納米復(fù)合鍍層耐磨機(jī)制的研究進(jìn)展

劉 影， 賈鳴燕， 王桂香， 張曉紅， 付家寬

（哈爾濱工程大學(xué) 材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150001）

0 前言

磨損是工程材料失效的主要形式之一［1］。為了降低材料的損失，必須對材料表面進(jìn)行改性。復(fù)合鍍是一種理想的材料表面處理方法［2-3］。近年來，人們將納米微粒引入傳統(tǒng)復(fù)合鍍中，制備出納米復(fù)合鍍層［4］。本文分析了納米復(fù)合鍍層的耐磨機(jī)制。

1 硬質(zhì)納米復(fù)合鍍層的耐磨機(jī)制

1.1 金屬氧化物微粒

Al2O3的硬度高，且熱穩(wěn)定性和化學(xué)惰性也較好，常作為納米復(fù)合鍍層的增強(qiáng)相。章碩等［5］采用電刷鍍在灰口鑄鐵表面制備了Cr-n-Al2O3復(fù)合鍍層。其耐磨性相對于純Cr鍍層的有所提高。高硬度的n-Al2O3微粒彌散分布在鍍層中，起到了強(qiáng)化作用；在磨損過程中，n-Al2O3微粒對鍍層中裂紋的擴(kuò)展能起到抑制作用。兩種作用機(jī)制共同提高了鍍層的耐磨性。

TiO2是一種理化性質(zhì)穩(wěn)定、密度小的耐磨材料。馬壯等［6］在鎂合金表面制備了Ni-Cu-P／納米TiO2化學(xué)復(fù)合鍍層。當(dāng)鍍液中TiO2的質(zhì)量濃度為4g／L時，Ni-Cu-P／納米TiO2化學(xué)復(fù)合鍍層的耐磨性最佳。納米TiO2微粒分布在鍍層中，對鍍層起到彌散強(qiáng)化作用，進(jìn)而提高鍍層的硬度與耐磨性。但隨著TiO2的質(zhì)量濃度的增加，鍍層的耐磨性有所降低。

ZrO2具有耐磨損、剛度高、耐高溫、密度小等特點(diǎn)。許喬瑜等［7］采用電鍍法制備了非晶態(tài)Ni-P／ZrO2復(fù)合鍍層。研究發(fā)現(xiàn)：Ni-P 鍍層的耐磨性較差，而非晶態(tài)Ni-P／ZrO2復(fù)合鍍層的磨損量大幅降低。Ni-P 鍍層受黏著磨損和犁削磨損作用，納米ZrO2微粒的加入，緩解了鍍層的黏著磨損和犁削磨損作用，使磨損量大幅降低。

1.2 碳化物微粒

SiC 具有硬度和強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)［8］。石雷等［9］在不銹鋼表面制備了Ni-Co／納米SiC復(fù)合鍍層，其摩擦學(xué)性能比Ni-Co合金鍍層的更好。這是因為分散于金屬基體內(nèi)的SiC微粒起到了細(xì)化金屬晶粒、彌散強(qiáng)化及支撐作用；此外，SiC微粒的存在改變了復(fù)合鍍層的磨損機(jī)制，由普通合金鍍層的黏著磨損變?yōu)槟チＤp。

WC具有耐磨損、耐高溫、抗沖刷、耐腐蝕及質(zhì)量輕等特點(diǎn)。于錦等［10］為了改善Ni-P鍍層的硬度和耐磨性，采用電刷鍍法制備了Ni-P／納米WC 復(fù)合鍍層。當(dāng)鍍液中納米WC 微粒的質(zhì)量濃度為25 g／L時，復(fù)合鍍層的硬度為9 180 MPa，耐磨性優(yōu)于Ni-P鍍層的。這是因為含有納米WC 微粒的鍍層的組織更加細(xì)小致密，并且鍍層中高硬度的納米WC微粒與鎳基相結(jié)合良好。

1.3 納米金剛石

納米金剛石具有硬度高、耐磨性好及摩擦因數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)，主要用于耐磨、減摩復(fù)合鍍層的制備?？锝ㄐ碌龋?1］的研究表明：當(dāng)納米金剛石的質(zhì)量濃度為20～30g／L 時，鍍層的耐磨性最好。Ni-P／納米金剛石復(fù)合鍍層的耐磨性得到提高，是由于基體表面的復(fù)合微粒能夠起到支撐載荷、避免黏著磨損的作用，從而降低摩擦因數(shù)。與此同時，鍍層內(nèi)部的球狀微粒堆砌結(jié)構(gòu)及其高硬度，決定了納米金剛石復(fù)合鍍層優(yōu)異的摩擦學(xué)性能。

李穎等［12］對納米金剛石／鎳復(fù)合鍍層和普通快速鍍鎳層的耐磨性進(jìn)行了對比研究。結(jié)果表明：納米金剛石的彌散強(qiáng)化作用使復(fù)合鍍層的耐磨性較普通快速鍍鎳層的大幅提高。當(dāng)納米金剛石的質(zhì)量濃度較低時，隨著其質(zhì)量濃度的增加，鍍層的硬度不斷提高，鎳基質(zhì)的位錯滑移受到了阻礙或延遲，塑性變形得到了抑制，強(qiáng)化了復(fù)合鍍層。但當(dāng)納米金剛石的質(zhì)量濃度過高時，鎳基質(zhì)對金剛石的包裹能力有所下降，金剛石的分散性和鍍層的致密度降低，導(dǎo)致納米金剛石與金屬鎳的結(jié)合力降低，進(jìn)而鍍層的耐磨性降低。

1.4 稀土氧化物微粒

稀土元素表現(xiàn)出特殊的理化性質(zhì)，將其引入傳統(tǒng)復(fù)合鍍層中已成為今后的研究趨勢。薛玉君等［13］對電沉積Ni／納米La2O3復(fù)合鍍層的摩擦磨損性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：當(dāng)納米La2O3微粒均勻彌散分布于鍍層中時，基體位錯運(yùn)動和變形受阻，提高了鍍層的硬度和強(qiáng)度；鍍層組織的細(xì)化也有利于增強(qiáng)其抗磨能力。此外，在摩擦過程中，具有層狀六方晶體結(jié)構(gòu)的La2O3可起到良好的自潤滑作用，降低摩擦磨損。

馬壯等［14］利用化學(xué)鍍法在AZ91D 鎂合金上制得Ni-P／CeO2復(fù)合鍍層。結(jié)果表明：當(dāng)CeO2的質(zhì)量濃度為0.10g／L時，鍍層的耐磨性最佳。作為第二相硬質(zhì)點(diǎn)的CeO2微粒在鍍層中彌散分布，促使微粒附近的晶格發(fā)生嚴(yán)重畸變，增大了鍍層的內(nèi)應(yīng)力。但CeO2過量后，耐磨性將受到影響。

2 自潤滑納米復(fù)合鍍層的減摩機(jī)制

2.1 層狀結(jié)構(gòu)的微粒

石墨具有穩(wěn)定的層狀六方晶體結(jié)構(gòu)，分子結(jié)構(gòu)使層內(nèi)的碳原子以共價鍵結(jié)合，不易破壞；而層間的以范德華力結(jié)合，受剪切力作用時，層面容易滑移，所以石墨具有潤滑的性質(zhì)。杜寶中等［15］在低碳鋼基體上電鍍Ni-P／石墨復(fù)合鍍層。在摩擦過程中，石墨在摩擦副表面形成的潤滑膜改善了Ni-P 合金鍍層的磨損性能。軟質(zhì)的石墨微粒具有很低的剪切強(qiáng)度，使Ni-P／石墨復(fù)合材料的硬度降低。石墨特有的層狀結(jié)構(gòu)也降低了摩擦副之間的作用力，提高了復(fù)合鍍層的潤滑性和耐磨性。

MoS2具有六方晶系的層狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使MoS2極易從層間劈開，且與金屬表面結(jié)合牢固，并能形成一層平行于摩擦表面的膜層，有利于自潤滑。王蘭等［16］的研究發(fā)現(xiàn)：Ni-P／SiC-MoS2復(fù)合鍍層的耐磨性低于Ni-P／SiC 鍍層的，而高于Ni-P／MoS2鍍層的。這是由于第二相軟質(zhì)微粒MoS2的硬度較低，導(dǎo)致Ni-P／MoS2、Ni-P／SiC-MoS2鍍層的耐磨性有所降低。

2.2 高分子材料微粒

PTFE分子結(jié)構(gòu)含有13 或15 個—CF2—基化學(xué)重復(fù)單元，其具有較低的摩擦因數(shù)。PTFE 分子間的結(jié)合力很弱，容易滑動，滑動過程中在摩擦的對偶面上容易形成薄的轉(zhuǎn)移膜。張玉峰［17］通過對Ni-W-P／PTFE復(fù)合鍍層性能的研究，確定了復(fù)合鍍層中PTFE的體積分?jǐn)?shù)為20%～30%時，復(fù)合鍍層的摩擦性能最好。

應(yīng)巧寧等［18］研究了化學(xué)鍍Ni-P／PTFE 復(fù)合鍍層的耐磨性。摩擦磨損實(shí)驗表明：在較低的載荷下，Ni-P／PTFE復(fù)合鍍層具有良好的摩擦學(xué)性能。這是因為PTFE發(fā)生一定的變形，在對偶面上形成了潤滑膜，因而鍍層的摩擦因數(shù)較低。當(dāng)鍍層發(fā)生磨損時，PTFE微粒在鍍層與滑動摩擦面之間可以形成一層具有良好潤滑作用的薄膜，并且這層薄膜的抗剪強(qiáng)度較弱，所以鍍層具有較好的摩擦學(xué)性能。

2.3 其他微粒

CNTs是一種近似一維線性結(jié)構(gòu)的新型碳材料。研究表明［19-20］：在相同的熱處理條件下，化學(xué)鍍制備的Ni-P／CNTs復(fù)合鍍層比Ni-P／SiC、Ni-P／石墨等復(fù)合鍍層具有更好的自潤滑性。具有獨(dú)特管狀結(jié)構(gòu)的CNTs在摩擦過程中作為鍍層表面自潤滑劑和增強(qiáng)體，有效隔離了摩擦表面與鍍層的直接接觸，因此，提高了納米復(fù)合鍍層的自潤滑性。

非碳無機(jī)類富勒烯納米微粒（IF-WS2、IFMoS2）具有球形或橢球形的嵌套的中空或管狀結(jié)構(gòu)和良好的化學(xué)穩(wěn)定性，可作為固體潤滑劑。韓貴等［21］研究了Ni-P／CNTs和Ni-P／（IF-WS2）化學(xué)復(fù)合鍍層的減摩抗磨性能。兩者的減摩抗磨性能均優(yōu)于化學(xué)鍍Ni-P 和Ni-P／石墨鍍層的。這主要是因為Ni-P／CNTs化學(xué)復(fù)合鍍層中的CNTs具有優(yōu)異的力學(xué)性能和同軸石墨納米管結(jié)構(gòu)，而Ni-P／（IFWS2）化學(xué)復(fù)合鍍層優(yōu)異的減摩抗磨性能同IF-WS2的封閉層狀類富勒烯球形結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。

3 結(jié)語

由于納米微粒表現(xiàn)出獨(dú)特的微觀效應(yīng)，將其引入復(fù)合鍍層中，可以制備出具有各種優(yōu)異性能的納米復(fù)合鍍層。其中，硬質(zhì)微粒和自潤滑微粒同時共沉積的新型復(fù)合鍍層的制備，以及稀土等元素的添加對鍍層性能的改善逐漸受到了人們的關(guān)注。加強(qiáng)對納米微粒在鍍液中的穩(wěn)定性、復(fù)合電沉積機(jī)制，以及納米微粒對鍍層性能強(qiáng)化機(jī)制等問題的深入研究，將為納米復(fù)合鍍層的應(yīng)用提供更廣闊的空間。

［1］溫詩鑄.材料磨損研究的進(jìn)展與思考［J］.摩擦學(xué)學(xué)報，2008，28（1）：1-5.

［2］許強(qiáng)齡，吳以南.現(xiàn)代表面處理新技術(shù)［M］.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1994.

［3］張艷麗，羅勝鐵，劉大成.金屬鎳-碳化硅納米復(fù)合電鍍工藝研究［J］.兵器材料科學(xué)與工程，2007，30（4）：58-61.

［4］梁志杰.現(xiàn)代表面鍍覆技術(shù)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2005.

［5］章碩，胡樹兵，陳文旗，等.灰鐵基Cr-n-Al2O3復(fù)合電刷鍍層的性能［J］.材料工程，2012（9）：23-27.

［6］馬壯，王銳，王茺，等.鎂合金Ni-Cu-P／納米TiO2化學(xué)復(fù)合鍍層性能探究［J］.材料導(dǎo)報，2008，22（6）：105-108.

［7］許喬瑜，何偉嬌.非晶態(tài)Ni-P-ZrO2復(fù)合鍍層的耐磨性能［J］.材料工程，2010（12）：61-65.

［8］GYFTOU P，STROUMBOULI M，PAVLATOU E A，etal.Tribological study of Ni matrix composite coatings containing nano and micro SiC particles［J］.Electrochimica Acta，2005，50（23）：4544-4550.

［9］石雷，周峰，孫初鋒，等.Ni-Co-SiC納米復(fù)合鍍層的耐蝕性和摩擦學(xué)性能［J］.中國有色金屬學(xué)報，2005，15（4）：536-540.

［10］于錦，李漢，魏忠鼎，等.電刷鍍Ni-P／納米WC復(fù)合鍍層工藝及性能研究［J］.材料保護(hù)，2008，41（10）：51-53.

［11］匡建新，汪新衡，劉安民.Ni-P-納米金剛石粉復(fù)合電刷鍍層的耐磨性研究［J］.熱加工工藝，2010，39（10）：140-143.

［12］李穎，趙盟月，李變曉，等.納米金剛石／鎳電刷鍍復(fù)合鍍層機(jī)械性能研究［J］.金剛石與磨料磨具工程，2010，30（4）：46-48.

［13］薛玉君，朱荻，靳廣虎，等.電沉積Ni-La2O3納米復(fù)合鍍層的摩擦磨損性能［J］.摩擦學(xué)學(xué)報，2005，25（1）：1-5.

［14］馬壯，姜曉紅，時海芳，等.CeO2對AZ91D 合金化學(xué)復(fù)合鍍Ni-P-CeO2的影響［J］.電鍍與環(huán)保，2009，29（3）：30-32.

［15］杜寶中，高曉澤，唐建紅，等.復(fù)合電鍍（Ni-P）-石墨工藝及鍍層性能的研究［J］.電鍍與精飾，2009，31（2）：1-4.

［16］王蘭，邵紅紅，陳康敏，等.Ni-P-SiC-MoS2復(fù)合鍍層結(jié)構(gòu)與性能研究［J］.腐蝕與防護(hù)，2006，27（7）：334-337.

［17］張玉峰.Ni-W-P／PTFE電刷鍍多元復(fù)合材料工藝及性能研究［J］.機(jī)械工程材料，2002，26（5）：15-17.

［18］應(yīng)巧寧，李凝，徐洪，等.Ni-P-PTFE 自潤滑鍍層的耐磨性能及其增強(qiáng)機(jī)理研究［J］.電鍍與環(huán)保，2012，32（2）：16-18.

［19］CHEN W X，TU J P，XU Z D，etal.Tribological properties of Ni-P-multi-walled carbon nanotubes electroless composite coating［J］.Materials Letters，2003，57（7）：1256-1260.

［20］WANG L Y，TU J P，CHEN W X，etal.Friction and wear behavior of electroless Ni-based CNT composite coatings［J］.Wear，2003，254（12）：1289-1293.

［21］韓貴，陳衛(wèi)祥，夏軍寶，等.化學(xué)鍍耐磨自潤滑Ni-P復(fù)合鍍層的摩擦磨損性能［J］.摩擦學(xué)學(xué)報，2004，24（3）：216-218.