电沉积镍基复合镀层的研究概况

2018-02-18焦玉民

机械工程与自动化 2018年1期

徐　婷，焦玉民，刘　斌，刘　晴

(1.解放军理工大学野战工程学院，江苏　南京　210007； 2.94679部队，江苏　南京　210038)

0　引言

随着科技的进步，为满足解决实际工程问题的需要，人们对机械工程材料及其表面改性处理方法进行了深入的研究。目前，工程材料表面改性技术主要有：湿法(电沉积、电刷镀、化学镀等)和热加工法(热喷涂、气相沉积、激光等)两类，其中，近年来高速发展起来的电沉积复合镀层以其独有的制备特点和独特的物理化学和力学性能而获得了广泛的关注，已成为复合材料研究领域的一大热点[1]。

复合电沉积是在普通镀液中添加了无机、有机或金属等不溶性的固体颗粒，并使之在镀液中充分悬浮，在金属离子阴极还原的同时，将颗粒吸附或包覆与金属共沉积制备复合镀层的技术[2]。利用电沉积方法在机械零部件表面制备各种复合保护膜，赋予其需要的特殊功能，能有效提高机件的使用寿命，减少原材料的消耗，获得良好的经济效益。

复合电镀层的基质金属由单一金属向多元化合金方向发展，种类繁多，其中镍基复合镀层研究应用最早最广泛。本文主要就电沉积镍基复合镀层的研究和应用概况进行论述。

1　电沉积镍基复合镀层的研究概况

随着复合电沉积技术的不断发展，一系列具有实用价值的电沉积镍基复合镀层被开发出来，如耐磨减摩镀层、自润滑镀层、电催化镀层、耐腐蚀镀层、抗高温氧化镀层等，它们在机械、电力电子、航空航天、化工冶金等领域均有着广泛的应用前景。

1.1　耐磨减摩复合镀层

耐磨减摩镍基复合电镀层的分散相颗粒成分主要是无机材料，且大都具有高强度、高硬度等特性。王立平等[3]制备了含有纳米金刚石的Ni-Co合金基复合镀层；石雷等[4]对Ni-Co-SiC纳米复合镀层的摩擦学性能进行了研究;Shi等[5]研究了Ni-Co-Si3N4纳米复合镀层的摩擦学性能，结果都表明:利用复合电沉积技术在镍基表面引入无机不溶性颗粒能显著改善材料的摩擦磨损性能。而影响复合镀层性质的因素中，研究较多的是分散颗粒的含量和粒径大小。

复合镀层的耐磨性往往会随着颗粒含量的增大而提高，但有时颗粒含量过大时，耐磨性反而会下降。戴高鹏等[6]和Vaezi等[7]分别发现，随着镀层中SiC纳米颗粒含量的增加，Ni-Fe-W-SiC纳米复合镀层和Ni-SiC纳米复合镀层的硬度增大，磨损率降低。Narasimman等[8]对Ni-SiC复合镀层的研究发现，SiC颗粒含量存在一个最佳范围：SiC颗粒含量较低时，随着颗粒含量增大，镀层中颗粒间距减小，增大了颗粒与基质金属间的结合强度，同时提高了镀层的硬度，使得镀层耐磨性提高；但当颗粒含量超过最佳值后，部分未被基质金属牢固嵌合的颗粒易发生脱落导致磨粒磨损，降低了镀层的耐磨性能。

分散相颗粒粒径大小对复合镀层耐磨性也有较大影响。许长庆等[9]利用电沉积法制备了Ni-W-Co-B4C复合镀层，结果表明：镀层磨损量随着B4C颗粒粒径增大而增大。Srivastava等[10]的试验结果表明：纳米级的Ni-SiC(25 nm)复合镀层比微米级的Ni-SiC(1 μm)复合镀层表现出更好的耐磨性能，但Ni-Co-SiC(微米)复合镀层的耐磨性能优于Ni-Co-SiC(纳米)复合镀层，认为这是由于Co对SiC颗粒具有良好的湿润性，Co的存在增强了SiC颗粒与基质金属的结合强度，抑制了SiC颗粒脱落。

1.2　自润滑性复合镀层

自润滑性复合镀层作为一种固体减摩材料，其摩擦因数小，磨损少，制备工艺简单，投资成本低，且在400 ℃以上高温、0 ℃以下低温、高真空和强辐射条件下不氧化、燃烧或凝固，与液态润滑剂相比具有独特的优势，因而受到广泛的关注[11]。自润滑镍基复合电镀层常用的分散相颗粒有氟化石墨(CF)n、二硫化钼MoS2、聚四氟乙烯PTFE、碳纳米管CNTs等。

氟化石墨(CF)n即使在高温、高压、高速的摩擦状态下，仍具有良好的热稳定性、承载性、耐磨性和润滑性能。20世纪70年代，Uyemura研究了自润滑复合镀层电沉积工艺，将(CF)n颗粒加入到镍基中制得了具有优良减摩耐磨性能的复合镀层Ni-(CF)n。日本铃木摩托车公司制备的Ni-SiC-(CF)n复合镀层在活塞和内燃机的气缸上也已得到了广泛的应用[12]。

MoS2是一种自润滑性优良的固体微粒，将其加入到电镀液中沉积出的Ni-MoS2自润滑镀层是目前铝材表面的一种新镀层[13]。向军准等[14]在最优工艺配合下制备了摩擦学性能优异的Ni-MoS2自润滑复合镀层，研究表明：当镀层中MoS2颗粒浓度为3 g/L时，获得的Ni-MoS2复合镀层具有显著的减摩耐磨效果，对偶件纯铝的磨损量仅为纯镍镀层与纯铝摩擦副的1/3。

聚四氟乙烯(PTFE)热稳定性和化学稳定性极好，是一种非常优越的固体润滑材料。唐宏科等[15]采用电沉积方法制备了表面PTFE分布均匀的Ni-Co-PTFE自润滑复合镀层，在合适的PTFE用量和工艺条件下，复合镀层获得了优良的自润滑性能，显微硬度HV0.05可达600，摩擦因数可达0.08。

碳纳米管(CNTs)是一种一维量子材料，具有很高的弹性、拉伸张力和强度, 是制备功能复合材料的重要增强相。陈卫祥等[16]采用电沉积法制备了Ni-P-CNTs复合镀层，其具有比Ni-P合金镀层更高的硬度、更好的耐磨性和更低的摩擦因数，且随着CNTs颗粒浓度的增加，复合镀层的耐磨性能提升、摩擦因数降低。分析其原因是CNTs颗粒产生的弥散强化作用提高了复合镀层的强硬度，同时CNTs还起到承载作用和润滑剂作用，降低了摩擦磨损的程度。

1.3　电催化性复合镀层

电催化功能复合镀层能提高电极在析氢和析氧反应中的稳定性和电催化活性，极大地减少能耗，是一种意义重大的功能材料，已广泛应用于化工、冶金、电子等行业[17]。

刘善淑等[18]制得了Ni-P-ZrO2复合电极，李凝等[19]制备了Ni-Mo-ZrO2复合电极，高峻峰等[20]研制了Ni-S-Co-ZrO2复合电极，通过对析氢行为和机制的分析研究，他们都发现ZrO2颗粒的引入有效地提高了电极对析氢反应的催化效果，较低的反应电阻和较大的比表面积被认为是使复合电极具有更优电催化性和稳定性的主要原因。邹勇进等[21]采用电沉积方法制得了Ni-W-TiO2复合电极并研究了其析氢机制，结果表明：复合电极表现出比Ni-W合金镀层更高的析氢电催化活性，可用作电解水反应的活性电极。

近年来，稀土元素由于具备优良的物理化学性能被研究作为电催化材料。王森林团队[22-23]采用电沉积制备了多孔复合Ni-P/LaNi5电极并研究了其析氢电催化性能，La的引入使得复合电极具有更低的析氢过电位、更大的电极表面积、更高的电化学稳定性和电催化活性。

1.4　耐腐蚀性复合镀层

镍镀层作为防护装饰性耐腐蚀镀层，其晶体结构细小致密、内应力低、耐蚀性很好，广泛用在汽车、自行车、各种机械、仪表及日用工业品中。

曾斌等[24]在碳钢基体表面电沉积得到纳米SiO2粒子/镍基复合镀层(Ni-P)-SiO2，采用失重法和电化学方法试验结果表明复合镀层具有更好的耐腐蚀性能，作者认为复合镀层的腐蚀行为与复合粒子的性能及复合镀层的微观结构有关。张刚等[25]和王健雄等[26]都采用复合沉积方法在普通碳钢基底上沉积得到碳纳米管CNTs/镍基复合镀层，腐蚀实验和电化学实验结果表明，CNTs的加入显著提高了复合镀层的耐腐蚀性能，在20%NaOH溶液和3.5%NaCl溶液中，碳纳米管镍基复合镀层的耐蚀性明显优于纯镍。郭忠诚[27]的实验研究发现， Ni-W-P-SiC电沉积复合镀层在镀态条件下和400 ℃热处理条件下，在盐酸、硫酸、磷酸和20%FeCl3溶液中的耐腐蚀性均大大优于不锈钢1Cr18Ni9Ti。他同时还对Ni-W-P-CeO2、Ni-W-P-SiO2和Ni-W-P-CeO2-SiO2复合镀层在NaCl和HCl介质中的耐腐蚀性进行了实验研究，结果表明：在相同的腐蚀介质溶度和腐蚀时间条件下，复合镀层的耐蚀性远远优于Ni-W-P合金，提高了近3倍，其中Ni-W-P-CeO2-SiO2纳米复合镀层的耐蚀性相对最好，分析认为这与复合镀层中CeO2和SiO2的存在有关[28-29]。

1.5　抗高温氧化复合镀层

随着现代化工业的迅速发展，对机械产品提出了更高的要求，要求产品在高温、高压、高速、高自动化或恶劣的工况条件下长期稳定运转，这就必然对机械表面的抗高温氧化性能要求严格。复合电沉积技术在这方面取得了一定的进展，具有优异耐高温、热稳定性和抗氧化性的纳米颗粒有ZrO2、SiO2、CeO2、SiC、TiO2等，均已应用于复合镀中，研制出性能较优的抗高温氧化复合镀层。

姚素薇等[30]制备了Ni-W-ZrO2纳米复合镀层，纳米ZrO2颗粒的加入使复合镀层的高温热稳定性比Ni-W合金提高39 ℃，氧化增质量仅为合金镀层的一半，复合镀层的耐高温氧化性能明显优于合金镀层。在文献[27]中，郭忠诚对Ni-W-P-CeO2-SiO2纳米复合镀层的高温抗氧化性能进行了较为系统的研究，纳米颗粒的引入使得复合镀层间原子结合力增强，空隙率降低，形成了与基体粘附性好、均匀致密且稳定的钝化膜，与Ni-W-P合金镀层相比，纳米复合镀层的高温抗氧化性能提高了2倍～3倍。

2　结语

从大量文献报道来看，目前对电沉积镍基复合镀层的耐磨减摩性、自润滑性、电催化性、耐腐蚀性的研究较多较广也较深入，对抗高温氧化性的研究也逐渐展开。大量有价值的研究成果已经取得，有些已经在工业上获得了实际应用，但诸如复合电沉积机理和作用机制等相关问题也还需要进一步深入研究和解决，以期为电沉积镍基复合镀层的工程应用提供更为坚实的理论依据和技术支持。

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