脈沖電沉積Ni-SiC納米復(fù)合鍍層的工藝及性能

余 德， 李雪松， 吳 化

（1.沈陽鐵路局 長春特種設(shè)備檢測所，吉林 長春 130022；2.長春工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料省部共建教育部重點實驗室，吉林 長春 130012）

脈沖電沉積Ni-SiC納米復(fù)合鍍層的工藝及性能

余 德1， 李雪松2， 吳 化2

（1.沈陽鐵路局 長春特種設(shè)備檢測所，吉林 長春 130022；2.長春工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料省部共建教育部重點實驗室，吉林 長春 130012）

采用脈沖電沉積技術(shù)在銅基表面制備Ni-SiC納米復(fù)合鍍層。利用掃描電鏡（SEM）、透射電鏡（TEM）、顯微硬度計及電化學(xué)測試，研究了納米SiC微粒的質(zhì)量濃度對復(fù)合鍍層的表面形貌、組織結(jié)構(gòu)、顯微硬度以及耐蝕性的影響。結(jié)果表明：當(dāng)納米SiC微粒的質(zhì)量濃度為6～9g/L時，制備的復(fù)合鍍層組織細(xì)密，顯微硬度最高可達(dá)7 730MPa，并且耐蝕性也有了較大的提高。

脈沖電沉積；納米復(fù)合鍍層；表面形貌；組織性能

0 前言

隨著科技的發(fā)展，單組分材料已難以滿足工業(yè)發(fā)展的特殊要求。開發(fā)各種新型結(jié)構(gòu)材料與功能材料，是目前材料科學(xué)中的一個重要研究方向。復(fù)合鍍層具有硬度和耐磨性高、自潤滑性好、制備方便、組成易于控制等優(yōu)點，已在航空航天、機械制造、電子材料等領(lǐng)域中得到廣泛的研究和應(yīng)用［1－3］。本文采用Watts鍍液，選擇粒徑約為45nm的SiC微粒為第二相微粒，使用脈沖電源制備Ni-SiC納米復(fù)合鍍層。同時對所得復(fù)合鍍層的顯微硬度以及耐蝕性進(jìn)行了研究，重點討論了鍍液中納米SiC微粒的質(zhì)量濃度對復(fù)合鍍層性能的影響。

1 實驗

1.1 實驗材料

基體試樣采用純銅板，規(guī)格為40mm×30mm×3mm。

1.2 鍍液配方

鍍液的總體積為1L，其配方為：NiSO4·6H2O 290g/L，NiCl2·6H2O 50g/L，H3BO340g/L，SiC 1～5g/L，十二烷基硫酸鈉（潤濕劑）0.5～1.0g/L，丁炔二醇（光亮劑）0.5～1.0g/L，以上試劑均為分析純，鍍液采用蒸餾水配制。

1.3 實驗方法

由于納米微粒本身具有非常高的表面活性和極大的比表面積，在鍍液中極易發(fā)生團(tuán)聚。解決團(tuán)聚問題是納米復(fù)合電鍍的關(guān)鍵。為了在鍍液中得到高分散度的納米SiC微粒，先用少量含分散劑的配制液將納米SiC微粒充分潤濕，然后在超聲波下振蕩5～6h，最后將其加入鍍液中。納米SiC微粒及復(fù)合鍍層的TEM形貌，如圖1所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 納米SiC微粒對復(fù)合鍍層表面形貌的影響

圖1 納米SiC微粒及復(fù)合鍍層的TEM形貌

在pH值4～5，（50±2）℃，60min的條件下，研究了納米SiC微粒的質(zhì)量濃度對復(fù)合鍍層表面形貌的影響，實驗結(jié)果，如圖2所示。由圖2可知：隨著鍍液中納米SiC微粒的質(zhì)量濃度的增加，復(fù)合鍍層更加致密、結(jié)晶更加細(xì)致，基本上消除了團(tuán)簇形態(tài)；尤其是當(dāng)納米SiC微粒的質(zhì)量濃度為6g/L時，晶粒團(tuán)簇邊界幾乎消失。這表明在鍍液中加入納米SiC微粒起到了細(xì)化鍍層晶粒尺寸的作用。

圖2 納米SiC微粒對復(fù)合鍍層表面形貌的影響

2.2 納米SiC微粒對復(fù)合鍍層顯微硬度的影響

在pH值4～5，（50±2）℃，60min的條件下，研究了納米SiC微粒的質(zhì)量濃度對復(fù)合鍍層顯微硬度的影響，實驗結(jié)果，如表1所示。顯微硬度測試采用的載荷為0.5N，加載時間為15s。由表1可知：鍍液中納米SiC微粒的質(zhì)量濃度對復(fù)合鍍層的顯微硬度影響較大。隨著鍍液中納米SiC微粒的質(zhì)量濃度的增加，鍍層的顯微硬度逐漸增大；當(dāng)納米SiC微粒的質(zhì)量濃度為6g/L時，顯微硬度達(dá)到最大值；此后，繼續(xù)增加納米SiC微粒的質(zhì)量濃度，顯微硬度反而呈現(xiàn)降低的趨勢。這是因為鍍液中納米微粒的質(zhì)量濃度對鍍層中納米微粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有很大的影響。鍍液中納米微粒的質(zhì)量濃度過低時，其到達(dá)工件表面的幾率就會減小，當(dāng)然被吸附的幾率也會很?。贿^大時，不僅阻礙了其向工件表面的傳輸過程，還將覆蓋一些陰極表面上的活化點，不利于金屬離子的還原沉積，反而使鍍層的顯微硬度降低。

表1 納米SiC微粒對復(fù)合鍍層顯微硬度的影響

2.3 納米SiC微粒對復(fù)合鍍層耐蝕性的影響

在納米SiC微粒的質(zhì)量濃度為0，3，6，9g/L的條件下，所得復(fù)合鍍層在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液中的極化曲線，如圖3所示。采用三電極體系進(jìn)行測量，輔助電極為鉑電極，參比電極為飽和甘汞電極。由圖3可知：添加第二相納米SiC微粒后，由于彌散強化作用，使鍍層晶粒得到明顯的細(xì)化，但是其耐蝕性變化較小。其主要原因為：雖然細(xì)化晶粒使耐蝕性提高，但第二相納米SiC微粒的加入又增加了腐蝕原電池的數(shù)量，使耐蝕性下降，綜合結(jié)果是耐蝕性變化較小，或稍有提高。

圖3 鍍層的極化曲線

3 結(jié)論

（1）添加納米微粒后，所得復(fù)合鍍層結(jié)晶細(xì)致，不顯示明顯的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)。同時由于納米SiC微粒的彌散強化作用，使復(fù)合鍍層具有較高的顯微硬度，最高可達(dá)7 730MPa。

（2）納米SiC微粒的加入會改變鍍層的性能。隨著鍍液中納米SiC微粒的質(zhì)量濃度的增加，鍍層表面的胞狀物逐漸細(xì)化，且分布相對均勻，使復(fù)合鍍層的自腐蝕電位正移，表現(xiàn)出較好的耐蝕性。

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［1］郭鶴桐，張三元.復(fù)合鍍層 ［M］.天津：天津大學(xué)出版社，1991.

［2］孫穎，李燕青，魏曉偉，等.鎂合金表面防護(hù)研究進(jìn)展［J］.四川工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2004，23（4）：4-6.

［3］HONG Q，YAO G，CHEN S.Development of iron matrix antifriction composite coatings［J］.Metal Finishing，1998，96（10）：3-8.

Process and Properties of Ni-SiC Nano-Composite Coating Prepared by Pulse Electro-deposition

YU De1， LⅠ Xue-song2， WU Hua2
（1.Changchun Special Equipment Inspection Institute，Shenyang Railway Bureau，Changchun 130022，China；2.Key Laboratory of Advanced Structural Materials，Ministry of Education，Changchun University of Technology，Changchun 130012，China）

The Ni-SiC nano-composite coating was prepared on copper surface by pulse electro-deposition technology.The effects of the mass concentration of nano-particles on the surface morphology，microstructure，microhardness and corrosion resistance of the composite coating were investigated by scanning electronic microscopy （SEM），transmission electron microscope（TEM），microhardness tester and electrochemical test.The results show that a nano-composite coating with fine grains can be obtained when the mass concentration of nano-particles is 6～9g/L，of which the maximum microhardness can reach 7 730MPa and the corrosion resistance is also much improved.

pulse electro-deposition；nano-composite coating；surface morphology；structure property

TQ 153

A

1000-4742（2013）01-0021-03

2011-11-01