鍍層內(nèi)應(yīng)力簡介

金屬電沉積得到的鍍層內(nèi)部通常處于應(yīng)力狀態(tài)之中，這種應(yīng)力是沒有外力和溫度場存在下出現(xiàn)在沉積層內(nèi)部的應(yīng)變來，稱為內(nèi)應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力分為張應(yīng)力和壓應(yīng)力，前者通常為正值，后者通常為負值。2100433B

納米固體顆粒的加入能顯著提高復(fù)合鍍層的性能,因此納米材料在復(fù)合鍍層中的研究應(yīng)用具有很好的發(fā)展前景。但受復(fù)合鍍層發(fā)展本身的局限,以及受現(xiàn)階段對納米材料的認識限制,納米復(fù)合鍍層的研究與應(yīng)用剛剛起步。特別是納米復(fù)合鍍層顆粒與金屬離子的共沉積機理,納米顆粒在鍍液中及鍍層中的均勻分散等關(guān)鍵問題仍未得到圓滿的解決,在鍍層中的行為與作用機制研究基本上是一片空白。這些工作的欠缺使人們對鍍層性能的控制受到限制,因而不能很好地滿足對鍍層性能的需要。因此有關(guān)納米復(fù)合鍍層的工作尚待進一步研究,納米復(fù)合鍍層的研究應(yīng)用可以說是充滿了機遇與挑戰(zhàn) 。

納米量級的顆粒在理論上可大幅提高鍍層中的化合物復(fù)合量,而且納米顆粒的引入,會給鍍層帶來優(yōu)異的功能特性。開發(fā)較多的有鎳基、鋅基、銅基和銀基等鍍層。按用途可分為裝飾防護性鍍層、耐磨減摩鍍層、耐高溫鍍層等。

鍍層裝飾防護性復(fù)合鍍層

在電鍍微孔鉻鍍層時,以含納米SiO₂、BaSO₄、高嶺土等的鎳基鍍層打底,并用鎳封閉。因為在表面鍍鉻時不導(dǎo)電的顆粒就形成了鉻鍍層的微孔,具有獨特的耗散腐蝕電流特性,極大地提高了其耐蝕性。近年來,飛速發(fā)展的緞面鎳就是分別含有高嶺土、玻璃粉、滑石粉或BaSO₄ 、Al₂O₃ 等的鎳基復(fù)合鍍層,其結(jié)晶細致、孔隙少、內(nèi)應(yīng)力低、耐蝕性好,外觀柔和舒適,如果用相應(yīng)的納米粉其性能效果更好;用納米TiO₂、SiO₂等制得的復(fù)合鍍層比普通鋅鍍層的耐蝕性提高2～5倍,外觀也得到穩(wěn)定和改善。

鍍層耐磨減摩復(fù)合鍍層

此類復(fù)合鍍層就是在基體中加入硬度較高的如SiC、Al₂O₃、納米金剛石(DNP) 等硬質(zhì)納米顆粒,當(dāng)彌散分布在基體中時能有效地細化基質(zhì)金屬來提高基質(zhì)金屬的硬度。因此在制備復(fù)合鍍層時受到極大的關(guān)注。采用靜壓法所得的金剛石顆粒較粗,且具有尖銳棱角,應(yīng)用受到限制。納米金剛石因其特異的性質(zhì)和在鍍液中的特有行為,在復(fù)合鍍層中的應(yīng)用日益廣泛。如化學(xué)鍍Ni₂P鍍層的磁盤基板表面若采用含DNP的復(fù)合鍍后,可減摩50%。用來生產(chǎn)磁頭和磁性記憶儲存器磁膜的Co2P化學(xué)鍍液中添加DNP形成復(fù)合鍍層,其耐磨性提高2～3倍。用于模具鍍鉻的DNP復(fù)合鍍層,壽命提高,精密度持久不變,長時間使用鍍層光滑無裂紋。用于鉆頭鍍鉻的DNP復(fù)合鍍層,使鉆頭壽命成倍提高。汽車、摩托車汽缸體(套)的Ni金剛石納米復(fù)合鍍層,可使汽缸體壽命提高數(shù)倍。

用電鍍特別是電刷鍍法可以比較容易地在大尺寸部件上制成含納米粉的復(fù)合鍍層。國內(nèi)有人用電鍍與電刷鍍的方法制成了含納米金剛石粉的復(fù)合鍍鎳層,與不含金剛石粉的普通鍍鎳層相比,其硬度增加一倍以上,耐磨性能的提高更為明顯。俄羅斯已制成含納米粉復(fù)合鍍層的工具,并已投入小批量生產(chǎn),其硬度和耐磨性均有比較明顯的提高。碳納米管由于其優(yōu)異的力學(xué)性能也在復(fù)合鍍層中得到應(yīng)用。

金屬表面制得了含碳納米管的鎳磷復(fù)合鍍層。該復(fù)合鍍層具有高耐磨性、低摩擦系數(shù)、高熱穩(wěn)定性、自潤滑等優(yōu)異的綜合性能。其耐磨性比無鍍層的高1000倍,比Ni₂P/SiC 復(fù)合鍍層高10倍以上,并可廣泛應(yīng)用于航空航天、機械、化工、冶金、汽車等各種行業(yè)。

將納米陶瓷顆粒等加入鍍層中,能顯著提高鍍層的機械性能。在快鎳鍍液中加入納米SiC 和Al₂O₃ ,能大幅度提高鍍層的耐磨性和硬度,納米顆粒主要分布在鍍層缺陷處和鍍層鎳晶粒處。

MoS₂、PTFE等納米顆粒由于其較低的硬度和良好的潤滑性能而被用于減摩復(fù)合鍍層中。對含金剛石(27%～30%) 、石墨和少量無定型碳的納米量級的黑粉制得的鎳基復(fù)合鍍層的檢測結(jié)果表明,復(fù)合鍍層呈非晶化趨向,其硬度和耐磨性能明顯改善,而且還具有較好的自潤滑性。將100nm左右的PTFE顆粒加入到化學(xué)鍍液中,獲得了均勻的PTFE復(fù)合鍍層,且該鍍層具有優(yōu)異的摩擦學(xué)性能,其摩擦因數(shù)比Ni₂P鍍層低很多;同時增強了鍍層的抗粘著磨損能力。

鍍層耐高溫復(fù)合鍍層

納米陶瓷顆粒的耐高溫特性和抗高溫氧化性能也受到人們的重視,將納米陶瓷顆粒應(yīng)用在耐高溫復(fù)合鍍層中能有效地提高鍍層的抗高溫性能。與微米粉相比,納米粉的加入可顯著改善鍍層的微觀組織,提高鍍層的耐高溫性能。ZrO₂具有良好的功能特性,在復(fù)合材料中得到廣泛應(yīng)用。將納米ZrO₂顆粒與化學(xué)鍍Ni₂P非晶合金共沉積,再經(jīng)適當(dāng)?shù)臒崽幚硎筃i₂P非晶化成納米顆?？色@得納米Ni₂P/ZrO₂功能涂層。納米Ni₂P/ZrO₂功能涂層由于納米ZrO₂ 顆粒的存在,復(fù)合鍍層的納米尺寸更加穩(wěn)定,因而復(fù)合鍍層具有更高的高溫硬度和耐高溫性能。研究表明,Ni₂W₂B非晶態(tài)復(fù)合鍍層中納米ZrO₂的作用是提高鍍層在550～850℃的抗高溫氧化性能,可使鍍層耐磨性提高2～3倍,同時鍍層的耐磨性和硬度也明顯提高。航空航天和燃氣輪機的某些部件工作溫度在850℃以上,而鍍Ni、Ni₂P和Cr層只能在低于400℃以下工作,鈷基復(fù)合鍍層,如Co₂Cr₃C₂、Co₂ZrB₂和Co₂SiC的出現(xiàn),大大提高了高溫耐磨性能,但采用鈷基納米金剛石復(fù)合鍍納米復(fù)合鍍層的研究現(xiàn)狀層更具有明顯優(yōu)勢。如用于發(fā)動機級間的密封圈、摩托車鋁合金缸體的復(fù)合鍍層,由于能承受500℃以上的高溫,有更長的使用壽命;若在鍍層中采用短桿納米金剛石微晶,由于同鍍層的結(jié)合面積大,摩擦?xí)r不易剝落,效果更好。

由于添加物的加入對復(fù)合鍍層的性能有較大的影響,因此有些研究者也探討了包括稀土在內(nèi)的添加物的作用。稀土氧化物L(fēng)a₂O₃ 納米粒子加入,使鎳基復(fù)合鍍層的晶粒明顯細化,抗高溫氧化能力得到明顯提高。

鍍層電子復(fù)合鍍層

隨著信息產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展,復(fù)合鍍層在電子工業(yè)中使用可以節(jié)約大量的貴金屬材料并可以獲得優(yōu)異的性能,因此也得到廣泛應(yīng)用。如常用的電接觸材料復(fù)合鍍層有:Au₂Ni/ Al₂O₃ ,Au₂Co/Al₂O₃ ,Au/ Al₂O₃ , Au/ ZrB₂ , Ag/ ZrB₂ , Ag/ 石墨, Ag/ Ce (OH)₃ , Ag/La₂O₃ 等。但如采用納米金剛石與銀共沉積,形成復(fù)合鍍層,能在保持其良好的導(dǎo)電性能的同時,大大增強鍍層的耐磨性和導(dǎo)熱性能。金剛石的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能比金、銀高得多,且具有強化耐磨作用,納米金剛石作為鍍層的重要組分,可使電接觸材料的壽命提高2 倍以上 。