鎳-納米石墨復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

（長春工業大學 材料科學與工程學院，吉林 長春130012）

0 前言

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

1 實驗

1.1 實驗材料

以純銅板為基體，尺寸為30 mm×20 mm×2mm。復合鍍層的基質金屬為鎳，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：pH值4～5，陰極電流密度3～5 A／dm2，溫度45～50℃，電鍍時間40min。

實驗設備：SMD-30 型數控雙脈沖電鍍電源，KQ5200DE型數控超聲波清洗器，JJ-1A 型精密定時電動攪拌器。

在上述鍍液配方及工藝條件下，于銅基表面制備鎳-納米石墨復合鍍層。

1.3 性能檢測

利用SUPRA40型場發射掃描電鏡觀察樣品的表面形貌、復合鍍層的厚度及磨損后的磨痕形貌。利用FM700型硬度計檢測復合鍍層的硬度。利用UNMT-1型微納米力學測試系統檢測復合鍍層的摩擦因數。利用激光共聚焦顯微鏡觀察并測試復合鍍層的表面粗糙度，同時檢測復合鍍層的電化學特性曲線。

2 結果與討論

2.1 納米石墨對復合鍍層性能的影響

表1為不同工藝條件下所得復合鍍層的性能參數。從表1中看出：隨著鍍液中納米石墨的質量濃度的增加，復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電結晶過程的“封閉效應”［4］，細化了鍍層組織。而當鍍層中納米石墨過多時，由于它的強度過低，抵消了細化組織的作用。因此，隨著鍍液中納米石墨的質量濃度的增加，復合鍍層中納米石墨的質量分數也在增大，鍍層的硬度出現了極值。

表1 不同工藝條件下所得復合鍍層的性能參數

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

圖1 不同工藝條件下所得復合鍍層的表面形貌

圖2為不同工藝條件下所得復合鍍層的摩擦因數測試曲線。結合表1和圖2可知：當鍍液中納米石墨的質量濃度為3g／L時，復合鍍層的性能最佳。鍍液中納米石墨的質量濃度為1g／L 時，雖然復合鍍層的硬度最高，但由于納米石墨在陰極表面的吸附量有限，細化鍍層組織的程度也有限［5］，導致復合鍍層的表面粗糙度不是最低。而當鍍液中納米石墨的質量濃度增至3g／L 時，納米石墨對復合鍍層形成時的電結晶過程產生“吸附”作用，致使電結晶速率放慢，鍍層表面粗糙度明顯下降。此時測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增加，單位質點上承載減小，加之納米石墨的潤滑作用，使復合鍍層具有最小的摩擦因數。觀察到的磨痕形貌也能夠證明：復合鍍層表面粗糙度最小時，磨痕尺寸小且較為規則。

圖2 不同工藝條件下所得復合鍍層的摩擦因數測試曲線

2.2 超聲波對復合鍍層性能的影響

為了避免納米石墨過度地團聚，施鍍過程中采用超聲波對其進行分散。超聲波的“空化”作用不僅能分散團聚的納米石墨［6-7］，還能細化復合鍍層的組織并改善其擇優取向。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動，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取向。純鎳鍍層為棱錐狀形貌。超聲波的施加，對剛剛在陰極表面還原結晶的金屬粒子而言，能夠降低它的吸附能力，阻礙晶體的進一步長大，即對“擇優取向”的生長方式起到阻礙作用；同時，超聲波的“空化”作用導致吸附弱的粒子從生長的晶體上脫落而變為“增殖”的晶核，從而細化了鍍層組織。從圖1中可以明顯地看出棱錐狀的改變和組織的細化。

2.3 納米石墨對復合鍍層電化學特性的影響

純鎳鍍層作為單質金屬鍍層具有很好的電化學特性和耐蝕性。而鎳-納米石墨復合鍍層中由于引入軟質、潤滑相——納米石墨，構成了減摩鍍層。為了解其耐蝕性的變化，檢測了樣品的電化學特性，結果如圖3所示。

圖3 不同工藝條件下所得復合鍍層的極化曲線

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-納米石墨復合鍍層的耐腐蝕傾向改變得不明顯。但是當鍍液中納米石墨的質量濃度為5g／L時，復合鍍層的自腐蝕電流卻有明顯的提高。這表明當復合鍍層中納米石墨的質量分數增大時，在腐蝕介質中容易形成更多的腐蝕微電池，導致復合鍍層的腐蝕速率增大。同時也提示，當對鍍層有耐腐蝕要求時，復合鍍層中納米石墨的質量分數不易過高。

3 結論

（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量濃度，所得鎳-納米石墨復合鍍層的硬度、摩擦因數及表面粗糙度等均有不同。當鍍液中納米石墨的質量濃度為3g／L 時，所得復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，摩擦因數為0.255 8。

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

（3）隨著鍍液中納米石墨的質量濃度的增加，所得鎳-納米石墨復合鍍層的電化學特性也會發生變化。當鍍夜中納米石墨的質量濃度增至5g／L時，復合鍍層的自腐蝕電位雖沒有呈現發生明顯的變化，但自腐蝕電流明顯增大，表明復合鍍層的腐蝕速率明顯加快。

［1］RUDNIK E，BURZYNSKA L，DOLASINSKI L，etal.Electrodeposition of nickel／SiC composites in the presence of cetyltrimethylammonium bromide［J］.Applied Surface Science，2010，256（24）：7414-7420.

［2］SRIVASTAVA M，WILLIAM GRIPS V K，RAJAM K.Structure and properties of electrodeposited Ni-Co-YZA composite coatings［J］.Journal of Applied Electrochemistry，2008，38（5）：669-677.

［3］李雪松，吳化，楊友.黑Cr-C納米復合功能鍍層的制備及影響因素［J］.特種鑄造及有色金屬，2007，27（7）：504-507.

［4］于芝蘭.金屬防護工藝原理［M］.北京：國防工業出版社，1990.

［5］吳化，陳濤，王慶輝.電沉積Ni-SiC納米復合鍍層的顯微組織分析［J］.材料工程，2011（12）：48-52.

［6］薛玉君，劉紅彬，蘭明明，等.超聲條件下脈沖電沉積Ni-CeO2納米復合鍍層的高溫抗氧化性［J］.中國有色金屬學報，2010，20（8）：1599-1604.

［7］CHANG L M，GUO H F，AN M Z.Electrodeposition of Ni-Co／Al2O3composite coating by pulse reverse method under ultrasonic condition［J］.Materials Letters，2008，62（19）：3313-3315.