韓二鋒，黃 瑞

（1.浙江農(nóng)業(yè)商貿(mào)職業(yè)學院汽車技術(shù)系，浙江紹興 312000；2.浙江大學能源工程學院，浙江杭州 310058）

化學鍍復(fù)合鍍層既具有單一金屬鍍層或合金鍍層的優(yōu)良性能，又融合固體顆粒的獨特功能（比如高硬度、自潤滑減摩、光催化等），可更好的滿足人們對鍍層某方面性能的要求，因此在機械、汽車、冶金等行業(yè)成功應(yīng)用并且具有廣闊的應(yīng)用前景［1-3］?；瘜W鍍Ni-W-P/PTFE復(fù)合鍍層是針對摩擦工況下使用的機械結(jié)構(gòu)鋼或工件而開發(fā)的一種復(fù)合鍍層，已證實該復(fù)合鍍層具有自潤滑減摩作用［4-5］，能顯著提高機械結(jié)構(gòu)鋼或工件表面耐磨性能，進而延長使用壽命。

目前關(guān)于化學鍍Ni-W-P/PTFE復(fù)合鍍層的耐磨性能有一些報道，而耐蝕阻垢性能的報道很少見。實際應(yīng)用中，化學鍍Ni-W-P/PTFE復(fù)合鍍層所處的工況通常是復(fù)雜工況，除了摩擦磨損，腐蝕和表面結(jié)垢都不可避免。因此，研究化學鍍Ni-W-P/PTFE復(fù)合鍍層的耐蝕阻垢性能同樣具有重要意義。筆者選取工業(yè)中常用的機械結(jié)構(gòu)鋼作為研究對象制備化學鍍Ni-W-P/PTFE復(fù)合鍍層，并研究其耐蝕阻垢性能，以期為提高化學鍍Ni-W-P/PTFE復(fù)合鍍層的綜合性能提供參考。

1 實驗

1.1 制備化學鍍Ni-W-P/PTFE復(fù)合鍍層

基體為40Cr鋼，其化學成分（質(zhì)量分數(shù)）為：Mn 0.5%~0.8%、Si 0.17%~0.37%、C 0.37%~0.44%、Cr 0.8%~1.1%、S 0.035%、P 0.035%、Ni 0.03%，F(xiàn)e余量。用砂紙逐級打磨去除40Cr鋼表面的自然氧化膜，然后在丙酮中超聲波清洗初步除油、在氫氧化鈉溶液（40 g/L、60℃）中浸泡15 min徹底除油。在稀鹽酸（體積分數(shù)10%）中酸洗活化，最后用去離子水洗凈。

表1為化學鍍Ni-W-P/PTFE復(fù)合鍍層的溶液配方。為使PTFE顆粒在溶液中均勻分散，先超聲振蕩2 h。然后將溶液加熱到88℃，波動幅度不超過0.5℃，化學鍍時間為2 h。在不同PTFE顆粒濃度下進行實驗，溶液中引入超聲振蕩，超聲波功率為90 W、頻率為40 kHz保持恒定，制備5種復(fù)合鍍層。

表1 化學鍍Ni-W-P/PTFE復(fù)合鍍層的溶液配方Tab.1 Solution formula for preparation of electroless Ni-W-P/PTFE composite coating

1.2 復(fù)合鍍層表征與測試

復(fù)合鍍層形貌及PTFE顆粒復(fù)合量：采用德國蔡司的MERLIN Compact型掃描電鏡觀察復(fù)合鍍層形貌，同時采用英國牛津的X-max50型能譜儀分析復(fù)合鍍層中各元素質(zhì)量分數(shù)，根據(jù)F元素質(zhì)量分數(shù)推算出復(fù)合鍍層中PTFE顆粒復(fù)合量。

表面粗糙度：采用日本三豐的SJ-210型粗糙度儀測量復(fù)合鍍層的表面粗糙度，任取5個點測量，取平均值。

耐蝕阻垢性能：采用浸泡實驗測試復(fù)合鍍層的阻垢性能，先稱取碳酸氫鈉、氯化鎂、氯化鈉、碳酸鈣、硫酸鈉等試劑，加去離子水中配制模擬結(jié)垢液（碳酸氫鈉0.5 g/L+氯化鎂0.6 g/L+氯化鈉30 g/L+碳酸鈣1.0 g/L+硫酸鈉25 g/L），然后將復(fù)合鍍層試樣放入模擬結(jié)垢液中。為加速結(jié)垢過程，模擬結(jié)垢液的溫度控制在（50±0.5）℃。試樣表面積為S，未結(jié)垢試樣質(zhì)量為m1，結(jié)垢試樣質(zhì)量為m2，復(fù)合鍍層表面垢質(zhì)附著量Δm=m2-m1，結(jié)垢速率v=Δm/S。另外，采用上海辰華的CHI660E型電化學工作站測試復(fù)合鍍層在模擬廢水中的電化學阻抗譜，測試頻率范圍105~10-2Hz，從高頻向低頻掃描，選擇合適的等效電路擬合電化學阻抗譜測試數(shù)據(jù)。測試結(jié)束后，采用能譜儀分析復(fù)合鍍層表面垢質(zhì)成分。

2 結(jié)果與討論

2.1 化學鍍Ni-W-P/PTFE復(fù)合鍍層的形貌

圖1為不同PTFE顆粒濃度下制備的5種復(fù)合鍍層形貌。5種復(fù)合鍍層表面都較致密，并且附著有PTFE顆粒。但隨著PTFE顆粒濃度增加，復(fù)合鍍層表面附著的PTFE顆粒明顯增多，且分布狀態(tài)不同。PTFE顆粒濃度為2.5 g/L時，復(fù)合鍍層表面的PTFE顆粒較少，呈稀疏分布。隨著PTFE顆粒濃度增加到10 g/L，復(fù)合鍍層表面的PTFE顆粒較均勻密集分布。但當PTFE顆粒濃度繼續(xù)增加的情況下，復(fù)合鍍層表面出現(xiàn)PTFE顆粒聚集現(xiàn)象，這是由于PTFE顆?；钚暂^高表現(xiàn)出很強的表面效應(yīng)，當濃度較高時為了達到穩(wěn)定狀態(tài)極易聚集。

圖1 不同PTFE顆粒濃度下制備的復(fù)合鍍層形貌Fig.1 Morphology of composite coatings prepared under different concentration of PTFE particles

圖2所示為不同PTFE顆粒濃度下制備的5種復(fù)合鍍層表面粗糙度。隨著PTFE顆粒的濃度從2.5 g/L增加到18 g/L，表面粗糙度呈先減小后增大的趨勢，但變化幅度不大。表面粗糙度主要反映復(fù)合鍍層的微觀平整度［6-7］，較小的表面粗糙度意味著復(fù)合鍍層平整度較好。測量結(jié)果表明PTFE顆粒濃度對復(fù)合鍍層表面平整度影響不大，當PTFE顆粒濃度為10 g/L時，復(fù)合鍍層的表面粗糙度最低，為0.4 μm左右，表面平整度相對較好。

圖2 不同PTFE顆粒濃度下制備的復(fù)合鍍層表面粗糙度Fig.2 Surface roughness of the composite coatings pre‐pared under different concentration of PTFE parti‐cles

2.2 化學鍍Ni-W-P/PTFE復(fù)合鍍層中PTFE顆粒復(fù)合量

圖3所示為不同PTFE顆粒濃度下制備的5種復(fù)合鍍層中PTFE顆粒復(fù)合量。

圖3 不同PTFE顆粒濃度下制備的復(fù)合鍍層中PTFE顆粒復(fù)合量Fig.3 Content of PTFE particles in composite coatings prepared under different concentration of PTFE particles

隨著PTFE顆粒濃度從2.5 g/L增加到10 g/L，PTFE顆粒復(fù)合量隨之增多，從2.44%增加到5.41%。而隨著PTFE顆粒濃度從10 g/L繼續(xù)增加到18 g/L，PTFE顆粒復(fù)合量未繼續(xù)增多反而減少，從5.41%減少到4.52%。分析認為，超聲波振蕩使PTFE顆粒在鍍液中處于較穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)，懸浮PTFE顆粒被金屬離子俘獲附著在基體表面，伴隨著共沉積進入復(fù)合鍍層中。在一定范圍內(nèi)隨著PTFE顆粒濃度增加，更多懸浮PTFE顆粒被金屬離子俘獲附著在基體表面，進而伴隨著共沉積進入復(fù)合鍍層中，使得復(fù)合鍍層中PTFE顆粒復(fù)合量增多。但PTFE顆粒濃度過高時，由于PTFE顆粒表現(xiàn)出很強的表面效應(yīng)發(fā)生聚集現(xiàn)象［8-10］，導(dǎo)致溶液變得粘稠流動性降低，限制了懸浮PTFE顆粒被金屬離子俘獲并附著在基體表面，使得復(fù)合鍍層中PTFE顆粒復(fù)合量減少。

2.3 化學鍍Ni-W-P/PTFE復(fù)合鍍層的耐蝕阻垢性能

2.3.1 電化學阻抗譜

圖4所示為不同PTFE顆粒濃度下制備的5種復(fù)合鍍層電化學阻抗譜。5種復(fù)合鍍層都呈現(xiàn)出單一容抗弧，隨著PTFE顆粒濃度從2.5 g/L增加到10 g/L，容抗弧半徑隨之增大，但隨著PTFE顆粒濃度從10 g/L繼續(xù)增加到18 g/L，容抗弧半徑轉(zhuǎn)而減小。研究表明，容抗弧半徑越大說明復(fù)合鍍層的阻抗越高，耐蝕性能越好［11-14］。在一定范圍內(nèi)隨著PTFE顆粒濃度增加，PTFE顆粒在復(fù)合鍍層表面較均勻密集分布，可起到良好的屏蔽式保護作用，提高了復(fù)合鍍層抵抗模擬廢水中離子和水分子侵蝕的能力。當PTFE顆粒濃度為10 g/L時，容抗弧半徑最大，說明該復(fù)合鍍層的阻抗很高，能更好地抵抗模擬廢水中離子和水分子侵蝕，表現(xiàn)出良好的耐蝕性能。但PTFE顆粒濃度過高時，由于PTFE顆粒在復(fù)合鍍層表面聚集，分布均勻性變差，所起到的屏蔽式保護作用降低，從而導(dǎo)致阻抗減小，耐蝕性能下降。

圖4 不同PTFE顆粒濃度下制備的復(fù)合鍍層電化學阻抗譜Fig.4 Electrochemical impedance spectra of composite coatings prepared under different concentration of PTFE particles

根據(jù)圖5所示的等效電路擬合電化學阻抗譜測試數(shù)據(jù)，得到電荷轉(zhuǎn)移電阻和阻抗模值，見表2。隨著PTFE顆粒濃度從2.5 g/L增加到10 g/L，電荷轉(zhuǎn)移電阻隨之增大，但隨著PTFE顆粒濃度從10 g/L繼續(xù)增加到18 g/L，電荷轉(zhuǎn)移電阻轉(zhuǎn)而減小。電荷轉(zhuǎn)移電阻表征復(fù)合鍍層與基體間的電荷轉(zhuǎn)移速率，當PTFE顆粒濃度為10 g/L時，電荷轉(zhuǎn)移電阻最大，達到3.61×104Ω·cm2，說明復(fù)合鍍層與基體間的電荷轉(zhuǎn)移速率最低，換言之，該復(fù)合鍍層不容易發(fā)生氧化還原反應(yīng)而得失電子，耐蝕性能良好。

表2 電化學阻抗譜擬合結(jié)果Tab.2 Fitting results of electrochemical impedance spectra

圖5 等效電路Fig.5 Equivalent circuit

相關(guān)研究表明，阻抗模值同樣可表征復(fù)合鍍層的耐蝕性能［15-16］。隨著PTFE顆粒濃度從2.5 g/L增加到10 g/L，阻抗模值從9.64×103Ω·cm2增大到1.25×104Ω·cm2，證實了在一定范圍內(nèi)隨著PTFE顆粒濃度增加，復(fù)合鍍層抵抗模擬廢水中離子和水分子侵蝕的能力增強，耐蝕性逐步提高，并且當PTFE顆粒濃度為10 g/L時，復(fù)合鍍層的耐蝕性能最好。

2.3.2 結(jié)垢速率

圖6所示為不同PTFE顆粒濃度下制備的5種復(fù)合鍍層結(jié)垢速率。隨著PTFE顆粒濃度從2.5 g/L增加到10 g/L，結(jié)垢速率從14.64 mg/m2降低到12.71 mg/m2，說明復(fù)合鍍層表面垢質(zhì)附著量減少。這是由于復(fù)合鍍層中含有低表面能的PTFE顆粒，在一定范圍內(nèi)隨著PTFE顆粒濃度增加，附著在復(fù)合鍍層表面的PTFE顆粒由稀疏分布轉(zhuǎn)為較均勻密集分布，使復(fù)合鍍層表面能逐步降低，垢質(zhì)粘附變得困難，從而表現(xiàn)出越來越好的阻垢性能。但隨著PTFE顆粒濃度從10 g/L繼續(xù)增加到18 g/L，結(jié)垢速率未進一步降低而是增大，從12.71 mg/m2增大到13.52 mg/m2，這與復(fù)合鍍層表面PTFE顆粒聚集和分布均勻性變差有關(guān)，PTFE顆粒聚集導(dǎo)致復(fù)合鍍層不同區(qū)域的表面能存在差異，阻止垢質(zhì)粘附能力下降。當PTFE顆粒濃度為10 g/L時，結(jié)垢速率最低，該復(fù)合鍍層的阻垢性能最好。

圖6 不同PTFE顆粒濃度下制備的復(fù)合鍍層結(jié)垢速率Fig.6 Scaling rates of composite coatings prepared under different concentration of PTFE particles

2.3.3 垢質(zhì)成分

圖7所示為不同PTFE顆粒濃度下制備的5種復(fù)合鍍層表面垢質(zhì)成分?？芍?種復(fù)合鍍層表面的垢質(zhì)主要成分相同，都含有C、Na、Mg和Ca元素。根據(jù)元素種類，分析垢質(zhì)可能是含上述幾種元素的化合物，以氫氧化物或顆粒形式沉積粘附在復(fù)合鍍層表面。當PTFE顆粒濃度為10 g/L時，復(fù)合鍍層表面的垢質(zhì)所含元素分布情況如圖8所示，可知C、Na、Mg和Ca元素都呈稀疏分布，這是由于該復(fù)合鍍層表面能較低，阻止垢質(zhì)粘附的能力較強，導(dǎo)致垢質(zhì)附著量減少，每種元素的質(zhì)量分數(shù)都很低。

圖7 不同PTFE顆粒濃度下制備的復(fù)合鍍層表面的垢質(zhì)成分Fig.7 Composition of scalant on the surface of composite coatings prepared under different concentration of PTFE particles

圖8 PTFE顆粒濃度為10 g/L時復(fù)合鍍層表面的垢質(zhì)所含元素分布情況Fig.8 Distribution of elements contained in the scalant on surface of the composite coating prepared under 10 g/L PTFE particles

3 結(jié)論

（1）PTFE顆粒濃度對化學鍍Ni-W-P/PTFE復(fù)合鍍層的形貌和耐蝕阻垢性能有一定影響，不同PTFE顆粒濃度下制備的5種復(fù)合鍍層表面都較致密，但PTFE顆粒在復(fù)合鍍層表面分布狀態(tài)以及復(fù)合鍍層中PTFE顆粒復(fù)合量不同，導(dǎo)致5種復(fù)合鍍層的耐蝕阻垢性能存在差異。

（2）隨著PTFE顆粒濃度增加，復(fù)合鍍層表面粗糙度呈先減小后增大的趨勢，PTFE顆粒在復(fù)合鍍層表面由稀疏分布轉(zhuǎn)為較均勻密集分布然后出現(xiàn)聚集現(xiàn)象，結(jié)垢速率先降低后增加。當PTFE顆粒濃度為10 g/L時，復(fù)合鍍層表面平整度相對較好，PTFE顆粒呈較均勻密集分布阻止垢質(zhì)粘附能力較強，表現(xiàn)出良好的耐蝕阻垢性能。