镍-纳米石墨复合镀层的制备及其性能表征

刘 旭， 姜海峰， 於欣桐， 王璐瑶， 张 闯， 吴 化

（长春工业大学 材料科学与工程学院，吉林 长春130012）

0 前言

电沉积复合镀层在提高材料的耐磨性方面发挥着良好的作用［1］。其中主要的复合镀层有两类：一类是以硬质微粒为第二相的耐磨复合镀层，另一类是含有软相的减摩复合镀层［2-3］。本实验利用纳米石墨的减摩自润滑特性，在铜基表面制备了镍-纳米石墨复合镀层。研究了工艺条件对复合镀层性能的影响，并讨论了超声波对改善镀层质量的作用。

1 实验

1.1 实验材料

以纯铜板为基体，尺寸为30 mm×20 mm×2mm。复合镀层的基质金属为镍，第二相微粒选用纳米石墨。

1.2 样品制备

选用 Watts 镀 液：NiSO4·6H2O 280 g／L，NiCl2·6H2O 40g／L，H3BO335g／L，纳米石墨1～5g／L，十二烷基硫酸钠0.5g／L。电镀工艺参数：pH值4～5，阴极电流密度3～5 A／dm2，温度45～50℃，电镀时间40min。

实验设备：SMD-30 型数控双脉冲电镀电源，KQ5200DE型数控超声波清洗器，JJ-1A 型精密定时电动搅拌器。

在上述镀液配方及工艺条件下，于铜基表面制备镍-纳米石墨复合镀层。

1.3 性能检测

利用SUPRA40型场发射扫描电镜观察样品的表面形貌、复合镀层的厚度及磨损后的磨痕形貌。利用FM700型硬度计检测复合镀层的硬度。利用UNMT-1型微纳米力学测试系统检测复合镀层的摩擦因数。利用激光共聚焦显微镜观察并测试复合镀层的表面粗糙度，同时检测复合镀层的电化学特性曲线。

2 结果与讨论

2.1 纳米石墨对复合镀层性能的影响

表1为不同工艺条件下所得复合镀层的性能参数。从表1中看出：随着镀液中纳米石墨的质量浓度的增加，复合镀层的硬度先升高后降低。电沉积过程中吸附在阴极表面的纳米石墨对电结晶过程的“封闭效应”［4］，细化了镀层组织。而当镀层中纳米石墨过多时，由于它的强度过低，抵消了细化组织的作用。因此，随着镀液中纳米石墨的质量浓度的增加，复合镀层中纳米石墨的质量分数也在增大，镀层的硬度出现了极值。

表1 不同工艺条件下所得复合镀层的性能参数

图1为不同工艺条件下所得复合镀层的表面形貌。由图1可知：随着镀液中纳米石墨的质量浓度的增加，复合镀层的组织逐渐变得细小。

图1 不同工艺条件下所得复合镀层的表面形貌

图2为不同工艺条件下所得复合镀层的摩擦因数测试曲线。结合表1和图2可知：当镀液中纳米石墨的质量浓度为3g／L时，复合镀层的性能最佳。镀液中纳米石墨的质量浓度为1g／L 时，虽然复合镀层的硬度最高，但由于纳米石墨在阴极表面的吸附量有限，细化镀层组织的程度也有限［5］，导致复合镀层的表面粗糙度不是最低。而当镀液中纳米石墨的质量浓度增至3g／L 时，纳米石墨对复合镀层形成时的电结晶过程产生“吸附”作用，致使电结晶速率放慢，镀层表面粗糙度明显下降。此时测得镀层表面粗糙度最低，为0.972 2μm。由于镀层表面粗糙度下降，使得镀层表面与摩擦副之间的接触点增加，单位质点上承载减小，加之纳米石墨的润滑作用，使复合镀层具有最小的摩擦因数。观察到的磨痕形貌也能够证明：复合镀层表面粗糙度最小时，磨痕尺寸小且较为规则。

图2 不同工艺条件下所得复合镀层的摩擦因数测试曲线

2.2 超声波对复合镀层性能的影响

为了避免纳米石墨过度地团聚，施镀过程中采用超声波对其进行分散。超声波的“空化”作用不仅能分散团聚的纳米石墨［6-7］，还能细化复合镀层的组织并改善其择优取向。电沉积过程中，受阴极极性的影响，沉积金属离子沿垂直于阴极表面的方向向其运动，在阴极表面接受电子而还原。因此，电沉积获得的镀层一般都具有较为明显的择优取向。纯镍镀层为棱锥状形貌。超声波的施加，对刚刚在阴极表面还原结晶的金属粒子而言，能够降低它的吸附能力，阻碍晶体的进一步长大，即对“择优取向”的生长方式起到阻碍作用；同时，超声波的“空化”作用导致吸附弱的粒子从生长的晶体上脱落而变为“增殖”的晶核，从而细化了镀层组织。从图1中可以明显地看出棱锥状的改变和组织的细化。

2.3 纳米石墨对复合镀层电化学特性的影响

纯镍镀层作为单质金属镀层具有很好的电化学特性和耐蚀性。而镍-纳米石墨复合镀层中由于引入软质、润滑相——纳米石墨，构成了减摩镀层。为了解其耐蚀性的变化，检测了样品的电化学特性，结果如图3所示。

图3 不同工艺条件下所得复合镀层的极化曲线

由图3可知：纳米石墨的加入并没有使自腐蚀电位有大的改变，说明镍-纳米石墨复合镀层的耐腐蚀倾向改变得不明显。但是当镀液中纳米石墨的质量浓度为5g／L时，复合镀层的自腐蚀电流却有明显的提高。这表明当复合镀层中纳米石墨的质量分数增大时，在腐蚀介质中容易形成更多的腐蚀微电池，导致复合镀层的腐蚀速率增大。同时也提示，当对镀层有耐腐蚀要求时，复合镀层中纳米石墨的质量分数不易过高。

3 结论

（1）在其他工艺条件不变的情况下，改变镀液中纳米石墨的质量浓度，所得镍-纳米石墨复合镀层的硬度、摩擦因数及表面粗糙度等均有不同。当镀液中纳米石墨的质量浓度为3g／L 时，所得复合镀层的综合性能最佳，其硬度为3 060 MPa，表面粗糙度为0.972 2μm，摩擦因数为0.255 8。

（2）在镍-纳米石墨复合镀层的制备过程中，施加超声波，除减轻第二相的团聚外，其空化作用还能细化复合镀层的组织并改善复合镀层的择优取向。

（3）随着镀液中纳米石墨的质量浓度的增加，所得镍-纳米石墨复合镀层的电化学特性也会发生变化。当镀夜中纳米石墨的质量浓度增至5g／L时，复合镀层的自腐蚀电位虽没有呈现发生明显的变化，但自腐蚀电流明显增大，表明复合镀层的腐蚀速率明显加快。

［1］RUDNIK E，BURZYNSKA L，DOLASINSKI L，etal.Electrodeposition of nickel／SiC composites in the presence of cetyltrimethylammonium bromide［J］.Applied Surface Science，2010，256（24）：7414-7420.

［2］SRIVASTAVA M，WILLIAM GRIPS V K，RAJAM K.Structure and properties of electrodeposited Ni-Co-YZA composite coatings［J］.Journal of Applied Electrochemistry，2008，38（5）：669-677.

［3］李雪松，吴化，杨友.黑Cr-C纳米复合功能镀层的制备及影响因素［J］.特种铸造及有色金属，2007，27（7）：504-507.

［4］于芝兰.金属防护工艺原理［M］.北京：国防工业出版社，1990.

［5］吴化，陈涛，王庆辉.电沉积Ni-SiC纳米复合镀层的显微组织分析［J］.材料工程，2011（12）：48-52.

［6］薛玉君，刘红彬，兰明明，等.超声条件下脉冲电沉积Ni-CeO2纳米复合镀层的高温抗氧化性［J］.中国有色金属学报，2010，20（8）：1599-1604.

［7］CHANG L M，GUO H F，AN M Z.Electrodeposition of Ni-Co／Al2O3composite coating by pulse reverse method under ultrasonic condition［J］.Materials Letters，2008，62（19）：3313-3315.