機械結構鋼化學鍍Ni-W-P/PTFE復合鍍層的耐蝕阻垢性能

韓二鋒，黃 瑞

（1.浙江農業商貿職業學院汽車技術系，浙江紹興 312000；2.浙江大學能源工程學院，浙江杭州 310058）

化學鍍復合鍍層既具有單一金屬鍍層或合金鍍層的優良性能，又融合固體顆粒的獨特功能（比如高硬度、自潤滑減摩、光催化等），可更好的滿足人們對鍍層某方面性能的要求，因此在機械、汽車、冶金等行業成功應用并且具有廣闊的應用前景［1-3］。化學鍍Ni-W-P/PTFE復合鍍層是針對摩擦工況下使用的機械結構鋼或工件而開發的一種復合鍍層，已證實該復合鍍層具有自潤滑減摩作用［4-5］，能顯著提高機械結構鋼或工件表面耐磨性能，進而延長使用壽命。

目前關于化學鍍Ni-W-P/PTFE復合鍍層的耐磨性能有一些報道，而耐蝕阻垢性能的報道很少見。實際應用中，化學鍍Ni-W-P/PTFE復合鍍層所處的工況通常是復雜工況，除了摩擦磨損，腐蝕和表面結垢都不可避免。因此，研究化學鍍Ni-W-P/PTFE復合鍍層的耐蝕阻垢性能同樣具有重要意義。筆者選取工業中常用的機械結構鋼作為研究對象制備化學鍍Ni-W-P/PTFE復合鍍層，并研究其耐蝕阻垢性能，以期為提高化學鍍Ni-W-P/PTFE復合鍍層的綜合性能提供參考。

1 實驗

1.1 制備化學鍍Ni-W-P/PTFE復合鍍層

基體為40Cr鋼，其化學成分（質量分數）為：Mn 0.5%~0.8%、Si 0.17%~0.37%、C 0.37%~0.44%、Cr 0.8%~1.1%、S 0.035%、P 0.035%、Ni 0.03%，Fe余量。用砂紙逐級打磨去除40Cr鋼表面的自然氧化膜，然后在丙酮中超聲波清洗初步除油、在氫氧化鈉溶液（40 g/L、60℃）中浸泡15 min徹底除油。在稀鹽酸（體積分數10%）中酸洗活化，最后用去離子水洗凈。

表1為化學鍍Ni-W-P/PTFE復合鍍層的溶液配方。為使PTFE顆粒在溶液中均勻分散，先超聲振蕩2 h。然后將溶液加熱到88℃，波動幅度不超過0.5℃，化學鍍時間為2 h。在不同PTFE顆粒濃度下進行實驗，溶液中引入超聲振蕩，超聲波功率為90 W、頻率為40 kHz保持恒定，制備5種復合鍍層。

表1 化學鍍Ni-W-P/PTFE復合鍍層的溶液配方Tab.1 Solution formula for preparation of electroless Ni-W-P/PTFE composite coating

1.2 復合鍍層表征與測試

復合鍍層形貌及PTFE顆粒復合量：采用德國蔡司的MERLIN Compact型掃描電鏡觀察復合鍍層形貌，同時采用英國牛津的X-max50型能譜儀分析復合鍍層中各元素質量分數，根據F元素質量分數推算出復合鍍層中PTFE顆粒復合量。

表面粗糙度：采用日本三豐的SJ-210型粗糙度儀測量復合鍍層的表面粗糙度，任取5個點測量，取平均值。

耐蝕阻垢性能：采用浸泡實驗測試復合鍍層的阻垢性能，先稱取碳酸氫鈉、氯化鎂、氯化鈉、碳酸鈣、硫酸鈉等試劑，加去離子水中配制模擬結垢液（碳酸氫鈉0.5 g/L+氯化鎂0.6 g/L+氯化鈉30 g/L+碳酸鈣1.0 g/L+硫酸鈉25 g/L），然后將復合鍍層試樣放入模擬結垢液中。為加速結垢過程，模擬結垢液的溫度控制在（50±0.5）℃。試樣表面積為S，未結垢試樣質量為m1，結垢試樣質量為m2，復合鍍層表面垢質附著量Δm=m2-m1，結垢速率v=Δm/S。另外，采用上海辰華的CHI660E型電化學工作站測試復合鍍層在模擬廢水中的電化學阻抗譜，測試頻率范圍105~10-2Hz，從高頻向低頻掃描，選擇合適的等效電路擬合電化學阻抗譜測試數據。測試結束后，采用能譜儀分析復合鍍層表面垢質成分。

2 結果與討論

2.1 化學鍍Ni-W-P/PTFE復合鍍層的形貌

圖1為不同PTFE顆粒濃度下制備的5種復合鍍層形貌。5種復合鍍層表面都較致密，并且附著有PTFE顆粒。但隨著PTFE顆粒濃度增加，復合鍍層表面附著的PTFE顆粒明顯增多，且分布狀態不同。PTFE顆粒濃度為2.5 g/L時，復合鍍層表面的PTFE顆粒較少，呈稀疏分布。隨著PTFE顆粒濃度增加到10 g/L，復合鍍層表面的PTFE顆粒較均勻密集分布。但當PTFE顆粒濃度繼續增加的情況下，復合鍍層表面出現PTFE顆粒聚集現象，這是由于PTFE顆粒活性較高表現出很強的表面效應，當濃度較高時為了達到穩定狀態極易聚集。

圖1 不同PTFE顆粒濃度下制備的復合鍍層形貌Fig.1 Morphology of composite coatings prepared under different concentration of PTFE particles

圖2所示為不同PTFE顆粒濃度下制備的5種復合鍍層表面粗糙度。隨著PTFE顆粒的濃度從2.5 g/L增加到18 g/L，表面粗糙度呈先減小后增大的趨勢，但變化幅度不大。表面粗糙度主要反映復合鍍層的微觀平整度［6-7］，較小的表面粗糙度意味著復合鍍層平整度較好。測量結果表明PTFE顆粒濃度對復合鍍層表面平整度影響不大，當PTFE顆粒濃度為10 g/L時，復合鍍層的表面粗糙度最低，為0.4 μm左右，表面平整度相對較好。

圖2 不同PTFE顆粒濃度下制備的復合鍍層表面粗糙度Fig.2 Surface roughness of the composite coatings pre‐pared under different concentration of PTFE parti‐cles

2.2 化學鍍Ni-W-P/PTFE復合鍍層中PTFE顆粒復合量

圖3所示為不同PTFE顆粒濃度下制備的5種復合鍍層中PTFE顆粒復合量。

圖3 不同PTFE顆粒濃度下制備的復合鍍層中PTFE顆粒復合量Fig.3 Content of PTFE particles in composite coatings prepared under different concentration of PTFE particles

隨著PTFE顆粒濃度從2.5 g/L增加到10 g/L，PTFE顆粒復合量隨之增多，從2.44%增加到5.41%。而隨著PTFE顆粒濃度從10 g/L繼續增加到18 g/L，PTFE顆粒復合量未繼續增多反而減少，從5.41%減少到4.52%。分析認為，超聲波振蕩使PTFE顆粒在鍍液中處于較穩定的懸浮狀態，懸浮PTFE顆粒被金屬離子俘獲附著在基體表面，伴隨著共沉積進入復合鍍層中。在一定范圍內隨著PTFE顆粒濃度增加，更多懸浮PTFE顆粒被金屬離子俘獲附著在基體表面，進而伴隨著共沉積進入復合鍍層中，使得復合鍍層中PTFE顆粒復合量增多。但PTFE顆粒濃度過高時，由于PTFE顆粒表現出很強的表面效應發生聚集現象［8-10］，導致溶液變得粘稠流動性降低，限制了懸浮PTFE顆粒被金屬離子俘獲并附著在基體表面，使得復合鍍層中PTFE顆粒復合量減少。

2.3 化學鍍Ni-W-P/PTFE復合鍍層的耐蝕阻垢性能

2.3.1 電化學阻抗譜

圖4所示為不同PTFE顆粒濃度下制備的5種復合鍍層電化學阻抗譜。5種復合鍍層都呈現出單一容抗弧，隨著PTFE顆粒濃度從2.5 g/L增加到10 g/L，容抗弧半徑隨之增大，但隨著PTFE顆粒濃度從10 g/L繼續增加到18 g/L，容抗弧半徑轉而減小。研究表明，容抗弧半徑越大說明復合鍍層的阻抗越高，耐蝕性能越好［11-14］。在一定范圍內隨著PTFE顆粒濃度增加，PTFE顆粒在復合鍍層表面較均勻密集分布，可起到良好的屏蔽式保護作用，提高了復合鍍層抵抗模擬廢水中離子和水分子侵蝕的能力。當PTFE顆粒濃度為10 g/L時，容抗弧半徑最大，說明該復合鍍層的阻抗很高，能更好地抵抗模擬廢水中離子和水分子侵蝕，表現出良好的耐蝕性能。但PTFE顆粒濃度過高時，由于PTFE顆粒在復合鍍層表面聚集，分布均勻性變差，所起到的屏蔽式保護作用降低，從而導致阻抗減小，耐蝕性能下降。

圖4 不同PTFE顆粒濃度下制備的復合鍍層電化學阻抗譜Fig.4 Electrochemical impedance spectra of composite coatings prepared under different concentration of PTFE particles

根據圖5所示的等效電路擬合電化學阻抗譜測試數據，得到電荷轉移電阻和阻抗模值，見表2。隨著PTFE顆粒濃度從2.5 g/L增加到10 g/L，電荷轉移電阻隨之增大，但隨著PTFE顆粒濃度從10 g/L繼續增加到18 g/L，電荷轉移電阻轉而減小。電荷轉移電阻表征復合鍍層與基體間的電荷轉移速率，當PTFE顆粒濃度為10 g/L時，電荷轉移電阻最大，達到3.61×104Ω·cm2，說明復合鍍層與基體間的電荷轉移速率最低，換言之，該復合鍍層不容易發生氧化還原反應而得失電子，耐蝕性能良好。

表2 電化學阻抗譜擬合結果Tab.2 Fitting results of electrochemical impedance spectra

圖5 等效電路Fig.5 Equivalent circuit

相關研究表明，阻抗模值同樣可表征復合鍍層的耐蝕性能［15-16］。隨著PTFE顆粒濃度從2.5 g/L增加到10 g/L，阻抗模值從9.64×103Ω·cm2增大到1.25×104Ω·cm2，證實了在一定范圍內隨著PTFE顆粒濃度增加，復合鍍層抵抗模擬廢水中離子和水分子侵蝕的能力增強，耐蝕性逐步提高，并且當PTFE顆粒濃度為10 g/L時，復合鍍層的耐蝕性能最好。

2.3.2 結垢速率

圖6所示為不同PTFE顆粒濃度下制備的5種復合鍍層結垢速率。隨著PTFE顆粒濃度從2.5 g/L增加到10 g/L，結垢速率從14.64 mg/m2降低到12.71 mg/m2，說明復合鍍層表面垢質附著量減少。這是由于復合鍍層中含有低表面能的PTFE顆粒，在一定范圍內隨著PTFE顆粒濃度增加，附著在復合鍍層表面的PTFE顆粒由稀疏分布轉為較均勻密集分布，使復合鍍層表面能逐步降低，垢質粘附變得困難，從而表現出越來越好的阻垢性能。但隨著PTFE顆粒濃度從10 g/L繼續增加到18 g/L，結垢速率未進一步降低而是增大，從12.71 mg/m2增大到13.52 mg/m2，這與復合鍍層表面PTFE顆粒聚集和分布均勻性變差有關，PTFE顆粒聚集導致復合鍍層不同區域的表面能存在差異，阻止垢質粘附能力下降。當PTFE顆粒濃度為10 g/L時，結垢速率最低，該復合鍍層的阻垢性能最好。

圖6 不同PTFE顆粒濃度下制備的復合鍍層結垢速率Fig.6 Scaling rates of composite coatings prepared under different concentration of PTFE particles

2.3.3 垢質成分

圖7所示為不同PTFE顆粒濃度下制備的5種復合鍍層表面垢質成分。可知5種復合鍍層表面的垢質主要成分相同，都含有C、Na、Mg和Ca元素。根據元素種類，分析垢質可能是含上述幾種元素的化合物，以氫氧化物或顆粒形式沉積粘附在復合鍍層表面。當PTFE顆粒濃度為10 g/L時，復合鍍層表面的垢質所含元素分布情況如圖8所示，可知C、Na、Mg和Ca元素都呈稀疏分布，這是由于該復合鍍層表面能較低，阻止垢質粘附的能力較強，導致垢質附著量減少，每種元素的質量分數都很低。

圖7 不同PTFE顆粒濃度下制備的復合鍍層表面的垢質成分Fig.7 Composition of scalant on the surface of composite coatings prepared under different concentration of PTFE particles

圖8 PTFE顆粒濃度為10 g/L時復合鍍層表面的垢質所含元素分布情況Fig.8 Distribution of elements contained in the scalant on surface of the composite coating prepared under 10 g/L PTFE particles

3 結論

（1）PTFE顆粒濃度對化學鍍Ni-W-P/PTFE復合鍍層的形貌和耐蝕阻垢性能有一定影響，不同PTFE顆粒濃度下制備的5種復合鍍層表面都較致密，但PTFE顆粒在復合鍍層表面分布狀態以及復合鍍層中PTFE顆粒復合量不同，導致5種復合鍍層的耐蝕阻垢性能存在差異。

（2）隨著PTFE顆粒濃度增加，復合鍍層表面粗糙度呈先減小后增大的趨勢，PTFE顆粒在復合鍍層表面由稀疏分布轉為較均勻密集分布然后出現聚集現象，結垢速率先降低后增加。當PTFE顆粒濃度為10 g/L時，復合鍍層表面平整度相對較好，PTFE顆粒呈較均勻密集分布阻止垢質粘附能力較強，表現出良好的耐蝕阻垢性能。