徐思默，李聰*

（上海工程技術大學汽車學院，上海 201620）

巴氏合金是最廣為人知的軸承材料，具有良好的可加工性和精美的外觀，在各種工業(yè)領域中用途廣泛[1]，常被應用在大型機械(如水泥機械、鋼鐵機械、選礦設備)主軸的軸瓦、軸承、軸襯和軸套上[2-3]，但由于硬度和熔點較低，因此具有易被高溫軟化，低速重載下的潤滑易失效，高速變載時易變形等缺點[4-5]。為了解決這些問題，使用較多的方法是在鑄造過程中加入耐磨粒子，以提高其耐磨性能，但材料的相容性會降低[4,6]。復合電沉積技術是利用不溶性微粒與金屬離子共沉積來獲得復合鍍層的方法，能在保持原金屬鍍層性能的前提下，借助第二相微粒來強化鍍層[7]。利用復合電沉積技術在巴氏合金表面進行強化的研究還鮮見報道。

電鍍鎳層在空氣中的穩(wěn)定性很高，生產設備簡單，操作方便，但鎳層中或多或少存在孔隙，容易起皮脫落。石墨烯在力學、電學、自潤滑等方面均有優(yōu)異的性能，是復合鍍的理想增強相。Kumar等[8]在低碳鋼表面電沉積制得耐蝕性和硬度均比純鎳鍍層更優(yōu)異的鎳?石墨烯復合鍍層。Kuang等[9]通過電沉積在銅箔表面制得的鎳?石墨烯復合鍍層的導熱系數(shù)則比純鎳鍍層高約15%。

本文在電鍍鎳溶液中添加不同質量分數(shù)的石墨烯，在巴氏合金表面電沉積制得鎳?石墨烯復合鍍層，研究了鍍液中石墨烯添加量對復合鍍層微觀結構和耐磨性的影響，為巴氏合金的表面強化提供思路。

1 實驗

1.1 石墨烯的特征

石墨烯由南京先豐納米材料科技有限公司提供，純度大于98%，片層厚度為5～10μm，層數(shù)為3～6 層，比表面積 100～500m2/g，電導率為 105S/m 量級。

1.2 錫基巴氏合金基體的預處理

基體為 100mm×10mm×1mm 的 ZSnSb8Cu4 錫基巴氏合金，其組成為：Cu3.5%，Sb4.5%，Pb0.35%，Sn余量。電鍍前先用220～2500目的砂紙逐級打磨，隨后依次在丙酮、無水乙醇與去離子水中超聲清洗15min，再烘干備用。

1.3 鎳?石墨烯復合電鍍

基礎鍍液組成為：NiSO4·6H2O240g/L，NiCl2·6H2O45g/L，H3BO330g/L，Na2SO420g/L。將石墨烯加入基礎鍍液中，在室溫下使用寧波新芝生物科技公司生產的SB-101DTY超聲清洗機超聲分散20min，加入0.1g/L十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)后再超聲分散30min，即得復合電鍍液。

1.4 性能表征

采用日立 S-4800型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察鍍層的表面形貌。采用日本理學的 D/max-2550VB+/PC型X射線衍射儀(XRD)分析鍍層的物相，范圍為10°～80°，按式(1)計算鍍層的晶粒尺寸d。

式中，K為常數(shù)(取0.89)，β為衍射峰半高寬，θ為衍射角，λ為入射X射線波長(0.154060nm)。

采用上海泰明光學儀器有限公司的HXD-1000TM型數(shù)字式顯微硬度計測量鎳–石墨烯復合鍍層的顯微硬度，載荷0.98N，加載時間10s，每個樣品取4個測量點的平均值。

采用蘭州中科凱華科技有限公司的HSR-2M高速往復摩擦磨損試驗儀進行常溫摩擦磨損試驗，載荷100g，往復距離5mm，電機轉速450r/min，時間30min。上摩擦副是直徑6mm的GCr15鋼球，試驗前后樣品均在丙酮溶液中超聲波清洗5min。采用梅特勒?托利多的XS205型精密電子天平(精度0.01mg)測量摩擦磨損試驗前后樣品的質量，按式(2)計算磨損率ws(單位：g/m)。為保證試驗數(shù)據(jù)的可靠性與準確性，每種鍍層均進行5次平行試驗。

式中，m0、m分別是摩擦磨損試驗前后樣品的質量(單位：g)，l是滑動距離(單位：m)。

2 結果與討論

2.1 鍍液中石墨烯添加量對鎳?石墨烯復合鍍層微觀結構的影響

從圖1可以看出，鍍液中不含石墨烯時，所得純Ni鍍層表面凹凸不平。鍍液中加入100mg/L石墨烯后，鍍層的均勻性和致密度提高。隨鍍液中石墨烯添加量的增大，鍍層表面存在一些大小不一且散亂堆疊的凸狀結構。當鍍液中石墨烯添加量為500mg/L時，鍍層表面的凸狀結構最多。對圖1f中凸起區(qū)域(標記為A)進行EDS分析(見圖2)發(fā)現(xiàn)，C峰非常強，表明石墨烯與鎳層成功實現(xiàn)了共沉積。

從圖3可以看出，所有鍍層均在2θ=45°附近有一個饅頭狀的衍射峰，這是非晶態(tài)結構的典型特征之一。在2θ為44.46°、51.74°和76.42°附近也有特征峰，分別對應Ni的(111)、(200)和(220)晶面?？梢婂円褐屑尤胧┎粫淖冨儗拥南嘟Y構。另外，在圖3中并未觀察到石墨烯的特征衍射峰。這可能是鍍層中的石墨烯含量較低所致。

從圖3還可以看出，隨著鍍液中石墨烯添加量的增大，Ni的(200)晶面的衍射峰強度不斷下降，其半寬高也不斷增大。根據(jù)拜德?謝勒公式計算得到可知，鍍層晶粒尺寸在減小(見表1)。這說明復合鍍層的晶粒尺寸均比純鎳鍍層小，石墨烯的加入起到細化晶粒的作用[8]。

圖1 鍍液中石墨烯添加量不同時制備的鎳?石墨烯復合鍍層的表面形貌Figure 1 Surface morphologies of nickel–graphene composite coatings prepared with different dosages of graphene in electrolyte

圖3 鍍液中石墨烯添加量不同時制備的鎳?石墨烯復合鍍層的XRD譜圖Figure 3 XRD patterns of nickel–graphene composite coatings prepared with different dosages of graphene in electrolyte

表1 鍍液中石墨烯添加量不同時制備的鎳?石墨烯復合鍍層的晶粒直徑Table 1 Grain diameters of nickel–graphene composite coatings prepared with different dosages of graphene in electrolyte

2.2 鍍液中石墨烯添加量對鎳?石墨烯復合鍍層顯微硬度的影響

從圖 4可以看出，純鎳鍍層和 Ni–石墨烯復合鍍層的顯微硬度均比錫基巴氏合金基體的顯微硬度(108.45HV)高，復合鍍層的顯微硬度比純鎳鍍層高。隨著鍍液中石墨烯添加量的增大，復合鍍層的顯微硬度變化不大，但相對而言，石墨烯添加量為300mg/L時Ni–石墨烯復合鍍層的顯微硬度最大(333.95HV)。由此可見，加入一定量的石墨烯能夠提高鍍層的顯微硬度。

2.3 鍍液中石墨烯添加量對鎳?石墨烯復合鍍層耐磨性的影響

從圖5a可知：在試驗初期，所有試樣的摩擦因數(shù)均有一定程度的增大，最終趨于穩(wěn)定。這可能是因為初始時試樣的表面粗糙度較大，尤其是 Ni–石墨烯復合鍍層因表面存在團聚的石墨烯顆粒，在一定程度上加大了鍍層的表面粗糙度。但復合鍍層在磨損過程中更快進入穩(wěn)定磨損狀態(tài)，這是由于石墨烯的存在改善了鍍層的潤滑性。

基體的摩擦因數(shù)為0.693，磨損率為2.98×10?4mm3/(N·m)，由圖5b可以看出，純鎳鍍層的平均摩擦因數(shù)比巴氏合金基體的摩擦因數(shù)還大，但前者的磨損率較后者低，這可能與純鎳鍍層的顯微硬度高有關。鍍液中加入石墨烯后，所得復合鍍層的摩擦因數(shù)和磨損率均比純鎳層和基體低，說明 Ni–石墨烯復合鍍層的耐磨性較基體和純鎳鍍層優(yōu)。隨著鍍液中石墨烯添加量的增大，復合鍍層的摩擦因數(shù)降低，當添加量為 400mg/L 時，摩擦因數(shù)和磨損率最低，分別為 0.383和 1.87×10?4mm3/(N·m)，說明其耐磨性最好。進一步增大鍍液中石墨烯的添加量，鍍層的耐磨性又變差，這可能與石墨烯團聚有關。

圖4 鍍液中石墨烯添加量對鎳?石墨烯復合鍍層顯微硬度的影響Figure 4 Effect of the dosage of graphene in electrolyte on microhardness of nickel–graphene composite coating

圖5 鍍液中石墨烯添加量對鎳?石墨烯復合鍍層耐磨性的影響Figure 5 Effect of the dosage of graphene in electrolyte on wear resistance of nickel–graphene composite coating

3 結論

(1)鍍液中加入石墨烯后，所得Ni–石墨烯復合鍍層的組織結構比純鎳鍍層更均勻、致密，但一些石墨烯顆粒發(fā)生團聚并堆積在鍍層表面。隨鍍液中石墨烯添加量的增大，復合鍍層的晶粒減小。

(2)純Ni鍍層和Ni–石墨烯復合鍍層的顯微硬度均比巴氏合金基體高。在100～500mg/L范圍內，鍍液中石墨烯添加量對鍍層顯微硬度的影響不大。

(3)純鎳鍍層的摩擦因數(shù)比基體大，但其磨損率較低，Ni–石墨烯復合鍍層的摩擦因數(shù)和磨損率則均比純鎳鍍層低。鍍液中石墨烯添加量為400mg/L時，復合鍍層的耐磨性最佳。