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前言
復(fù)合電鍍是基質(zhì)金屬與懸浮在鍍液中的非水溶性固體微粒共同沉積而形成鍍層的一種工藝，所得鍍層稱為復(fù)合鍍層，其同時(shí)具有基質(zhì)金屬和固體微粒的綜合性能。與普通鍍層相比，復(fù)合鍍層具有更好的耐磨性和耐蝕性。納米微粒具有小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)以及量子隧道效應(yīng)等特性，將其引入復(fù)合鍍層中所形成的納米復(fù)合鍍層呈現(xiàn)出獨(dú)特的性能。本文綜述了鎳基納米復(fù)合鍍層的研究現(xiàn)狀。
1 納米復(fù)合鍍層的機(jī)理研究
1.1 復(fù)合鍍層的沉積機(jī)理
關(guān)于復(fù)合鍍層沉積機(jī)理的研究，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者已經(jīng)提出過多種不同的觀點(diǎn)。一些學(xué)者認(rèn)為：力學(xué)因素占主導(dǎo)作用，同時(shí)陰極電流密度和鍍液的微觀分散能力也是影響復(fù)合鍍層形成的主要原因。
通過攪拌使鍍液中的微粒很好地懸浮起來，給微粒與陰極的相互接觸創(chuàng)造條件，而當(dāng)微粒停留在陰極表面上時(shí)，就有可能被沉積的金屬嵌入鍍層中。
另外一些學(xué)者認(rèn)為：微粒在電場(chǎng)作用下的電泳速率是微粒進(jìn)入復(fù)合鍍層的關(guān)鍵因素。盡管微粒的電泳速率要比攪拌所引起的微粒隨液流的遷移速率小得多，但在微粒到達(dá)陰極界面的分散雙電層后，由于電位差的作用，在界面間將會(huì)產(chǎn)生極高的場(chǎng)強(qiáng)，電泳速率可以變得比較大。微粒以垂直于電極表面的方向沖向陰極，并被金屬嵌入鍍層中。
Guglielmi的兩步吸附理論認(rèn)為：微粒與金屬共沉積時(shí)，表面帶有吸附離子層的微粒首先吸附在陰極表面，此時(shí)微粒表面仍被吸附離子層所包圍;隨著一部分弱吸附在陰極表面的吸附層被還原，微粒與陰極發(fā)生強(qiáng)吸附而進(jìn)入鍍層，伴隨金屬電沉積的進(jìn)行，處于強(qiáng)吸附狀態(tài)的微粒被金屬永久地嵌入鍍層中。
由于沉積過程本身是一系列反應(yīng)鏈相互作用的結(jié)果，反應(yīng)過程中許多中間態(tài)離子的壽命短，難以檢測(cè)，所以沉積機(jī)理尚無完善的理論解釋。綜合上述機(jī)理分析，復(fù)合鍍層的形成大致可分為三個(gè)階段：
(1)懸浮于鍍液中的微粒向陰極表面附近輸送;(2)微粒黏附于陰極表面;(3)微粒被陰極上析出的基質(zhì)金屬牢固地嵌入鍍層中。
1.2納米復(fù)合鍍層的強(qiáng)化機(jī)理
采用X射線衍射儀和透射電鏡對(duì)幾種鎳基納米復(fù)合刷鍍層的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，證實(shí)其強(qiáng)化機(jī)理是超細(xì)晶強(qiáng)化、高密度位錯(cuò)強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化和納米微粒效應(yīng)強(qiáng)化共同作用的結(jié)果。
刷鍍時(shí)，工件局部有比槽鍍大幾倍到幾十倍的電流密度，這種大電流密度使過電位和雙電層的電場(chǎng)強(qiáng)度很高，離子在電場(chǎng)中被加速打到被鍍表面，形成了大量的超細(xì)晶核。鍍筆與工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)影響鍍層金屬的形核過程，使鍍層晶粒細(xì)化。鍍液是有機(jī)配位物的水溶液，金屬離子以配位離子的形式存在，提高了陰極極化作用。這些均是獲得超細(xì)晶粒的主要原因。超細(xì)晶粒使鍍層單位體積內(nèi)的晶界增多，形變抗力增大，、鍍層得以強(qiáng)化。
大量位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)雖是造成晶體滑動(dòng)變形的主要原因，但較高的位錯(cuò)密度反而能降低晶體的易動(dòng)性。電刷鍍過程中高度的不平衡電結(jié)晶過程在鍍層中形成了高密度的位錯(cuò)纏繞和孿晶，使鍍層形變抗力增大，鍍層得以強(qiáng)化。
對(duì)鎳一鈷一鎢合金鍍層而言，XRD譜圖中得到的僅是單相鎳的晶體結(jié)構(gòu)，這表明鎢、鈷等成分已固溶于鎳基體中。由于鎢、鈷與鎳的原子尺寸差異引起固溶體晶體點(diǎn)陣的畸變，有效阻止了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，因而固溶強(qiáng)化使鍍層的性能得以增強(qiáng)。
當(dāng)納米微粒彌散在鍍層中時(shí)，不僅對(duì)鍍層起到了支撐作用，而且這些硬質(zhì)點(diǎn)對(duì)提高鍍層的耐磨性極為有利;其次，嵌入基質(zhì)金屬鍍層的納米微粒增加了鍍層中的位錯(cuò)阻力，阻止了晶體的滑移，使鍍層的形變抗力增大，鍍層得以強(qiáng)化。這就是所謂的納米微粒效應(yīng)強(qiáng)化。
納米微粒對(duì)鍍層的強(qiáng)化機(jī)理尚不完善，還有待進(jìn)一步的研究。
2納米微粒在鍍液中的分散
納米微粒在鍍液中的分散程度對(duì)鍍層中納米微粒均勻分布有重要的影響。納米微粒的比表面積大，表面能高，使其表面處于極不穩(wěn)定狀態(tài)。為了降低表面能，納米微粒往往通過相互聚集而達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。以團(tuán)聚體存在的納米微粒會(huì)失去其原有的納米微粒效應(yīng)，因此，首先要使納米微粒呈單分散態(tài)均勻且穩(wěn)定地分散在鍍液中，才有可能得到高質(zhì)量的納米復(fù)合鍍層。目前納米微粒的分散方法主要分為物理法和化學(xué)法。由于不同粒徑和種類的納米微粒
其分散性不同，在制備納米復(fù)合鍍層的過程中，往往同時(shí)采用幾種分散方法。
王為等以高分子聚電解質(zhì)為分散劑，在鍍鎳液中實(shí)現(xiàn)了納米2r02微粒的單分散，并在此納米復(fù)合鍍鎳液中制備出單分散Ni-2r02納米復(fù)合鍍層。Wang J L等在普通碳鋼表面制備了Ni-W-P-Ce02 -Si02納米復(fù)合鍍層，研究了機(jī)械攪拌對(duì)納米復(fù)合鍍層微觀結(jié)構(gòu)及性能的影響。結(jié)果表明：當(dāng)機(jī)械攪拌速率為1 000 r/min時(shí)，納米復(fù)合鍍層的結(jié)構(gòu)致密，基質(zhì)金屬輪廓清晰，晶粒較細(xì)，納米微粒以彌散態(tài)均勻分布在基質(zhì)金屬中，且鍍層的沉積速率(32. 68 ym/h)和顯微硬度(6 820 MPa)最高。孫玉利等研究了超聲波分散時(shí)間、表面活性劑種類及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)納米Al2 03微粒在水相介質(zhì)中分散性能的影響。結(jié)果表明：隨著超聲波分散
時(shí)間的延長(zhǎng)和分散劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，納米Al2O3微粒的分散性均出現(xiàn)先增加后降低的變化規(guī)律，且對(duì)于每一種分散劑均存在最佳超聲波分散時(shí)間和最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
3 鎳基納米復(fù)合鍍層的分類及其研究現(xiàn)狀
鎳基納米復(fù)合鍍層按功能可分為：耐磨鍍層、自潤(rùn)滑鍍層、耐高溫鍍層以及耐蝕鍍層等。
3.1耐磨鍍層
鍍層的耐磨性通常與硬度直接相關(guān)，硬度越高，耐磨性越好。將硬度較高的納米微粒(如SiC，Al2 03，金剛石等)與鎳基金屬鍍液制成各種納米復(fù)合鍍層，納米微粒彌散分布在基體中可有效細(xì)化基質(zhì)金屬晶粒，提高基質(zhì)金屬的硬度，從而使納米復(fù)合鍍層具有較高的耐磨性。
Gyftou等在鍍鎳液中分別加入微米SiC微粒和納米SiC微粒，制得Ni-SiC復(fù)合鍍層，并對(duì)復(fù)合鍍層的力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明：SiC微粒的加入提高了鍍層的硬度和耐磨性，細(xì)化了鍍層晶粒;對(duì)比之下，納米SiC微粒對(duì)于鍍層性能的影響更加顯著。
由于納米Al2 03微粒具有硬度高、價(jià)格低以及與鎳的親和性好等特點(diǎn)，使其在復(fù)合電刷鍍技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。研究表明：納米Al2 03復(fù)合刷鍍層具有硬度高、耐高溫以及耐磨等性能。
國(guó)內(nèi)有些學(xué)者用電鍍的方法制備了含納米金剛石粉的復(fù)合鍍鎳層，與不含納米金剛石粉的普通鍍鎳層相比，其硬度增加了一倍以上，耐磨性能明顯提高。
陳小華等制備出的鎳基碳納米管復(fù)合鍍層，可以顯著改善金屬表面的耐磨性能。SEM分析結(jié)果表明：碳納米管的一端嵌入鎳基體中，另一端暴露于基體鍍層之外，可以對(duì)基體起到保護(hù)作用。由于碳納米管具有強(qiáng)度高、韌性及自潤(rùn)滑性能好等特點(diǎn)，剝落的碳納米管覆蓋在材料的磨損表面，能起到降低磨損率的作用。
3.2自潤(rùn)滑鍍層
在鍍液中加入具有較低硬度和良好自潤(rùn)滑性能的納米微粒(如MoS2，PTFE，碳納米管等)，與基質(zhì)金屬共沉積可以獲得自潤(rùn)滑性能良好的納米復(fù)合鍍層。這種鍍層的摩擦系數(shù)很低，在軸承、汽缸、齒輪等部件上應(yīng)用十分廣泛。
周細(xì)應(yīng)等利用電刷鍍技術(shù)制備了Ni-PTFE納米復(fù)合鍍層，并對(duì)鍍層的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。結(jié)果表明：納米PTFE的加入可明顯細(xì)化復(fù)合鍍層的晶粒，且以微粒狀態(tài)彌散于鍍層中。 楊玲玲等以45#鋼為基體，采用化學(xué)鍍的方法分別制備了Ni-P-MoS2和Ni-P_ CaFz兩種納米復(fù)合鍍層，并對(duì)兩種鍍層的自潤(rùn)滑性能進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明：常溫下兩種納米復(fù)合鍍層的自潤(rùn)滑性能均優(yōu)于未添加納米微粒的純鎳鍍層的，且Ni-p-MoS2納米復(fù)合鍍層的自潤(rùn)滑性能優(yōu)于Ni-P- CaF2納米復(fù)合鍍層的。
3.3耐高溫鍍層
將納米陶瓷微粒(如Si02，Zroz，Al2 03等)應(yīng)用于復(fù)合鍍層中能有效地提高鍍層的耐高溫性能，與微米微粒復(fù)合鍍層相比，納米微粒的加入可顯著改善鍍層的微觀結(jié)構(gòu)，提高鍍層的耐高溫性能。
姚素薇等對(duì)Ni-W合金鍍層及Ni-W-Zroz納米復(fù)合鍍層的耐高溫性能進(jìn)行分析。結(jié)果表明：納米復(fù)合鍍層的氧化增重量?jī)H為合金鍍層的1/2，其高溫?zé)岱€(wěn)定性較Ni-W合金鍍層的提高了39℃。
徐龍?zhí)玫扔秒娝㈠兊姆椒ㄖ苽淞薔i-AlzO3納米復(fù)合刷鍍層，發(fā)現(xiàn)該復(fù)合鍍層的使用溫度可達(dá)400℃，此時(shí)的維氏硬度為6 470 MPa，磨痕深度僅為相同溫度下快速鍍鎳層的1/4，表現(xiàn)出了良好的高溫硬度和耐磨性能。
另外，研究表明：納米La2 03微粒的加入可使鎳基鍍層的晶粒明顯細(xì)化，且該鍍層的耐高溫性能比純鎳基鍍層的高得多。
3.4耐蝕鍍層
吳少駒在快速鍍鎳液的基礎(chǔ)上，通過添加納米Cr2 03微粒制備了Ni-Cr2 03納米復(fù)合鍍層，并測(cè)試了鍍層的顯微硬度、耐蝕性與極化曲線。結(jié)果表明：加入納米Cr2 03微粒后，鍍層的硬度和耐蝕性均有所提高。
梁平采用電刷鍍技術(shù)制備了Ni-P合金鍍層和Ni-P-SiC納米復(fù)合鍍層。結(jié)果表明：納米SiC微粒的加入影響鍍層的沉積和生長(zhǎng)過程，制得的納米復(fù)合鍍層比Ni-P合金鍍層更加平整、光滑、致密，鍍層表面的微裂紋數(shù)量明顯減少，耐蝕性得到顯著增強(qiáng)。
周蘇閩等采用化學(xué)鍍的方法，使用季銨鹽類陽(yáng)離子型表面活性劑和酚醛類非離子型表面活性劑制得了納米微粒分散良好的Ni-P-Ceoz納米復(fù)合鍍層，該鍍層在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NaCl溶液和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的H。S氣體中的鹽霧實(shí)驗(yàn)均表現(xiàn)出了優(yōu)異的耐蝕性。
Qiu采用液相金屬電沉積技術(shù)制備了納米復(fù)合鍍層，利用了納米微粒的量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和宏觀量子效應(yīng)，提高了鍍層的耐蝕性。
4 結(jié)語(yǔ)
納米微粒的加入能顯著提高鎳基金屬鍍層的性能，從而延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，節(jié)約材料，保護(hù)環(huán)境，具有良好的使用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。但目前鎳基納米復(fù)合鍍層的研究與應(yīng)用還處在起步階段，受到各種因素的限制，很多問題還沒有得到解決，有待進(jìn)一步的研究。
