【簡介】

工業(yè)上應(yīng)用的材料經(jīng)常是根據(jù)對強(qiáng)度的要求來選用的,但其表面性能,例如耐磨損性、抗腐蝕性、耐擦傷性、導(dǎo)電性不一定能滿足要求。因此,需要選擇不同的鍍層以滿足表面性能的要求。鍍層的制備可通過機(jī)械鍍、摩擦電噴鍍、流鍍、激光鍍、浸鍍、電泳涂裝、復(fù)合電鍍等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。近年來,高速發(fā)展起來的復(fù)合鍍層以其獨(dú)特的物理、化學(xué)、機(jī)械性能成為復(fù)合材料的新秀,得到廣泛的關(guān)注,并已經(jīng)被公認(rèn)為一種生產(chǎn)技術(shù)。復(fù)合鍍層是通過金屬電沉積或共沉積的方法,將一種或數(shù)種不溶性的固體顆粒、纖維均勻地夾雜到金屬鍍層中所形成的特殊鍍層。以超硬材料作為分散微粒,與金屬形成的復(fù)合鍍層稱為超硬材料復(fù)合鍍層。文中介紹的金剛石復(fù)合鍍層就屬于這一類。金剛石復(fù)合鍍層的制備方法主要有化學(xué)復(fù)合鍍和復(fù)合電沉積法。

金剛石顆粒與金屬離子共沉積機(jī)理

在復(fù)合鍍液中加入的金剛石顆粒具有很強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性,施鍍過程中它不參與任何化學(xué)反應(yīng),只是與化學(xué)(電化學(xué))反應(yīng)產(chǎn)生的金屬離子共同沉積在基體的表面上。故化學(xué)鍍和電沉積復(fù)合鍍層都可用相同的機(jī)理來解釋。在研究復(fù)合電鍍共沉積過程中,人們曾提出3種共沉積機(jī)理,即機(jī)械共沉積、電泳共沉積和吸附共沉積。目前較為公認(rèn)的是由Ｎ.Ｇｕｇｌｉｅｌｍｉ在1972年提出的兩段吸附理論。Ｇｕｇｌｉｅｍｉ提出的模型認(rèn)為,鍍液中的微粒表面為離子所包圍,到達(dá)陰極表面后,首先松散地吸附(弱吸附)于陰極表面,這是物理吸附,是可逆過程。其次,隨著電極反應(yīng)的進(jìn)行,一部分弱吸附于微粒表面的離子被還原,微粒與陰極發(fā)生強(qiáng)吸附,此為不可逆過程,微粒逐步進(jìn)入陰極表面,繼而被沉積的金屬所埋入。

該模型對弱吸附步驟的數(shù)學(xué)處理采用Ｌａｎｇｍｕｉｒ吸附等溫式的形式。對強(qiáng)吸附步驟,則認(rèn)為微粒的強(qiáng)吸附速率與弱吸附的覆蓋度和電極與溶液界面的電場有關(guān)。王森林等研究耐磨性鎳金剛石復(fù)合鍍層的共沉積過程,結(jié)果表面:鎳金剛石共沉積機(jī)理符合Ｇｕｇｌｉｅｌｍｉ的兩步吸附模型,其速度控制步驟為強(qiáng)吸附步驟。到目前為止,復(fù)合電沉積和其它新技術(shù)、新工藝一樣,實(shí)踐遠(yuǎn)遠(yuǎn)地走在理論的前面,其機(jī)理的研究正在不斷的發(fā)展之中。

金剛石復(fù)合鍍層的制備及應(yīng)用

2.1化學(xué)復(fù)合鍍金剛石

化學(xué)鍍是不外加電流,在金屬表面的催化作用下經(jīng)控制化學(xué)還原法進(jìn)行的金屬沉積過程。在鍍液中加入不溶性微粒,使之與金屬共沉積,即可得到復(fù)合鍍層?；瘜W(xué)復(fù)合鍍不需電源和輔助陽極,不受基體材料形狀的影響,可在材料的各部位均勻沉積,鍍層致密硬度高,以及自潤滑性、耐熱性、耐腐蝕性和特殊的裝飾性。在航空、機(jī)械、化工、冶金及核工業(yè)等方面有廣泛的應(yīng)用。復(fù)合化學(xué)鍍鎳鍍層的性質(zhì)隨著選用微粒種類不同而異。金剛石有多種類型,大致可分為兩類:單晶和多晶。制備復(fù)合材料所選用的金剛石類型取決于復(fù)合材料的最終用途。單晶金剛石適用于研磨和磨削,因其表面特征是具有尖銳的邊角。

金剛石銼和砂輪等是用復(fù)合鍍層作為功能面,易采用天然單晶金剛石。耐磨的復(fù)合材料不能含有單晶金剛石,因其粗糙的表面易磨損配對面,一般采用爆炸法人造多晶金剛石?；瘜W(xué)鍍鎳-多晶金剛石復(fù)合材料具有良好的表面防護(hù)和抗擦傷性能。薄層的化學(xué)鍍鎳-金剛石作為中間層可以提高鎳鉻電鍍沉積物的抗腐性,是最早鍍制的化學(xué)鍍復(fù)合材料之一,現(xiàn)在此種鍍層則主要用于抗磨。

國內(nèi)有不少學(xué)者都研究過化學(xué)鍍金剛石復(fù)合鍍層。吳玉程等[7]研究表明在鎳磷合金沉積溶液中加入金剛石顆粒(平均尺寸14μｍ),可以明顯的強(qiáng)化鍍層,提高耐磨性能。王正等[8]研究表明金剛石復(fù)合鍍層除了硬度高,耐磨性好之外,還具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性和耐腐性,因此可以大幅度提高鑄塑模具和冷加工模具的使用壽命。張信義等研究表明熱處理工藝對ＮｉＰ金剛石(<1μｍ)化學(xué)復(fù)合鍍層結(jié)構(gòu)及性能的影響,研究表明復(fù)合鍍層在鍍態(tài)具有非晶態(tài)特征,鍍層在300℃開始晶化,在200℃～400℃鍍層有良好的耐磨性能。