黃嘉樂，王啟偉, *，劉嘉楠，朱勝，陳利華，李衛(wèi)

（1.暨南大學先進耐磨蝕及功能材料研究院，廣東 廣州 510632；2.陸軍裝甲兵學院再制造技術國家重點實驗室，北京 100072；3.北京北方車輛集團有限公司，北京 100053）

復合電沉積是指在電解液中加入不溶性固體顆粒或纖維，使其與基質金屬在陰極上共沉積而形成鍍層的工藝[1]。該工藝具有控制精度高、能耗小、成本低、易重現(xiàn)、多功能、生產率高等優(yōu)點[2]。若控制得當，復合鍍層的硬度可達到或超過硬鉻鍍層，并具有比硬鉻鍍層更優(yōu)異的耐磨性和耐蝕性[3]，在車輛船艦、鋼鐵冶金和能源化工領域有著良好的應用前景。

Ni-W-SiC復合電鍍層具有良好的物化性能和機械性能[4]。Ni-W-SiC中的基質鎳具有良好的機械強度和韌性；基質鎢化學性質穩(wěn)定、硬度高、耐磨性好，可有效降低鍍件的摩擦因數；碳化硅顆粒具有優(yōu)良的力學性能、耐磨性、抗氧化、摩擦因數低等特性[5-8]。因此，Ni-W-SiC復合鍍層作為高污染性硬鉻鍍層的替代技術而獲得了廣泛的研究[9-10]。然而，第二相顆粒的加入減小了鍍層與基體之間的有效結合面積，導致復合鍍層與基體之間的結合強度下降，使其工程化應用受到極大的阻礙。

本文采用單因素試驗法研究了基體表面粗糙度、預鍍層種類和厚度、復合鍍層厚度、陰極電流密度等因素對Ni-W-SiC復合鍍層結合強度的影響，以期獲得界面結合強度較高的Ni-W-SiC復合電鍍工藝。

1 實驗

1.1 基體材料

基體材料為Cr5鋼，其主要成分為：總碳0.53 %，硅0.51 %，錳0.46 %，鉬0.53 %，釩0.16 %，鉻4.95 %，鎳0.44 %，鐵余量。通過電火花線切割將基材加工成直徑25 mm、厚度2 mm的圓片。

1.2 Ni-W-SiC復合電沉積工藝

工藝流程為：噴砂→清洗→超聲清洗→堿液除油(70 °C水浴中超聲振蕩10 min)→清洗→超聲清洗→清水沖洗→吹風機烘干→預鍍Ni或Ni-Fe合金→清水沖洗→復合電沉積Ni-W-SiC。

電鍍過程采用鎳網作為陽極。

1.2.1 預鍍

(1) 預鍍 Ni：NiSO4·6H2O 30 ～ 40 g/L，H3BO330 ～ 40 g/L，Na2SO460 ～ 120 g/L，NaCl 8 ～ 10 g/L，溫度30 ～ 50 °C，pH 4.5 ～ 5.5，電流密度 0.2 A/dm2。

(2) 預鍍 Ni-Fe 合金：NiSO4·6H2O 180 ～ 220 g/L，F(xiàn)eSO4·7H2O 10 ～ 20 g/L，H3BO340 ～ 45 g/L，NaCl 25 ～30 g/L，Na3C6H5O7·2H2O 120 g/L，溫度 45 ～ 60 °C，pH 3.5 ～ 4.5，電流密度 0.3 A/dm2。

預鍍后清洗完立即進行復合電沉積。

1.2.2 復合電沉積Ni-W-SiC

采用MD-30型多功能脈沖電源進行復合電沉積，占空比50%，頻率500 Hz。為保證復合鍍液中SiC顆粒的均勻性，采用磁力攪拌儀進行攪拌，攪拌速率為150 r/min。

鍍液組成和工藝條件為：NiSO4·6H2O 30 ～ 40 g/L，Na2WO4·6H2O 60 ～ 80 g/L，Na3C6H5O7·2H2O 110 ～130 g/L，NH4Cl 30 ～ 40 g/L，納米SiC(由粒徑分別為600 nm和100 nm的SiC按質量比3∶1混合而成)30 g/L，OP乳化劑-十二烷基磺酸鈉復配分散劑適量，溫度50 ～ 60 °C，pH 8 ～ 9，電流密度0.4 ～ 1.6 A/dm2。

1.3 性能檢測

1.3.1 結合強度

如圖1所示，借助E7結構膠將鍍層與兩端夾頭粘牢，在100 °C的干燥箱中保溫3 h至其固化，隨后將夾頭兩端安裝在MTA型材料力學測試系統(tǒng)上，以1 mm/min的速率拉伸，記錄試樣被拉斷瞬間的拉力。通過公式P=F/A計算結合強度，其中P為結合強度(單位：MPa)，F(xiàn)為拉斷時記錄的拉力(單位：N)，A為接觸面積(單位：mm2)。

圖1 結合強度測試示意圖Figure 1 Schematic diagram of bond strength testing

1.3.2 表面及截面形貌

采用Phenom XL型掃描電鏡(SEM)觀察復合鍍層拉伸試驗前后的形貌，并用其配備的能譜儀(EDS)進行成分分析。表面形貌觀察采用二次電子信號，截面形貌觀察采用背散射電子信號。觀察截面形貌前，先將含復合鍍層的試樣垂直封裝在環(huán)氧樹脂中，再用400#、600#、1000#及2000#的SiC砂紙逐級打磨，接著機械拋光，最后噴金。

2 結果與討論

2.1 Ni-W-SiC復合鍍層的微觀形貌

采用800#砂紙打磨基體表面后預鍍Ni，在電流密度1.6 A/dm2下電沉積得到Ni-W-SiC復合鍍層。從圖2可見，所得的鍍層無明顯的孔洞、裂紋等缺陷，SiC顆粒均勻地嵌入基質金屬中。復合鍍層與預鍍層之間、預鍍層與基體之間都緊密結合，SiC顆粒在鍍層內部均勻分布，無明顯的團聚現(xiàn)象。

圖2 Ni-W-SiC復合鍍層的表面(a)和截面(b)形貌Figure 2 Surface (a) and cross-sectional (b) morphologies of Ni-W-SiC composite coating

2.2 不同因素對Ni-W-SiC復合鍍層結合強度的影響

2.2.1 基體表面粗糙度的影響

對基體噴砂至其表面粗糙度(Ra)分別為2、3和4 μm，不進行預鍍，在電流密度1.6 A/dm2下復合電沉積2 h，獲得厚度為20 μm的Ni-W-SiC復合鍍層。如圖3所示，隨基體表面粗糙度增大，鍍層的結合強度提高。這是因為增大基體的表面粗糙度可增大其真實表面積，令鍍層與基體之間的鉤連效應和鉚接效應增強[11]。當基體表面粗糙度為4 μm時，復合鍍層/基體合金界面結合強度為25.92 MPa?？紤]到通過噴砂繼續(xù)增大基體表面粗糙度具有一定難度，以及工程化應用的實際情況，確定鍍前對基體噴砂至表面粗糙度為4 μm。

圖3 基體表面粗糙度對鍍層/基體界面結合強度的影響Figure 3 Effect of surface roughness of substrate on interfacial bonding strength between coating and substrate

2.2.2 預鍍層種類的影響

對基體噴砂至表面粗糙度為4 μm，先預鍍厚度均為1 μm的Ni-Fe合金鍍層或純Ni鍍層，再在2.2.1節(jié)所述條件下進行復合電鍍。結果顯示，Ni-Fe/Ni-W-SiC鍍層和Ni/Ni-W-SiC鍍層與基體間的結合強度分別為32.25 MPa和33.92 MPa，都高于直接復合電鍍Ni-W-SiC時的結合強度，表明SiC顆粒直接附著在基體表面會在一定程度上降低鍍層的結合強度。另外，肉眼可見所有試樣在拉伸試驗時的斷裂位置均在基體與預鍍層的界面，說明預鍍層/Ni-W-SiC復合鍍層界面的結合強度大于基體/預鍍層界面。這是因為界面結合強度除了受有效界面結合面積影響外，還受沉積金屬原子與基體金屬原子之間相互作用的影響[12]，擁有近似晶格類型或晶格常數的鍍層與基體的結合更好。Ni-W-SiC復合鍍層在形成和生長的初始階段沿純Ni鍍層上晶格外延生長[13]，因而提高了結合強度。在預鍍Ni-Fe合金過程中，為保證Ni原子與Fe原子的共沉積，鍍液pH維持在較低水平，沉積過程中析氫嚴重，鍍層脆性大[11]，因而基體合金/Ni-Fe鍍層的界面結合強度不如基體合金/純Ni鍍層的界面。因此選擇預鍍Ni。

2.2.3 Ni-W-SiC復合鍍層厚度的影響

保持基體合金表面粗糙度為4 μm，控制純Ni預鍍層厚度為1 μm，在電流密度為1.6 A/dm2的條件下復合電沉積1.0、1.5和2.0 h，得到厚度分別為10、15和20 μm的Ni-W-SiC復合鍍層，其結合強度測試結果見圖4。當復合鍍層厚度為10 μm時，鍍層的結合強度為36.36 MPa。隨復合鍍層厚度增大，鍍層/基體界面的結合強度降低。這是因為復合鍍層的內應力和脆性隨其厚度增大而增大，使得鍍層的結合強度降低。但鍍層太薄時復合鍍層的耐磨性和耐蝕性較差，因此復合鍍層的厚度不宜過低，以10 μm為宜。

圖4 復合鍍層厚度對鍍層/基體界面結合強度的影響Figure 4 Effect of thickness of composite coating on interfacial bonding strength between coating and substrate

2.2.4 電流密度的影響

先在表面粗糙度為4 μm的基體上制備預鍍厚度為1 μm的純Ni，再在電流密度0.4、0.8、1.2和1.6 A/dm2下分別電沉積4.0、2.0、1.5和1.0 h，獲得厚度均為10 μm的Ni-W-SiC復合鍍層。從圖5可知，隨著電流密度增大，鍍層的結合強度先增大后減小。當電流密度為0.8 A/dm2時，結合強度最高，為44.91 MPa。

圖5 電流密度對鍍層/基體界面結合強度的影響Figure 5 Effect of current density on interfacial bonding strength between coating and substrate

2.2.5 預鍍Ni層厚度的影響

保持基體合金表面粗糙度為4 μm，控制純Ni預鍍層的厚度分別為0.75、1.00、1.25和1.50 μm，在電流密度0.8 A/dm2下復合電沉積2 h，獲得不同預鍍層厚度的復合鍍層，并對其結合強度進行測試。由圖6可知，隨著預鍍層厚度的增大，結合強度先增大后減小，預鍍層厚度為1 μm時結合強度最高。當預鍍Ni層厚度為0.75 μm時，預鍍Ni層過薄，無法覆蓋粗糙的基體表面，使得部分基體表面裸露，結合強度下降。而預鍍層厚度過高時，預鍍層的殘余應力增大，對界面結合強度產生不利影響。

圖6 預鍍Ni層厚度對鍍層/基體界面結合強度的影響Figure 6 Effect of thickness of pre-plated nickel coating on interfacial bonding strength between coating and substrate

2.3 斷面分析

從圖7可知，拉伸試驗后夾頭部分區(qū)域有殘余鍍層粘附。由圖8和表1可知，斷面的主要元素為來自基體的Fe，并且有少量W和Si。由此可判斷，在拉斷過程中預鍍層與Ni-W-SiC復合鍍層界面也發(fā)生了局部分離，且主要發(fā)生在有SiC的界面位置，進一步證明了復合鍍層中第二相顆粒的存在會降低鍍層的界面結合能力。另外，預鍍Ni-Fe斷面上W和Si的含量高于預鍍Ni斷面，說明預鍍Ni-Fe層與Ni-W-SiC復合鍍層界面的分離區(qū)域更多，預鍍Ni層/Ni-W-SiC復合鍍層界面的結合強度更高。

表1 Ni/Ni-W-SiC和Ni-Fe/Ni-W-SiC經拉伸試驗后基體一側斷面各元素的原子分數Table 1 Atom fractions of different elements on fracture surface adjacent to the substrate plated with Ni/Ni-W-SiC or Ni-Fe/Ni-W-SiC after tensile test（單位：%）

圖7 Ni/Ni-W-SiC(a)和Ni-Fe/Ni-W-SiC(b)鍍層經拉伸試驗后基體一側的截面形貌Figure 7 Cross-sectional morphologies of the interface adjacent to the substrate plated with Ni/Ni-W-SiC (a) or Ni-Fe/Ni-W-SiC (b) after tensile test

圖8 Ni/Ni-W-SiC(a, c)和Ni-Fe/Ni-W-SiC(b, d)經拉伸試驗后基體一側的斷面形貌和元素分布Figure 8 Morphologies and element distribution of the fracture adjacent to the substrate plated with Ni/Ni-W-SiC (a, c) or Ni-Fe/Ni-W-SiC (b, d) after tensile test

3 結論

Cr5鋼基體/Ni-W-SiC復合鍍層界面結合強度與基體表面粗糙度、預鍍層種類和厚度、復合電沉積電流密度以及復合鍍層厚度直接相關。當控制基體表面粗糙度為4 μm，預鍍1 μm厚的純Ni鍍層后，在電流密度0.8 A/dm2下電沉積10 μm厚的Ni-W-SiC復合鍍層時，復合鍍層的結合強度最高，達49.8 MPa。在拉伸試驗過程中，斷裂主要發(fā)生在基體/預鍍層或基體/復合鍍層界面。