1 引言
化學(xué)復(fù)合鍍是在Ni-P或Ni-B化學(xué)鍍槽液中添加不溶性的固體微粒形成共沉積的表面處理工藝。將不溶性固體微粒復(fù)合到化學(xué)鍍層中，實際形成了表面復(fù)合材料，從而使復(fù)合鍍層性能得以顯著改變。早期的復(fù)合鍍層主要是加入一些微米量級的金剛石、SiC、Al2O3、MoS2石墨等微粒，形成兩種復(fù)合鍍層：一種是添加硬粒子的抗磨復(fù)合鍍層，另一種是添加晶格易切變滑移的軟粒子構(gòu)成的減磨復(fù)合鍍層。總而言之，復(fù)合鍍的主要目的是為了提高材料表面的磨擦磨損性能。近年來復(fù)合鍍的應(yīng)用有所拓寬，逐漸在向功能應(yīng)用方向發(fā)展。納米材料科學(xué)的發(fā)展，給表面復(fù)合鍍層技術(shù)帶來了新的契機(jī)。將納米量級的不溶微粒取代微米顆粒形成納米復(fù)合鍍層，從而使化學(xué)鍍層復(fù)合了納米材料的特異功能。本文的工作是嘗試進(jìn)行納米復(fù)合鍍，探索復(fù)合鍍過程中納米顆粒的分散方法及對鍍層性能的影響規(guī)律，為納米復(fù)合鍍的研究與應(yīng)用提供實驗基礎(chǔ)。
2 試驗
Ni－P－TiO2納米粒子化學(xué)復(fù)合鍍槽液配方和鍍覆工藝見表1。
TiO2粒子預(yù)處理 分散↗ ↖攪拌
化學(xué)鍍試樣為
在納米粒子復(fù)合鍍中，顆粒分散是至關(guān)重要的。為保證TiO2粒子的充分分散，首先對TiO2粒子進(jìn)行預(yù)處理，以減少表面能從而降低團(tuán)聚力。預(yù)處理后再將TiO2粒子進(jìn)行分散。分散方案為：空氣攪拌、超聲分散、超聲分散加工表面活性劑的復(fù)合分散和無分散處理。最后在工件施鍍前將TiO2粒子懸濁液倒入鍍槽中稀釋均勻。鍍覆過程中進(jìn)行空氣攪拌。粒子TiO2的加入量從
試樣鍍覆后的組織分別用H-800型透射電鏡和X－650型掃描電鏡進(jìn)行觀察分析。鍍層中的TiO2粒子復(fù)合量用電解萃取法求得。鍍層采用保護(hù)氣氛熱處理以減少表面氧化對鍍層性能的影響。熱處理溫度從200～600，每個溫度的保溫時間為1h，空冷后測定硬度值(HV100)。抗氧化性試驗在普通的箱式爐中加熱，以增重法測取鍍層的抗氧化性能。
3 結(jié)果與分析討論
納米顆粒的化學(xué)共沉積難度較微米粒子復(fù)合、鍍大的多。關(guān)鍵問題是分散技術(shù)。當(dāng)納米顆粒尺寸達(dá)到20nm時，它的比表面積太大，自發(fā)減少表面積的傾向使其易于團(tuán)聚。因而要想獲得分散均勻的納米顆粒復(fù)合鍍層，預(yù)處理十分重要，鍍覆過程中的攪拌也必不可少。本文采取一系列的分散方法處理后，獲得了納米顆粒均勻分散較好的鍍層（見圖1）。盡管還存在一些聚集的納米團(tuán)，但大多數(shù)納米顆粒能均勻分布。
在鍍覆過程中，納米顆粒的加入量（g/l）是有限的。試驗結(jié)果表明，溶液中納米顆粒的數(shù)量達(dá)到一定值時，槽液的穩(wěn)定性惡化，鍍液發(fā)生重點自發(fā)分解。也就是說在復(fù)合鍍槽液中納米顆粒的濃度存在一個上限。但是這一上限數(shù)值將因顆粒分散工藝不同而異（見圖2）。
從圖2可見沒有進(jìn)行任何分散處理的顆粒，其槽液中的顆粒加入量最大。超聲分散和復(fù)合分散處理的顆粒，其在槽液中的添加量最小。槽液自發(fā)分解的根本原因是粒子表面能升高而引發(fā)的。當(dāng)粒子在槽液中充分均勻分散時，其比表面積增大，能量升高，槽液就不穩(wěn)定而易于分解。由圖2的結(jié)果可知，槽液中可加入納米顆粒數(shù)量的多少也顯示槽液中顆粒分散情況。另一方面，如果對納米顆粒進(jìn)行表面修飾，降低表面能，則在同樣分散程度的情況下，槽液將允許加入更多的粒子數(shù)量。
復(fù)合鍍層的鍍態(tài)硬度及熱處理以后的硬度變化見圖3。與微米顆粒復(fù)合鍍層比較，納米顆粒復(fù)合鍍層的硬度高得多。首先，納米顆粒復(fù)合鍍鍍態(tài)硬度高達(dá)800多HV；而通常的Ni-P合金及其復(fù)合鍍層鍍態(tài)硬度在400～600HV。這既說明鍍層中復(fù)合了TiO2納米顆粒后，極大地增強了鍍層抗局部變形的能力；也說明在納米顆粒復(fù)合鍍層中，硬度已不再是簡單的粒子硬度與Ni-P合金基體硬度的算術(shù)平均，而是TiO2顆粒強化了合金基體。
鍍態(tài)鍍層經(jīng)受熱處理時Ni-P合金基體將析出Ni3P化合物相，同時隨著溫度升高，一方面Ni(P)固溶體產(chǎn)生晶粒長大，另一方面化合物析出相不斷增多，聚集長大。此時鍍層的硬度受兩個因素控制：熱處理初期Ni3P的析出和增多導(dǎo)致鍍層硬度提高；隨溫度的繼續(xù)上升，Ni(P)固溶體和Ni3P相的長大導(dǎo)致鍍層硬度下降。這樣鍍層硬度熱處理溫度變化的規(guī)律就出現(xiàn)了如圖3所示的峰值。Ni-P合金及其微米顆粒復(fù)合鍍層熱處理導(dǎo)致的硬度峰值一般都出現(xiàn)在溫度400左右。但是圖3顯示的納米顆粒復(fù)合鍍層的硬度峰值卻出現(xiàn)在溫度500左右。很顯然這是納米顆粒的作用，推遲了晶粒長大的進(jìn)程。這一作用的效果是非常顯著的。化合物從Ni-P合金中析出時，顆粒也是非常小，大約幾個mm。無復(fù)合粒子的鍍層中，當(dāng)溫度升高時，它們聚集長大，達(dá)到約40nm鍍層出現(xiàn)硬化峰值。當(dāng)鍍層中復(fù)合了大量彌散細(xì)小（約20nm）的TiO2粒子時，Ni3P相的聚集和長大就要受到嚴(yán)重阻礙，從而鍍層的硬度峰值就必然現(xiàn)出在更高的溫度。
鍍層的硬度峰值溫度的提高，尤其是達(dá)100之多，對于鍍層的工程應(yīng)用來說意義非常巨大。這意味著我們可以在獲得相同硬度的條件下，納米顆粒復(fù)合鍍層可以使用更高溫度回米來增強鍍層結(jié)合力，增加鍍層韌性；當(dāng)鍍層用作摩擦付時，納米顆粒復(fù)合鍍層可以承受更大的摩擦，更高的摩擦溫度。
納米顆粒復(fù)合鍍層高溫處理不僅可以獲得高硬度，而且在高溫下還具有良好的耐氧化性（圖4）。將納米復(fù)合鍍層置于箱式爐中加熱，很快形成一層耐蝕性銹皮。分散于表面的TiO2粒子不僅減少了氧化面積，而且還象釘子一樣釘扎住銹皮，從而使復(fù)合鍍層表現(xiàn)出良好的高溫耐氧化性能。
4 結(jié)論
（1）化學(xué)鍍Ni-P-TiO2納米顆粒復(fù)合鍍工藝中采用超聲分散加表面活性劑分散可以使TiO2粒子獲得更均勻的分散。
（2）由此獲得的化學(xué)鍍Ni-P-TiO2納米顆粒復(fù)合鍍層比單純的Ni-P合金鍍層高得多的硬度和高溫抗氧化能力。
（3）熱處理后Ni-P合金鍍層的硬度峰值出現(xiàn)在400，而Ni-P-TiO2納米顆粒復(fù)合鍍層的硬度峰值出現(xiàn)在500，這顯示了Ni-P-TiO2納米顆粒復(fù)合鍍層將具有更好的高溫性能。
