能檢測(cè)

利用SUPRA40型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察樣品的表面形貌、復(fù)合鍍層的厚度及磨損后的磨痕形貌。利用FM700型硬度計(jì)檢測(cè)復(fù)合鍍層的硬度。利用UNMT-1型微納米力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)檢測(cè)復(fù)合鍍層的摩擦因數(shù)。利用激光共聚焦顯微鏡觀察并測(cè)試復(fù)合鍍層的表面粗糙度，同時(shí)檢測(cè)復(fù)合鍍層的電化學(xué)特性曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 納米石墨對(duì)復(fù)合鍍層性能的影響

表1為不同工藝條件下所得復(fù)合鍍層的性能參數(shù)。從表1中看出：隨著鍍液中納米石墨的質(zhì)量濃度的增加，復(fù)合鍍層的硬度先升高后降低。電沉積過程中吸附在陰極表面的納米石墨對(duì)電結(jié)晶過程的“封閉效應(yīng)”［4］，細(xì)化了鍍層組織。而當(dāng)鍍層中納米石墨過多時(shí)，由于它的強(qiáng)度過低，抵消了細(xì)化組織的作用。因此，隨著鍍液中納米石墨的質(zhì)量濃度的增加，復(fù)合鍍層中納米石墨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也在增大，鍍層的硬度出現(xiàn)了極值。

表1 不同工藝條件下所得復(fù)合鍍層的性能參數(shù)

圖1為不同工藝條件下所得復(fù)合鍍層的表面形貌。由圖1可知：隨著鍍液中納米石墨的質(zhì)量濃度的增加，復(fù)合鍍層的組織逐漸變得細(xì)小。

圖1 不同工藝條件下所得復(fù)合鍍層的表面形貌

圖2為不同工藝條件下所得復(fù)合鍍層的摩擦因數(shù)測(cè)試曲線。結(jié)合表1和圖2可知：當(dāng)鍍液中納米石墨的質(zhì)量濃度為3g／L時(shí)，復(fù)合鍍層的性能最佳。鍍液中納米石墨的質(zhì)量濃度為1g／L 時(shí)，雖然復(fù)合鍍層的硬度最高，但由于納米石墨在陰極表面的吸附量有限，細(xì)化鍍層組織的程度也有限［5］，導(dǎo)致復(fù)合鍍層的表面粗糙度不是最低。而當(dāng)鍍液中納米石墨的質(zhì)量濃度增至3g／L 時(shí)，納米石墨對(duì)復(fù)合鍍層形成時(shí)的電結(jié)晶過程產(chǎn)生“吸附”作用，致使電結(jié)晶速率放慢，鍍層表面粗糙度明顯下降。此時(shí)測(cè)得鍍層表面粗糙度最低，為0.972 2μm。由于鍍層表面粗糙度下降，使得鍍層表面與摩擦副之間的接觸點(diǎn)增加，單位質(zhì)點(diǎn)上承載減小，加之納米石墨的潤滑作用，使復(fù)合鍍層具有最小的摩擦因數(shù)。觀察到的磨痕形貌也能夠證明：復(fù)合鍍層表面粗糙度最小時(shí)，磨痕尺寸小且較為規(guī)則。

圖2 不同工藝條件下所得復(fù)合鍍層的摩擦因數(shù)測(cè)試曲線

2.2 超聲波對(duì)復(fù)合鍍層性能的影響

為了避免納米石墨過度地團(tuán)聚，施鍍過程中采用超聲波對(duì)其進(jìn)行分散。超聲波的“空化”作用不僅能分散團(tuán)聚的納米石墨［6-7］，還能細(xì)化復(fù)合鍍層的組織并改善其擇優(yōu)取向。電沉積過程中，受陰極極性的影響，沉積金屬離子沿垂直于陰極表面的方向向其運(yùn)動(dòng)，在陰極表面接受電子而還原。因此，電沉積獲得的鍍層一般都具有較為明顯的擇優(yōu)取向。純鎳鍍層為棱錐狀形貌。超聲波的施加，對(duì)剛剛在陰極表面還原結(jié)晶的金屬粒子而言，能夠降低它的吸附能力，阻礙晶體的進(jìn)一步長大，即對(duì)“擇優(yōu)取向”的生長方式起到阻礙作用；同時(shí)，超聲波的“空化”作用導(dǎo)致吸附弱的粒子從生長的晶體上脫落而變?yōu)椤霸鲋场钡木Ш耍瑥亩?xì)化了鍍層組織。從圖1中可以明顯地看出棱錐狀的改變和組織的細(xì)化。

2.3 納米石墨對(duì)復(fù)合鍍層電化學(xué)特性的影響

純鎳鍍層作為單質(zhì)金屬鍍層具有很好的電化學(xué)特性和耐蝕性。而鎳-納米石墨復(fù)合鍍層中由于引入軟質(zhì)、潤滑相——納米石墨，構(gòu)成了減摩鍍層。為了解其耐蝕性的變化，檢測(cè)了樣品的電化學(xué)特性，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同工藝條件下所得復(fù)合鍍層的極化曲線

由圖3可知：納米石墨的加入并沒有使自腐蝕電位有大的改變，說明鎳-納米石墨復(fù)合鍍層的耐腐蝕傾向改變得不明顯。但是當(dāng)鍍液中納米石墨的質(zhì)量濃度為5g／L時(shí)，復(fù)合鍍層的自腐蝕電流卻有明顯的提高。這表明當(dāng)復(fù)合鍍層中納米石墨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大時(shí)，在腐蝕介質(zhì)中容易形成更多的腐蝕微電池，導(dǎo)致復(fù)合鍍層的腐蝕速率增大。同時(shí)也提示，當(dāng)對(duì)鍍層有耐腐蝕要求時(shí)，復(fù)合鍍層中納米石墨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不易過高。

3 結(jié)論

（1）在其他工藝條件不變的情況下，改變鍍液中納米石墨的質(zhì)量濃度，所得鎳-納米石墨復(fù)合鍍層的硬度、摩擦因數(shù)及表面粗糙度等均有不同。當(dāng)鍍液中納米石墨的質(zhì)量濃度為3g／L 時(shí)，所得復(fù)合鍍層的綜合性能最佳，其硬度為3 060 MPa，表面粗糙度為0.972 2μm，摩擦因數(shù)為0.255 8。

（2）在鎳-納米石墨復(fù)合鍍層的制備過程中，施加超聲波，除減輕第二相的團(tuán)聚外，其空化作用還能細(xì)化復(fù)合鍍層的組織并改善復(fù)合鍍層的擇優(yōu)取向。

（3）隨著鍍液中納米石墨的質(zhì)量濃度的增加，所得鎳-納米石墨復(fù)合鍍層的電化學(xué)特性也會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)鍍夜中納米石墨的質(zhì)量濃度增至5g／L時(shí)，復(fù)合鍍層的自腐蝕電位雖沒有呈現(xiàn)發(fā)生明顯的變化，但自腐蝕電流明顯增大，表明復(fù)合鍍層的腐蝕速率明顯加快。

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