電沉積鎳基復合鍍層的研究概況

徐　婷，焦玉民，劉　斌，劉　晴

(1.解放軍理工大學 野戰工程學院，江蘇　南京　210007； 2.94679部隊，江蘇　南京　210038)

0　引言

隨著科技的進步，為滿足解決實際工程問題的需要，人們對機械工程材料及其表面改性處理方法進行了深入的研究。目前，工程材料表面改性技術主要有：濕法(電沉積、電刷鍍、化學鍍等)和熱加工法(熱噴涂、氣相沉積、激光等)兩類，其中，近年來高速發展起來的電沉積復合鍍層以其獨有的制備特點和獨特的物理化學和力學性能而獲得了廣泛的關注，已成為復合材料研究領域的一大熱點[1]。

復合電沉積是在普通鍍液中添加了無機、有機或金屬等不溶性的固體顆粒，并使之在鍍液中充分懸浮，在金屬離子陰極還原的同時，將顆粒吸附或包覆與金屬共沉積制備復合鍍層的技術[2]。利用電沉積方法在機械零部件表面制備各種復合保護膜，賦予其需要的特殊功能，能有效提高機件的使用壽命，減少原材料的消耗，獲得良好的經濟效益。

復合電鍍層的基質金屬由單一金屬向多元化合金方向發展，種類繁多，其中鎳基復合鍍層研究應用最早最廣泛。本文主要就電沉積鎳基復合鍍層的研究和應用概況進行論述。

1　電沉積鎳基復合鍍層的研究概況

隨著復合電沉積技術的不斷發展，一系列具有實用價值的電沉積鎳基復合鍍層被開發出來，如耐磨減摩鍍層、自潤滑鍍層、電催化鍍層、耐腐蝕鍍層、抗高溫氧化鍍層等，它們在機械、電力電子、航空航天、化工冶金等領域均有著廣泛的應用前景。

1.1　耐磨減摩復合鍍層

耐磨減摩鎳基復合電鍍層的分散相顆粒成分主要是無機材料，且大都具有高強度、高硬度等特性。王立平等[3]制備了含有納米金剛石的Ni-Co合金基復合鍍層；石雷等[4]對Ni-Co-SiC納米復合鍍層的摩擦學性能進行了研究;Shi等[5]研究了Ni-Co-Si3N4納米復合鍍層的摩擦學性能，結果都表明:利用復合電沉積技術在鎳基表面引入無機不溶性顆粒能顯著改善材料的摩擦磨損性能。而影響復合鍍層性質的因素中，研究較多的是分散顆粒的含量和粒徑大小。

復合鍍層的耐磨性往往會隨著顆粒含量的增大而提高，但有時顆粒含量過大時，耐磨性反而會下降。戴高鵬等[6]和Vaezi等[7]分別發現，隨著鍍層中SiC納米顆粒含量的增加，Ni-Fe-W-SiC納米復合鍍層和Ni-SiC納米復合鍍層的硬度增大，磨損率降低。Narasimman等[8]對Ni-SiC復合鍍層的研究發現，SiC顆粒含量存在一個最佳范圍：SiC顆粒含量較低時，隨著顆粒含量增大，鍍層中顆粒間距減小，增大了顆粒與基質金屬間的結合強度，同時提高了鍍層的硬度，使得鍍層耐磨性提高；但當顆粒含量超過最佳值后，部分未被基質金屬牢固嵌合的顆粒易發生脫落導致磨粒磨損，降低了鍍層的耐磨性能。

分散相顆粒粒徑大小對復合鍍層耐磨性也有較大影響。許長慶等[9]利用電沉積法制備了Ni-W-Co-B4C復合鍍層，結果表明：鍍層磨損量隨著B4C顆粒粒徑增大而增大。Srivastava等[10]的試驗結果表明：納米級的Ni-SiC(25 nm)復合鍍層比微米級的Ni-SiC(1 μm)復合鍍層表現出更好的耐磨性能，但Ni-Co-SiC(微米)復合鍍層的耐磨性能優于Ni-Co-SiC(納米)復合鍍層，認為這是由于Co對SiC顆粒具有良好的濕潤性，Co的存在增強了SiC顆粒與基質金屬的結合強度，抑制了SiC顆粒脫落。

1.2　自潤滑性復合鍍層

自潤滑性復合鍍層作為一種固體減摩材料，其摩擦因數小，磨損少，制備工藝簡單，投資成本低，且在400 ℃以上高溫、0 ℃以下低溫、高真空和強輻射條件下不氧化、燃燒或凝固，與液態潤滑劑相比具有獨特的優勢，因而受到廣泛的關注[11]。自潤滑鎳基復合電鍍層常用的分散相顆粒有氟化石墨(CF)n、二硫化鉬MoS2、聚四氟乙烯PTFE、碳納米管CNTs等。

氟化石墨(CF)n即使在高溫、高壓、高速的摩擦狀態下，仍具有良好的熱穩定性、承載性、耐磨性和潤滑性能。20世紀70年代，Uyemura研究了自潤滑復合鍍層電沉積工藝，將(CF)n顆粒加入到鎳基中制得了具有優良減摩耐磨性能的復合鍍層Ni-(CF)n。日本鈴木摩托車公司制備的Ni-SiC-(CF)n復合鍍層在活塞和內燃機的氣缸上也已得到了廣泛的應用[12]。

MoS2是一種自潤滑性優良的固體微粒，將其加入到電鍍液中沉積出的Ni-MoS2自潤滑鍍層是目前鋁材表面的一種新鍍層[13]。向軍準等[14]在最優工藝配合下制備了摩擦學性能優異的Ni-MoS2自潤滑復合鍍層，研究表明：當鍍層中MoS2顆粒濃度為3 g/L時，獲得的Ni-MoS2復合鍍層具有顯著的減摩耐磨效果，對偶件純鋁的磨損量僅為純鎳鍍層與純鋁摩擦副的1/3。

聚四氟乙烯(PTFE)熱穩定性和化學穩定性極好，是一種非常優越的固體潤滑材料。唐宏科等[15]采用電沉積方法制備了表面PTFE分布均勻的Ni-Co-PTFE自潤滑復合鍍層，在合適的PTFE用量和工藝條件下，復合鍍層獲得了優良的自潤滑性能，顯微硬度HV0.05可達600，摩擦因數可達0.08。

碳納米管(CNTs)是一種一維量子材料，具有很高的彈性、拉伸張力和強度, 是制備功能復合材料的重要增強相。陳衛祥等[16]采用電沉積法制備了Ni-P-CNTs復合鍍層，其具有比Ni-P合金鍍層更高的硬度、更好的耐磨性和更低的摩擦因數，且隨著CNTs顆粒濃度的增加，復合鍍層的耐磨性能提升、摩擦因數降低。分析其原因是CNTs顆粒產生的彌散強化作用提高了復合鍍層的強硬度，同時CNTs還起到承載作用和潤滑劑作用，降低了摩擦磨損的程度。

1.3　電催化性復合鍍層

電催化功能復合鍍層能提高電極在析氫和析氧反應中的穩定性和電催化活性，極大地減少能耗，是一種意義重大的功能材料，已廣泛應用于化工、冶金、電子等行業[17]。

劉善淑等[18]制得了Ni-P-ZrO2復合電極，李凝等[19]制備了Ni-Mo-ZrO2復合電極，高峻峰等[20]研制了Ni-S-Co-ZrO2復合電極，通過對析氫行為和機制的分析研究，他們都發現ZrO2顆粒的引入有效地提高了電極對析氫反應的催化效果，較低的反應電阻和較大的比表面積被認為是使復合電極具有更優電催化性和穩定性的主要原因。鄒勇進等[21]采用電沉積方法制得了Ni-W-TiO2復合電極并研究了其析氫機制，結果表明：復合電極表現出比Ni-W合金鍍層更高的析氫電催化活性，可用作電解水反應的活性電極。

近年來，稀土元素由于具備優良的物理化學性能被研究作為電催化材料。王森林團隊[22-23]采用電沉積制備了多孔復合Ni-P/LaNi5電極并研究了其析氫電催化性能，La的引入使得復合電極具有更低的析氫過電位、更大的電極表面積、更高的電化學穩定性和電催化活性。

1.4　耐腐蝕性復合鍍層

鎳鍍層作為防護裝飾性耐腐蝕鍍層，其晶體結構細小致密、內應力低、耐蝕性很好，廣泛用在汽車、自行車、各種機械、儀表及日用工業品中。

曾斌等[24]在碳鋼基體表面電沉積得到納米SiO2粒子/鎳基復合鍍層(Ni-P)-SiO2，采用失重法和電化學方法試驗結果表明復合鍍層具有更好的耐腐蝕性能，作者認為復合鍍層的腐蝕行為與復合粒子的性能及復合鍍層的微觀結構有關。張剛等[25]和王健雄等[26]都采用復合沉積方法在普通碳鋼基底上沉積得到碳納米管CNTs/鎳基復合鍍層，腐蝕實驗和電化學實驗結果表明，CNTs的加入顯著提高了復合鍍層的耐腐蝕性能，在20%NaOH溶液和3.5%NaCl溶液中，碳納米管鎳基復合鍍層的耐蝕性明顯優于純鎳。郭忠誠[27]的實驗研究發現， Ni-W-P-SiC電沉積復合鍍層在鍍態條件下和400 ℃熱處理條件下，在鹽酸、硫酸、磷酸和20%FeCl3溶液中的耐腐蝕性均大大優于不銹鋼1Cr18Ni9Ti。他同時還對Ni-W-P-CeO2、Ni-W-P-SiO2和Ni-W-P-CeO2-SiO2復合鍍層在NaCl和HCl介質中的耐腐蝕性進行了實驗研究，結果表明：在相同的腐蝕介質溶度和腐蝕時間條件下，復合鍍層的耐蝕性遠遠優于Ni-W-P合金，提高了近3倍，其中Ni-W-P-CeO2-SiO2納米復合鍍層的耐蝕性相對最好，分析認為這與復合鍍層中CeO2和SiO2的存在有關[28-29]。

1.5　抗高溫氧化復合鍍層

隨著現代化工業的迅速發展，對機械產品提出了更高的要求，要求產品在高溫、高壓、高速、高自動化或惡劣的工況條件下長期穩定運轉，這就必然對機械表面的抗高溫氧化性能要求嚴格。復合電沉積技術在這方面取得了一定的進展，具有優異耐高溫、熱穩定性和抗氧化性的納米顆粒有ZrO2、SiO2、CeO2、SiC、TiO2等，均已應用于復合鍍中，研制出性能較優的抗高溫氧化復合鍍層。

姚素薇等[30]制備了Ni-W-ZrO2納米復合鍍層，納米ZrO2顆粒的加入使復合鍍層的高溫熱穩定性比Ni-W合金提高39 ℃，氧化增質量僅為合金鍍層的一半，復合鍍層的耐高溫氧化性能明顯優于合金鍍層。在文獻[27]中，郭忠誠對Ni-W-P-CeO2-SiO2納米復合鍍層的高溫抗氧化性能進行了較為系統的研究，納米顆粒的引入使得復合鍍層間原子結合力增強，空隙率降低，形成了與基體粘附性好、均勻致密且穩定的鈍化膜，與Ni-W-P合金鍍層相比，納米復合鍍層的高溫抗氧化性能提高了2倍～3倍。

2　結語

從大量文獻報道來看，目前對電沉積鎳基復合鍍層的耐磨減摩性、自潤滑性、電催化性、耐腐蝕性的研究較多較廣也較深入，對抗高溫氧化性的研究也逐漸展開。大量有價值的研究成果已經取得，有些已經在工業上獲得了實際應用，但諸如復合電沉積機理和作用機制等相關問題也還需要進一步深入研究和解決，以期為電沉積鎳基復合鍍層的工程應用提供更為堅實的理論依據和技術支持。

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