影响复合镀层耐磨性的结构性因素

王猛，谭俊，*，兰龙，吴迪

（1.装甲兵工程学院再制造技术重点实验室，北京 100072；

2.装甲兵工程学院表面工程重点实验室，北京 100072；

3.中国西安卫星测控中心三亚航天测控站，海南 572427）



影响复合镀层耐磨性的结构性因素

王猛1，谭俊1，2，*，兰龙3，吴迪1

（1.装甲兵工程学院再制造技术重点实验室，北京 100072；

2.装甲兵工程学院表面工程重点实验室，北京 100072；

3.中国西安卫星测控中心三亚航天测控站，海南 572427）

主要以镍基复合镀层为例，分析了影响复合镀层耐磨性的结构性因素（包括基质金属性质、晶粒尺寸，硬质颗粒性质、尺寸及其在镀层中的复合量和分布）的影响规律和机理，以期为提高复合镀层耐磨性提供参考。

复合镀层；基质金属；硬质颗粒；耐磨性；综述

First-author's address: Science and Technology on Remanufacturing Laboratory， Academy of Armored Force Engineering，Beijing 100072， China

复合镀层是通过将一种或多种不溶性固体颗粒添加到金属基质镀液中，利用电沉积技术在基质金属发生沉积的过程中将固体颗粒包覆、镶嵌到金属镀层中所得［1-3］。复合镀层在一定程度上兼具基质金属与固体颗粒的性能，这是普通单金属镀层及合金镀层无法比拟的，并且复合镀层的制备与单金属或合金镀层无明显差异，对设备和工艺也无特殊要求，操作简单，价格经济［4-5］。因此，复合镀层在近年来发展较快，其应用也越来越广泛。随着对复合电沉积研究的深入，更多具有特殊性能的复合镀层逐渐问世，满足了越来越多领域的需求。

复合镀层在各领域多作为防护性镀层使用，通常要求具有高硬度、良好的耐磨性及耐蚀性，同时根据不同应用的需要，还要求具有某些物理性能，如导电性能、耐高温性能等［6-8］。影响复合镀层性能的因素有很多，包括基质金属的性能、晶粒尺寸，不溶性固体颗粒的性能、粒径及其在镀层中的分布，等等［9-10］。如此之多的影响因素在一定程度上为复合镀层性能的改善提供了空间，但不同因素间会产生交叉影响，加大了复合镀机理分析的难度。

耐磨性是复合镀层的基本性能之一，在实际工况下，耐磨性差的复合镀层不仅会导致大量机械能消耗，而且会使机械零件失效，这样既浪费了资源，又存在较大的使用风险。近年来，有关提高零部件耐磨性能的研究已不断深入并取得了突破性进展。本文在前人及本课题组研究的基础上，对影响复合镀层耐磨性的结构性因素进行探讨和总结，主要从基质金属和硬质颗粒两个方面探讨各因素的影响规律和机理，希望可以为后续研究提供理论指导和帮助。

1　基质金属对复合镀层耐磨性的影响

1. 1 基质金属性质

虽然镀层中硬质颗粒的添加能使镀层性能得到大幅提升，但作为复合镀层主体的基质金属也发挥着不可忽视的作用，因而在根据实际需要确定复合镀层中硬质颗粒种类的同时，还需对基质金属进行筛选，这样才能更好地结合金属与硬质颗粒的优异性能，制备出满足实际需求的高性能复合镀层［11］。制备具有较高耐磨性的复合镀层应选择具有较好的耐蚀、减摩等特性且硬度较高的金属或合金作为基质金属材料，此类基质材料可降低复合镀层发生粘着磨损、疲劳磨损的可能性［12］，例如Ni、Cr等单金属以及Ni-Co、Ni-Ti等合金［13-15］。但在复合镀层制备及使用过程中还需考虑材料的环保性和经济性，这也限制了某些材料的应用。例如铬虽然具有较好的机械性能，但多数都采用对环境有害的六价铬电镀，故而环境友好的代铬镀层研究显得尤为重要［16］；Ti-Ni合金性能优异，但过于昂贵，目前仅用于航空航天、国防等尖端领域，在工业领域中尚未得到广泛应用［14］。镍具有较好的机械性能，并且价格低廉，因而常作为耐磨复合镀层的基质金属［12］。而金属钴虽在常温下的硬度较低，但具有良好的耐热性能，在高温环境下仍可保持一定的硬度，故可作为高温工况下使用的复合镀层的基质金属［17］。

目前，采用合金替代单一金属制备耐磨镀层已得到越来越广泛的应用，如镍铁合金、镍钨合金等具有良好的耐磨性，向其中加入SiC、WC等硬质颗粒可得到耐磨性能更加优异的复合镀层［18-19］。随着对镀层耐磨性要求的提高，基质金属的合金化也呈多样化，主要有由两种金属组成的合金［20］、金属与非金属组成的合金［21］以及多种金属和非金属组成的合金［22］。但目前常用的耐磨复合镀层仍以镍基复合镀层为主，故而本文主要对镍基复合镀层进行分析。

1. 2 基质金属晶粒尺寸

镀层晶粒的细化有利于提高复合镀层的耐磨性。这是因为基质金属晶粒越细小，复合镀层越致密，产生缺陷的可能性越低。另外，细小的晶粒在与硬质颗粒共沉积时，可以形成更有效的包覆，基质金属与硬质颗粒间的空隙减小，复合镀层内部更加致密、牢固［23-24］。曹建明［25］在研究Ni-ZrO2复合镀层的腐蚀摩擦学性能时发现，ZrO2的加入可细化基质金属晶粒，而晶粒的细化使复合镀层在相同条件下的磨损量降低，有效地提高了复合镀层的耐磨性。汤皎宁等［26］在研究Ni-SiO2复合镀层腐蚀摩擦学性能时也得到了类似结论。

大量研究［27-32］表明，脉冲电沉积所得单金属镀层的耐磨性明显强于直流电沉积所得单金属镀层，这是因为在电沉积过程中脉冲的张弛起到了增强阴极极化和降低阴极表面浓差极化的作用，使金属离子在沉积过程中所需要的形核能降低，金属的形核几率增大，晶粒的长大得到有效抑制，故镀层结晶细致。脉冲电流在复合电沉积过程中也有上述作用。

2　硬质颗粒对复合镀层耐磨性的影响

2. 1 硬质颗粒性质

硬质颗粒的性质也会影响复合镀层的耐磨性。一般情况下，制备耐磨复合镀层所选用的硬质颗粒为硬度高、耐磨性好的陶瓷颗粒，例如Al2O3［33-34］、SiC［35-36］、ZrO2［37］等。这些颗粒可以在镀层与对磨件的摩擦过程中起到支撑承载的作用，减小摩擦表面上的粘着面积，还可以靠其自身优异的耐磨性能减缓对磨件对复合镀层的磨损。除此类依靠自身优异的性能抵抗外部磨损的颗粒外，还有一类硬度较低、耐磨性较差的固体颗粒，例如石墨烯［38］、碳纳米管［39］、MoS2［21，40］等。这类颗粒不能抵抗对磨件的磨损，但可以依靠其独特的自润滑性能，降低摩擦因数，从而减小摩擦力，最终延缓了镀层的磨损。

2. 2 硬质颗粒尺寸

硬质颗粒尺寸对复合镀层的耐磨性具有较大的影响［23-24］。在复合镀层中，大尺寸固体颗粒在镀层中的结合一般较粒径小的固体颗粒差，而根据细晶强化理论，固体颗粒的粒径越大，基质金属对它的包裹体积就越大，因而结晶较粗大，强化效果相对较差。虽然大尺寸颗粒的嵌入会使附近的金属晶格产生严重畸变，增加复合镀层的位错密度而起到位错强化的作用，但同时也会增大复合镀层的表面粗糙度，凸出部位减少粘着磨损发生的同时也增加了硬质相脱落磨损的可能性［41-44］。小尺寸固体颗粒复合所产生的位错强化较弱，却可形成较有效的弥散强化效应。然而并非颗粒越细小，对基体的强化就越好。因粒子（尤其是纳米颗粒）太小易发生团聚，在镀层中的分散效果差，弥散强化效果也就大打折扣［45-48］。许伟等［20］研究了金刚石颗粒粒径在6 ～ 150 μm范围内时，粒径对Ni-Co/金刚石复合镀层耐磨性能的影响。结果表明，随着金刚石颗粒粒径的增大，复合镀层的磨损量逐渐降低，其磨损机制也由小尺寸（粒径小于63 μm）时的微观切削磨损和磨粒磨损转变为大尺寸（粒径大于125 μm）时的硬质相脱落磨损，使复合镀层在摩擦过程不易发生变形而耐磨性提高，粒径为125 ～ 150 μm时，复合镀层的耐磨性最好。林志平等［23］在研究粒径在1 ～ 7 μm范围内的SiC对电沉积Ni-SiC复合镀层耐磨性的影响时发现，随SiC粒径增大，复合镀层的磨损量呈先升后降的变化趋势，当粒径为2 μm时，复合镀层的磨损量最低，耐磨性最好。吴俊升等［24］对比了微米级和纳米级SiC颗粒所制备的Ni-SiC复合镀层的耐磨性，得出了两种尺寸颗粒复合镀层的耐磨性基本相当的结论。由此可知，硬质颗粒尺寸对复合镀层耐磨性的影响并不是单一的，会因镀液体系或工艺不同而存在较大的差异，因此在实际研究中需要根据具体情况进行系统的分析。

2. 3 硬质颗粒复合量及分布

大量研究［48-52］表明，复合镀层中硬质颗粒的复合量越高，其耐磨性越好。分析原因为：（1）高含量的颗粒可以通过细晶强化、弥散强化、位错强化等作用来实现复合镀层的结构强化；（2）在与对磨件相互摩擦的过程中，高含量的颗粒对镀层起到更好的支撑作用，并且可在复合镀层的磨损表面形成更多的硬质耐磨点，抵抗对磨件的磨损，有效减少摩擦接触面积；（3）硬质颗粒在摩擦过程中还可起到抵抗塑性变形、阻碍磨料运动、终止磨痕扩展等作用，从而提高了复合镀层的抗粘着磨损和磨料磨损的能力，延缓镀层的破坏速率。

在复合镀层的制备过程中，除需考虑尽可能提高硬质颗粒的复合量以外，还应注重复合颗粒在镀层中的分布状况。若复合镀层中的颗粒分布不均匀，则在摩擦过程中会出现多种磨损机制并存的情况。在颗粒分布较少的镀层表面易发生粘着磨损，在硬质颗粒分布较多处，硬质颗粒的支撑作用可以有效抵抗粘着磨损，但不可避免地会发生颗粒脱落磨损。另外，颗粒分布较少处镀层的磨损消耗较快，大量基质金属脱落，颗粒分布较多处的基质金属也会随之脱落，导致被包覆的硬质颗粒松动，在摩擦的作用下逐渐脱落［50］。在硬质颗粒分布较为均匀的情况下，磨损主要先集中在表面第一层中，当上一层被磨损掉后，磨损才会进入下一层，即磨损会以薄层方式逐层推进，有效减缓了镀层的磨损速率。

3　其他结构因素对复合镀层耐磨性的影响

除上述关于基质金属和硬质颗粒的几个影响因素外，复合镀层的厚度以及镀层与基体的结合强度也会对复合镀层的耐磨性产生重要影响，复合镀层太薄则不能对基体起到很好的保护作用，在对磨过程中易被磨透。有研究［53］发现，随着镀层厚度的增大，镀层结构改变，镀层内应力增大，导致镀层与基体间的结合变差而发生起皮甚至脱落，不仅不利于提高镀层耐磨性，而且造成能源和资源的消耗。因此在耐磨复合镀层制备过程中，还应合理控制镀层厚度。

此外，有研究人员突破传统单一颗粒复合的模式，制备了含有2种或2种以上颗粒的复合镀层，并取得了较好的成果。王兰等［40］通过化学镀制备了 Ni-P-SiC-MoS2复合镀层，发现该复合镀层的硬度高于 Ni-P-MoS2复合镀层而低于Ni-P-SiC复合镀层，但其耐磨减摩性能却优于Ni-P-SiC和Ni-P-MoS2复合镀层。

4　结语

近年来，复合电沉积技术不断发展，脉冲电源、超声波技术相继被应用到电沉积领域，这为制备耐磨性能更为优异的复合镀层提供了技术保障。但这两种技术对复合镀层也有一定的副作用，因此需要对其影响进行深入系统的研究，趋利避害，充分发挥其优势。同时，在后续研究耐磨复合镀层的过程中，不仅要探索更好的制备方法，而且应对复合镀层结构进行更加深入的审视和分析，包括共沉积多种硬质颗粒以及设计、利用更加复杂、性能更为优异的金属合金作为基质金属。

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［ 编辑：周新莉 ］

Structural factors affecting wear resistance of composite coati ng

WANG Meng， TAN Jun*， LAN Long， WU Di

To provide a reference for the improvement of composite coating， the influencing law and mechanism of structural factors affecting the wear resistance of composite coating， such as property and grain size of matrix metal， property and size of hard particles and their content and distribution in coating and so on， were analyzed with the nickel-based composite coating as a main example.

composite coating； matrix metal； hard particle； wear resistance； review

TB33

A

1004 -227X （2016） 11 - 0593 - 04

2016-03-25

2016-05-03

装备预研基金项目（9140C850202100C85）。

王猛（1992-），男，天津武清人，在读硕士研究生，主要研究方向为金属电沉积。

谭俊，教授，博士生导师，（E-mail） tanjuncn@sina.com。