攪拌方式對Ni-SiC復(fù)合鍍層結(jié)構(gòu)與性能的影響

石生益， 白志明

（甘肅工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 化工學(xué)院，甘肅 天水 741025）

攪拌方式對Ni-SiC復(fù)合鍍層結(jié)構(gòu)與性能的影響

石生益， 白志明

（甘肅工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 化工學(xué)院，甘肅 天水 741025）

研究了機(jī)械攪拌、空氣攪拌、超聲波攪拌和超聲波-空氣復(fù)合攪拌四種攪拌方式對Ni-SiC復(fù)合鍍層結(jié)構(gòu)、硬度及耐酸性的影響。結(jié)果表明：與常規(guī)攪拌方式相比較，超聲波條件下所得Ni-SiC復(fù)合鍍層的結(jié)構(gòu)致密性改善，硬度提高且耐酸性增強(qiáng)；進(jìn)一步輔助空氣攪拌后，盡管鍍層組織更勻致，但硬度和耐酸性均無明顯提高。

復(fù)合鍍層；結(jié)構(gòu)；硬度；耐酸性；攪拌方式

0 前言

以復(fù)合電鍍?yōu)橹饕侄危殉晒χ苽涑龆喾N功能性復(fù)合鍍層［1］。如何提高復(fù)合鍍層中微粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，是復(fù)合電鍍技術(shù)的關(guān)鍵所在。這是因?yàn)閺?fù)合鍍層中微粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及分布狀況，對鍍層性能起著決定性的影響。而微粒的分散情況又取決于攪拌工藝。為此，圍繞著優(yōu)選攪拌方式進(jìn)而改善鍍液中微粒的分散狀況這一主題，表面工程領(lǐng)域的研究學(xué)者開展了大量的工作。研究表明：超聲波攪拌對于微粒的分散和懸浮所帶來的效果最優(yōu)［2－3］。然而，從復(fù)合鍍層結(jié)構(gòu)和性能的角度，結(jié)合定量指標(biāo)全面評價(jià)不同攪拌方式工藝效果的研究，尚鮮見報(bào)道。本文主要開展這方面的研究，系統(tǒng)地探討了攪拌方式對Ni-SiC復(fù)合鍍層結(jié)構(gòu)、硬度及耐酸性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

鍍液配方及工藝條件為：NiCl2·6H2O 8g/L，Ni（NH2SO3）2·4H2O 450g/L，NaCl 10g/L，H3BO335g/L，4A/dm2，40℃，70min。鍍液配制按規(guī)范要求執(zhí)行［4］。微粒選用直徑為30nm的SiC，經(jīng)除雜質(zhì)、清洗、干燥后，直接加入鍍液中。在電鍍過程中恒定其他工藝條件不變，分別施加機(jī)械攪拌、空氣攪拌、超聲波攪拌和超聲波－空氣復(fù)合攪拌，研究了攪拌方式對復(fù)合鍍層結(jié)構(gòu)與性能的影響。

1.2 性能檢測

電鍍結(jié)束后，將復(fù)合鍍層剝離下來。采用JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡觀察復(fù)合鍍層的結(jié)構(gòu)。采用HXD-1000型顯微硬度儀測定復(fù)合鍍層的硬度，載荷為50g，加載保持8s，取6次測定結(jié)果的平均值。采用浸泡腐蝕法測定復(fù)合鍍層的耐酸性。腐蝕介質(zhì)選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的HCl溶液和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的H2SO4溶液。腐蝕試樣尺寸為6mm×6mm，浸泡腐蝕10d。用AL 204型精密電子天平稱量復(fù)合鍍層腐蝕前后的質(zhì)量，并依據(jù)質(zhì)量損失計(jì)算腐蝕率：r＝（m腐蝕前—m腐蝕后）/m腐蝕前。同時(shí)根據(jù)如下公式計(jì)算腐蝕速率：v＝Δm/（S×t）。式中：Δm為腐蝕質(zhì)量損失，S為試樣面積，t為腐蝕時(shí)間。結(jié)合腐蝕率和腐蝕速率，評價(jià)復(fù)合鍍層的耐酸性。

2 結(jié)果與討論

2.1 結(jié)構(gòu)

圖1為攪拌方式對Ni-SiC復(fù)合鍍層結(jié)構(gòu)的影響。由圖1（a）和圖1（b）可知：在電鍍過程中施加機(jī)械攪拌或空氣攪拌，所得復(fù)合鍍層的組織稀松，致密性差。這是由于常規(guī)攪拌很難使納米SiC微粒均勻地懸浮于鍍液中，在表面能的作用下，微粒易團(tuán)聚而加速沉降，因而夾雜于電鍍金屬層中的可能性低，鍍層晶粒在長大過程中受到的抑制作用弱。而施加超聲波攪拌后，由于超聲波在鍍液中傳遞時(shí)所引發(fā)的空化效應(yīng)能強(qiáng)烈地沖擊攪拌鍍液，使微粒均勻分散和懸?。?］，為其順利且均勻地嵌入鍍層中創(chuàng)造有利條件。因而微粒吸附于陰極表面且占據(jù)晶核生長位置的幾率升高，對陰極表面的屏蔽作用增強(qiáng)，致使有效沉積面積減小，陰極極化增大，使得晶核的生成速率加快而長大速率減緩。故所得復(fù)合鍍層的晶粒細(xì)化，組織均勻性得以改善，如圖1（c）所示。這表明超聲波攪拌對微粒的分散、懸浮和吸附起到了良好的效果。在此基礎(chǔ)上輔助空氣攪拌后，所得復(fù)合鍍層的結(jié)構(gòu)更加致密，如圖1（d）所示。

圖1 攪拌方式對Ni-SiC復(fù)合鍍層結(jié)構(gòu)的影響

2.2 硬度

圖2為攪拌方式對Ni-SiC復(fù)合鍍層硬度的影響。由圖2可知：采用機(jī)械攪拌和空氣攪拌所得復(fù)合鍍層的硬度約為2 300MPa，與純鎳鍍層的硬度（約為2 200MPa）幾乎持平；施加適宜功率的超聲波攪拌后，由于微粒分散均勻且嵌入鍍層中的幾率提升，晶粒長大受到抑制，故硬度明顯提高，達(dá)到3 040MPa；在超聲波條件下輔助空氣攪拌后，復(fù)合鍍層的硬度并未明顯增大，而是微幅提升至3 180 MPa。盡管如此，與純鎳鍍層和采用常規(guī)攪拌方式所得復(fù)合鍍層的硬度相比，超聲波－空氣復(fù)合攪拌條件下制備的Ni-SiC復(fù)合鍍層仍呈現(xiàn)出較高的硬度。

2.3 耐酸性

圖3和圖4分別為基于不同攪拌方式所得Ni-SiC復(fù)合鍍層在兩種酸性溶液中的腐蝕率和腐蝕速率。結(jié)果表明：同攪拌方式對復(fù)合鍍層硬度的影響規(guī)律類似，施加超聲波攪拌后，復(fù)合鍍層在兩種酸性溶液中的腐蝕率和腐蝕速率均明顯降低。

圖3 基于不同攪拌方式所得Ni-SiC復(fù)合鍍層的腐蝕率

圖4 基于不同攪拌方式所得Ni-SiC復(fù)合鍍層的腐蝕速率

超聲波條件下所得Ni-SiC復(fù)合鍍層的耐酸性明顯增強(qiáng)的原因在于：（1）超聲波攪拌能促使納米微粒分散均勻，提高復(fù)合鍍層中微粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和晶界間的微粒填充量，降低鍍層的孔隙率，改善組織結(jié)構(gòu)，減少在腐蝕介質(zhì)中的暴露面積，減輕接觸腐蝕和滲透腐蝕；（2）超聲波攪拌有利于提升微粒在陰極表面的吸附概率和吸附量，借助納米微粒的尺度效應(yīng)干擾鎳離子的結(jié)晶過程，改變晶面擇優(yōu)取向，從而均化鍍層表面電位，提高化學(xué)穩(wěn)定性，進(jìn)而阻礙腐蝕過程的進(jìn)行，減緩腐蝕速率。但采用超聲波－空氣復(fù)合攪拌后，所得復(fù)合鍍層在兩種酸性溶液中的腐蝕率和腐蝕速率均無明顯改變，僅微幅下降。由此表明：超聲波條件下輔助空氣攪拌，對復(fù)合鍍層性能的影響不明顯。

由圖3和圖4還可知：四種復(fù)合鍍層在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的HCl溶液中的腐蝕率和腐蝕速率均較在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的H2SO4溶液中的高。這是由于Cl—的半徑小，極易從鍍層局部區(qū)域穿透至表面鈍化膜中，形成點(diǎn)蝕［6］，加速表面溶解。而一定量的SO2－4具有氧化性，可保護(hù)鈍化膜，在一定程度上抑制點(diǎn)蝕作用。

3 結(jié)論

與常規(guī)機(jī)械攪拌和空氣攪拌方式相比，基于超聲波攪拌方式能制備出結(jié)構(gòu)勻致、硬度高且耐酸性強(qiáng)的Ni-SiC復(fù)合鍍層。然而，在超聲波條件下輔助施加空氣攪拌，雖然可改善復(fù)合鍍層的組織結(jié)構(gòu)，但對鍍層的硬度和耐酸性影響不明顯。

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［1］郭鶴桐，張三元.復(fù)合電鍍技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

［2］REZRAZI M，DOCHE M L，BERCOT P，et al.Au-PTFE composite coatings elaborated under ultrasonic stirring［J］.Surface and Coatings Technology，2005，192（1）：124-130.

［3］ZHENG H Y，AN Z M.Electrodeposition of Zn-Ni-Al2O3nanocomposite coatings under ultrasound conditions［J］.Journal of Alloys and Compounds，2008，459（1）：548-552.

［4］吳向清.鋁合金基電沉積Ni-SiC復(fù)合鍍技術(shù)的研究［D］.西安：西北工業(yè)大學(xué)，2002.

［5］李春喜，王子鎬.超聲技術(shù)在納米材料制備中的應(yīng)用［J］.化學(xué)通報(bào)，2001（5）：268-272.

［6］魏寶明.金屬腐蝕理論及應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1984.

Effects of Agitation Method on Structure and Properties of Ni-SiC Composite Coating

SHⅠ Sheng－yi， BAⅠ Zhi-ming
（College of Chemical Engineering，Gansu Industry Polytechnic College，Tianshui 741025，China）

The effects of four agitation methods（mechanical，air，ultrasonic and ultrasound-air agitations）on the structure，hardness and acid resistance of Ni-SiC composite coating were investigated.The results show that compared with the Ni-SiC coating electroplated with conventional agitation methods，the coating of the same kind prepared under ultrasonic condition features compacter texture，higher hardness and better acid resistance.However，further assisted with air agitation，the hardness and acid resistance of the coating are not significantly improved though its structure becomes more compact and uniform.

composite coating；structure；hardness；acid resistance；agitation method

TQ 153

A

1000-4742（2013）03-0015-03

2012-02-23