影響復(fù)合鍍層耐磨性的結(jié)構(gòu)性因素

王猛，譚俊，*，蘭龍，吳迪

（1.裝甲兵工程學(xué)院再制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100072；

2.裝甲兵工程學(xué)院表面工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100072；

3.中國(guó)西安衛(wèi)星測(cè)控中心三亞航天測(cè)控站，海南 572427）

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影響復(fù)合鍍層耐磨性的結(jié)構(gòu)性因素

王猛1，譚俊1，2，*，蘭龍3，吳迪1

（1.裝甲兵工程學(xué)院再制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100072；

2.裝甲兵工程學(xué)院表面工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100072；

3.中國(guó)西安衛(wèi)星測(cè)控中心三亞航天測(cè)控站，海南 572427）

主要以鎳基復(fù)合鍍層為例，分析了影響復(fù)合鍍層耐磨性的結(jié)構(gòu)性因素（包括基質(zhì)金屬性質(zhì)、晶粒尺寸，硬質(zhì)顆粒性質(zhì)、尺寸及其在鍍層中的復(fù)合量和分布）的影響規(guī)律和機(jī)理，以期為提高復(fù)合鍍層耐磨性提供參考。

復(fù)合鍍層；基質(zhì)金屬；硬質(zhì)顆粒；耐磨性；綜述

First-author's address: Science and Technology on Remanufacturing Laboratory， Academy of Armored Force Engineering，Beijing 100072， China

復(fù)合鍍層是通過(guò)將一種或多種不溶性固體顆粒添加到金屬基質(zhì)鍍液中，利用電沉積技術(shù)在基質(zhì)金屬發(fā)生沉積的過(guò)程中將固體顆粒包覆、鑲嵌到金屬鍍層中所得［1-3］。復(fù)合鍍層在一定程度上兼具基質(zhì)金屬與固體顆粒的性能，這是普通單金屬鍍層及合金鍍層無(wú)法比擬的，并且復(fù)合鍍層的制備與單金屬或合金鍍層無(wú)明顯差異，對(duì)設(shè)備和工藝也無(wú)特殊要求，操作簡(jiǎn)單，價(jià)格經(jīng)濟(jì)［4-5］。因此，復(fù)合鍍層在近年來(lái)發(fā)展較快，其應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。隨著對(duì)復(fù)合電沉積研究的深入，更多具有特殊性能的復(fù)合鍍層逐漸問(wèn)世，滿足了越來(lái)越多領(lǐng)域的需求。

復(fù)合鍍層在各領(lǐng)域多作為防護(hù)性鍍層使用，通常要求具有高硬度、良好的耐磨性及耐蝕性，同時(shí)根據(jù)不同應(yīng)用的需要，還要求具有某些物理性能，如導(dǎo)電性能、耐高溫性能等［6-8］。影響復(fù)合鍍層性能的因素有很多，包括基質(zhì)金屬的性能、晶粒尺寸，不溶性固體顆粒的性能、粒徑及其在鍍層中的分布，等等［9-10］。如此之多的影響因素在一定程度上為復(fù)合鍍層性能的改善提供了空間，但不同因素間會(huì)產(chǎn)生交叉影響，加大了復(fù)合鍍機(jī)理分析的難度。

耐磨性是復(fù)合鍍層的基本性能之一，在實(shí)際工況下，耐磨性差的復(fù)合鍍層不僅會(huì)導(dǎo)致大量機(jī)械能消耗，而且會(huì)使機(jī)械零件失效，這樣既浪費(fèi)了資源，又存在較大的使用風(fēng)險(xiǎn)。近年來(lái)，有關(guān)提高零部件耐磨性能的研究已不斷深入并取得了突破性進(jìn)展。本文在前人及本課題組研究的基礎(chǔ)上，對(duì)影響復(fù)合鍍層耐磨性的結(jié)構(gòu)性因素進(jìn)行探討和總結(jié)，主要從基質(zhì)金屬和硬質(zhì)顆粒兩個(gè)方面探討各因素的影響規(guī)律和機(jī)理，希望可以為后續(xù)研究提供理論指導(dǎo)和幫助。

1　基質(zhì)金屬對(duì)復(fù)合鍍層耐磨性的影響

1. 1 基質(zhì)金屬性質(zhì)

雖然鍍層中硬質(zhì)顆粒的添加能使鍍層性能得到大幅提升，但作為復(fù)合鍍層主體的基質(zhì)金屬也發(fā)揮著不可忽視的作用，因而在根據(jù)實(shí)際需要確定復(fù)合鍍層中硬質(zhì)顆粒種類(lèi)的同時(shí)，還需對(duì)基質(zhì)金屬進(jìn)行篩選，這樣才能更好地結(jié)合金屬與硬質(zhì)顆粒的優(yōu)異性能，制備出滿足實(shí)際需求的高性能復(fù)合鍍層［11］。制備具有較高耐磨性的復(fù)合鍍層應(yīng)選擇具有較好的耐蝕、減摩等特性且硬度較高的金屬或合金作為基質(zhì)金屬材料，此類(lèi)基質(zhì)材料可降低復(fù)合鍍層發(fā)生粘著磨損、疲勞磨損的可能性［12］，例如Ni、Cr等單金屬以及Ni-Co、Ni-Ti等合金［13-15］。但在復(fù)合鍍層制備及使用過(guò)程中還需考慮材料的環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性，這也限制了某些材料的應(yīng)用。例如鉻雖然具有較好的機(jī)械性能，但多數(shù)都采用對(duì)環(huán)境有害的六價(jià)鉻電鍍，故而環(huán)境友好的代鉻鍍層研究顯得尤為重要［16］；Ti-Ni合金性能優(yōu)異，但過(guò)于昂貴，目前僅用于航空航天、國(guó)防等尖端領(lǐng)域，在工業(yè)領(lǐng)域中尚未得到廣泛應(yīng)用［14］。鎳具有較好的機(jī)械性能，并且價(jià)格低廉，因而常作為耐磨復(fù)合鍍層的基質(zhì)金屬［12］。而金屬鈷雖在常溫下的硬度較低，但具有良好的耐熱性能，在高溫環(huán)境下仍可保持一定的硬度，故可作為高溫工況下使用的復(fù)合鍍層的基質(zhì)金屬［17］。

目前，采用合金替代單一金屬制備耐磨鍍層已得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，如鎳鐵合金、鎳鎢合金等具有良好的耐磨性，向其中加入SiC、WC等硬質(zhì)顆?？傻玫侥湍バ阅芨觾?yōu)異的復(fù)合鍍層［18-19］。隨著對(duì)鍍層耐磨性要求的提高，基質(zhì)金屬的合金化也呈多樣化，主要有由兩種金屬組成的合金［20］、金屬與非金屬組成的合金［21］以及多種金屬和非金屬組成的合金［22］。但目前常用的耐磨復(fù)合鍍層仍以鎳基復(fù)合鍍層為主，故而本文主要對(duì)鎳基復(fù)合鍍層進(jìn)行分析。

1. 2 基質(zhì)金屬晶粒尺寸

鍍層晶粒的細(xì)化有利于提高復(fù)合鍍層的耐磨性。這是因?yàn)榛|(zhì)金屬晶粒越細(xì)小，復(fù)合鍍層越致密，產(chǎn)生缺陷的可能性越低。另外，細(xì)小的晶粒在與硬質(zhì)顆粒共沉積時(shí)，可以形成更有效的包覆，基質(zhì)金屬與硬質(zhì)顆粒間的空隙減小，復(fù)合鍍層內(nèi)部更加致密、牢固［23-24］。曹建明［25］在研究Ni-ZrO2復(fù)合鍍層的腐蝕摩擦學(xué)性能時(shí)發(fā)現(xiàn)，ZrO2的加入可細(xì)化基質(zhì)金屬晶粒，而晶粒的細(xì)化使復(fù)合鍍層在相同條件下的磨損量降低，有效地提高了復(fù)合鍍層的耐磨性。湯皎寧等［26］在研究Ni-SiO2復(fù)合鍍層腐蝕摩擦學(xué)性能時(shí)也得到了類(lèi)似結(jié)論。

大量研究［27-32］表明，脈沖電沉積所得單金屬鍍層的耐磨性明顯強(qiáng)于直流電沉積所得單金屬鍍層，這是因?yàn)樵陔姵练e過(guò)程中脈沖的張弛起到了增強(qiáng)陰極極化和降低陰極表面濃差極化的作用，使金屬離子在沉積過(guò)程中所需要的形核能降低，金屬的形核幾率增大，晶粒的長(zhǎng)大得到有效抑制，故鍍層結(jié)晶細(xì)致。脈沖電流在復(fù)合電沉積過(guò)程中也有上述作用。

2　硬質(zhì)顆粒對(duì)復(fù)合鍍層耐磨性的影響

2. 1 硬質(zhì)顆粒性質(zhì)

硬質(zhì)顆粒的性質(zhì)也會(huì)影響復(fù)合鍍層的耐磨性。一般情況下，制備耐磨復(fù)合鍍層所選用的硬質(zhì)顆粒為硬度高、耐磨性好的陶瓷顆粒，例如Al2O3［33-34］、SiC［35-36］、ZrO2［37］等。這些顆?？梢栽阱儗优c對(duì)磨件的摩擦過(guò)程中起到支撐承載的作用，減小摩擦表面上的粘著面積，還可以靠其自身優(yōu)異的耐磨性能減緩對(duì)磨件對(duì)復(fù)合鍍層的磨損。除此類(lèi)依靠自身優(yōu)異的性能抵抗外部磨損的顆粒外，還有一類(lèi)硬度較低、耐磨性較差的固體顆粒，例如石墨烯［38］、碳納米管［39］、MoS2［21，40］等。這類(lèi)顆粒不能抵抗對(duì)磨件的磨損，但可以依靠其獨(dú)特的自潤(rùn)滑性能，降低摩擦因數(shù)，從而減小摩擦力，最終延緩了鍍層的磨損。

2. 2 硬質(zhì)顆粒尺寸

硬質(zhì)顆粒尺寸對(duì)復(fù)合鍍層的耐磨性具有較大的影響［23-24］。在復(fù)合鍍層中，大尺寸固體顆粒在鍍層中的結(jié)合一般較粒徑小的固體顆粒差，而根據(jù)細(xì)晶強(qiáng)化理論，固體顆粒的粒徑越大，基質(zhì)金屬對(duì)它的包裹體積就越大，因而結(jié)晶較粗大，強(qiáng)化效果相對(duì)較差。雖然大尺寸顆粒的嵌入會(huì)使附近的金屬晶格產(chǎn)生嚴(yán)重畸變，增加復(fù)合鍍層的位錯(cuò)密度而起到位錯(cuò)強(qiáng)化的作用，但同時(shí)也會(huì)增大復(fù)合鍍層的表面粗糙度，凸出部位減少粘著磨損發(fā)生的同時(shí)也增加了硬質(zhì)相脫落磨損的可能性［41-44］。小尺寸固體顆粒復(fù)合所產(chǎn)生的位錯(cuò)強(qiáng)化較弱，卻可形成較有效的彌散強(qiáng)化效應(yīng)。然而并非顆粒越細(xì)小，對(duì)基體的強(qiáng)化就越好。因粒子（尤其是納米顆粒）太小易發(fā)生團(tuán)聚，在鍍層中的分散效果差，彌散強(qiáng)化效果也就大打折扣［45-48］。許偉等［20］研究了金剛石顆粒粒徑在6 ～ 150 μm范圍內(nèi)時(shí)，粒徑對(duì)Ni-Co/金剛石復(fù)合鍍層耐磨性能的影響。結(jié)果表明，隨著金剛石顆粒粒徑的增大，復(fù)合鍍層的磨損量逐漸降低，其磨損機(jī)制也由小尺寸（粒徑小于63 μm）時(shí)的微觀切削磨損和磨粒磨損轉(zhuǎn)變?yōu)榇蟪叽纾酱笥?25 μm）時(shí)的硬質(zhì)相脫落磨損，使復(fù)合鍍層在摩擦過(guò)程不易發(fā)生變形而耐磨性提高，粒徑為125 ～ 150 μm時(shí)，復(fù)合鍍層的耐磨性最好。林志平等［23］在研究粒徑在1 ～ 7 μm范圍內(nèi)的SiC對(duì)電沉積Ni-SiC復(fù)合鍍層耐磨性的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨SiC粒徑增大，復(fù)合鍍層的磨損量呈先升后降的變化趨勢(shì)，當(dāng)粒徑為2 μm時(shí)，復(fù)合鍍層的磨損量最低，耐磨性最好。吳俊升等［24］對(duì)比了微米級(jí)和納米級(jí)SiC顆粒所制備的Ni-SiC復(fù)合鍍層的耐磨性，得出了兩種尺寸顆粒復(fù)合鍍層的耐磨性基本相當(dāng)?shù)慕Y(jié)論。由此可知，硬質(zhì)顆粒尺寸對(duì)復(fù)合鍍層耐磨性的影響并不是單一的，會(huì)因鍍液體系或工藝不同而存在較大的差異，因此在實(shí)際研究中需要根據(jù)具體情況進(jìn)行系統(tǒng)的分析。

2. 3 硬質(zhì)顆粒復(fù)合量及分布

大量研究［48-52］表明，復(fù)合鍍層中硬質(zhì)顆粒的復(fù)合量越高，其耐磨性越好。分析原因?yàn)椋海?）高含量的顆?？梢酝ㄟ^(guò)細(xì)晶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化等作用來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)合鍍層的結(jié)構(gòu)強(qiáng)化；（2）在與對(duì)磨件相互摩擦的過(guò)程中，高含量的顆粒對(duì)鍍層起到更好的支撐作用，并且可在復(fù)合鍍層的磨損表面形成更多的硬質(zhì)耐磨點(diǎn)，抵抗對(duì)磨件的磨損，有效減少摩擦接觸面積；（3）硬質(zhì)顆粒在摩擦過(guò)程中還可起到抵抗塑性變形、阻礙磨料運(yùn)動(dòng)、終止磨痕擴(kuò)展等作用，從而提高了復(fù)合鍍層的抗粘著磨損和磨料磨損的能力，延緩鍍層的破壞速率。

在復(fù)合鍍層的制備過(guò)程中，除需考慮盡可能提高硬質(zhì)顆粒的復(fù)合量以外，還應(yīng)注重復(fù)合顆粒在鍍層中的分布狀況。若復(fù)合鍍層中的顆粒分布不均勻，則在摩擦過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)多種磨損機(jī)制并存的情況。在顆粒分布較少的鍍層表面易發(fā)生粘著磨損，在硬質(zhì)顆粒分布較多處，硬質(zhì)顆粒的支撐作用可以有效抵抗粘著磨損，但不可避免地會(huì)發(fā)生顆粒脫落磨損。另外，顆粒分布較少處鍍層的磨損消耗較快，大量基質(zhì)金屬脫落，顆粒分布較多處的基質(zhì)金屬也會(huì)隨之脫落，導(dǎo)致被包覆的硬質(zhì)顆粒松動(dòng)，在摩擦的作用下逐漸脫落［50］。在硬質(zhì)顆粒分布較為均勻的情況下，磨損主要先集中在表面第一層中，當(dāng)上一層被磨損掉后，磨損才會(huì)進(jìn)入下一層，即磨損會(huì)以薄層方式逐層推進(jìn)，有效減緩了鍍層的磨損速率。

3　其他結(jié)構(gòu)因素對(duì)復(fù)合鍍層耐磨性的影響

除上述關(guān)于基質(zhì)金屬和硬質(zhì)顆粒的幾個(gè)影響因素外，復(fù)合鍍層的厚度以及鍍層與基體的結(jié)合強(qiáng)度也會(huì)對(duì)復(fù)合鍍層的耐磨性產(chǎn)生重要影響，復(fù)合鍍層太薄則不能對(duì)基體起到很好的保護(hù)作用，在對(duì)磨過(guò)程中易被磨透。有研究［53］發(fā)現(xiàn)，隨著鍍層厚度的增大，鍍層結(jié)構(gòu)改變，鍍層內(nèi)應(yīng)力增大，導(dǎo)致鍍層與基體間的結(jié)合變差而發(fā)生起皮甚至脫落，不僅不利于提高鍍層耐磨性，而且造成能源和資源的消耗。因此在耐磨復(fù)合鍍層制備過(guò)程中，還應(yīng)合理控制鍍層厚度。

此外，有研究人員突破傳統(tǒng)單一顆粒復(fù)合的模式，制備了含有2種或2種以上顆粒的復(fù)合鍍層，并取得了較好的成果。王蘭等［40］通過(guò)化學(xué)鍍制備了 Ni-P-SiC-MoS2復(fù)合鍍層，發(fā)現(xiàn)該復(fù)合鍍層的硬度高于 Ni-P-MoS2復(fù)合鍍層而低于Ni-P-SiC復(fù)合鍍層，但其耐磨減摩性能卻優(yōu)于Ni-P-SiC和Ni-P-MoS2復(fù)合鍍層。

4　結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，復(fù)合電沉積技術(shù)不斷發(fā)展，脈沖電源、超聲波技術(shù)相繼被應(yīng)用到電沉積領(lǐng)域，這為制備耐磨性能更為優(yōu)異的復(fù)合鍍層提供了技術(shù)保障。但這兩種技術(shù)對(duì)復(fù)合鍍層也有一定的副作用，因此需要對(duì)其影響進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究，趨利避害，充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，在后續(xù)研究耐磨復(fù)合鍍層的過(guò)程中，不僅要探索更好的制備方法，而且應(yīng)對(duì)復(fù)合鍍層結(jié)構(gòu)進(jìn)行更加深入的審視和分析，包括共沉積多種硬質(zhì)顆粒以及設(shè)計(jì)、利用更加復(fù)雜、性能更為優(yōu)異的金屬合金作為基質(zhì)金屬。

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［ 編輯：周新莉 ］

Structural factors affecting wear resistance of composite coati ng

WANG Meng， TAN Jun*， LAN Long， WU Di

To provide a reference for the improvement of composite coating， the influencing law and mechanism of structural factors affecting the wear resistance of composite coating， such as property and grain size of matrix metal， property and size of hard particles and their content and distribution in coating and so on， were analyzed with the nickel-based composite coating as a main example.

composite coating； matrix metal； hard particle； wear resistance； review

TB33

A

1004 -227X （2016） 11 - 0593 - 04

2016-03-25

2016-05-03

裝備預(yù)研基金項(xiàng)目（9140C850202100C85）。

王猛（1992-），男，天津武清人，在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)榻饘匐姵练e。

譚俊，教授，博士生導(dǎo)師，（E-mail） tanjuncn@sina.com。