工藝參數(shù)對(duì)Ni-SiC復(fù)合鍍層的影響

齊建新，李 琴，鐘思云，鐘林峰，曾得錦，但晴華

(南昌航空大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西南昌 330063)

引 言

通過(guò)金屬電沉積的方法，將一種或者數(shù)種不溶性的固體微粒，均勻地嵌入到金屬鍍層中所形成的特殊鍍層就是復(fù)合鍍層，這種制備復(fù)合鍍層的方法叫做復(fù)合電鍍［1］。有研究表明，作為增強(qiáng)相的微粒，在復(fù)合電鍍鍍層中的含量越高，則復(fù)合層的硬度越高，耐磨性越高［2-3］。

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，復(fù)合量的影響因素很多，而且為了提高實(shí)際的生產(chǎn)效益以及SiC硬質(zhì)材料的應(yīng)用，對(duì)各因素進(jìn)行分析，從而獲得比較合理的實(shí)驗(yàn)參數(shù)［4-6］。本研究采用復(fù)合電鍍法制備Ni-SiC復(fù)合鍍層，分析了不同工藝參數(shù)對(duì)鍍層中SiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

陰極材料為45鋼，陽(yáng)極為99.9%的鎳板，SiC微粒在濃硝酸中浸泡24h，除去表面的有機(jī)物，用清水清洗后吹干，然后用表面活性劑進(jìn)行清洗，使得SiC充分潤(rùn)濕，保證SiC與鎳的結(jié)合良好。

鍍液組成及工藝條件:260g/L NiSO4·6H2O;40g/L NiCl2·6H2O;35g/L H3BO3;0.1g/L 十二烷基硫酸鈉，10g/L SiC，pH 為 4.2，θ為 40℃，Jκ為1.2A/dm2，用硼酸調(diào)節(jié)鍍液 pH。

復(fù)合電鍍電源為數(shù)字穩(wěn)流電源，采用恒溫磁力攪拌儀，用PHS-3B型pH計(jì)測(cè)定鍍液pH。探討了電流密度、pH、溫度、鍍液中SiC、十二烷基硫酸鈉和硫酸鈷質(zhì)量濃度對(duì)Ni-SiC復(fù)合鍍層中SiC的影響。

1.2 復(fù)合量的測(cè)定

用稱量法測(cè)定SiC微粒含量。鍍前在分析天秤上稱出經(jīng)過(guò)沖洗烘干基體鍍件的質(zhì)量，鍍后再稱出鍍件的質(zhì)量，得到鍍層和SiC微粒的質(zhì)量，用50%的硝酸溶液加熱溶解鍍層，殘留SiC微粒經(jīng)過(guò)沖洗過(guò)濾烘干等處理后，稱出其質(zhì)量，Ni-SiC復(fù)合鍍層中SiC微粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)按下式計(jì)算:

式中:wt為Ni-SiC復(fù)合鍍層中SiC微粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%;m1為鍍層SiC的質(zhì)量，g;m0為鍍層的總質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與討論

2.1 SiC粒徑測(cè)試

采用9300H激光粒度分析儀(丹東百特)對(duì)SiC微粒進(jìn)行測(cè)量。粒徑測(cè)試以去離子水為分散介質(zhì)，超聲波分散。圖1和表1為粒度測(cè)試儀得到的分析報(bào)告。圖1為SiC微粒粒徑分布圖，表1為激光粒度分布儀分析粒徑尺寸，測(cè)試結(jié)果表明，SiC微粒的中位徑為38.04μm，粒徑分布滿足正態(tài)分布。

圖1 SiC微粒粒徑分布圖

表1 SiC微粒尺寸

2.2 電流密度對(duì)鍍層中SiC的影響

圖2 為在基礎(chǔ)鍍液室溫條件下，不同Jκ對(duì)Ni-SiC復(fù)合鍍層中SiC的影響。

圖2 電流密度與w(SiC)關(guān)系

由圖2可以看出，當(dāng) Jκ在1.2A/dm2時(shí)，Ni-SiC復(fù)合鍍層中的w(SiC)達(dá)到最高。電鍍密度直接影響復(fù)合電沉積的速度，當(dāng)電流密度過(guò)小時(shí)，SiC微粒剛剛與鎳層結(jié)合，由于沉積速度過(guò)慢，SiC來(lái)不及吸附就被鍍液的流動(dòng)帶走;當(dāng)電流密度過(guò)大時(shí)，SiC來(lái)不及吸附，基體表面已經(jīng)沉積了較厚的鎳鍍層，所以Ni-SiC復(fù)合鍍層中 w(SiC)也比較低。選擇 Jκ為1.2A/dm2。

2.3 十二烷基硫酸鈉對(duì)鍍層中SiC的影響

圖3 為在基礎(chǔ)鍍液室溫條件下，十二烷基硫酸鈉與鍍層w(SiC)的關(guān)系曲線。

圖3 ρ(十二烷基硫酸鈉)與w(SiC)的關(guān)系曲線

由圖3可以看出，隨十二烷基硫酸鈉質(zhì)量濃度的增大，Ni-SiC復(fù)合鍍層中w(SiC)增大，添加十二烷基硫酸鈉能提高鍍層中SiC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。十二烷基硫酸鈉作為一種陰離子型表面活性劑，對(duì)共沉積有促進(jìn)作用，這是因?yàn)楸砻婊钚詣┰谖⒘＜半姌O表面吸附后，微粒與電極表面是疏水的，即表面活性劑的親水基向著微粒和電極的表面，而疏水基遠(yuǎn)離微粒和電極表面，這樣在電極表面，分散微粒與水、有機(jī)分子的偶極距為最小，從而有助于共沉積。

當(dāng)鍍液中不添加十二烷基硫酸鈉時(shí)，在鍍層中會(huì)出現(xiàn)氣泡，是因?yàn)镹i-SiC復(fù)合鍍液的陰極效率只有96%左右，會(huì)出現(xiàn)析氫現(xiàn)象，如果氣泡不及時(shí)脫離鍍層表面，會(huì)在鍍層中形成氣泡，鍍層結(jié)合力差。當(dāng)十二烷基硫酸鈉質(zhì)量濃度超過(guò)0.3g/L時(shí)，Ni-SiC復(fù)合鍍層出現(xiàn)裂紋，可能在電鍍過(guò)程中有機(jī)物會(huì)分解，當(dāng)分解產(chǎn)生的物質(zhì)的質(zhì)量濃度很高時(shí)，夾雜在鍍層中，使得鍍層的結(jié)合力下降，所以選用0.1g/L十二烷基硫酸鈉。

2.4 溫度對(duì)鍍層中w(SiC)的影響

圖4 為溫度與Ni-SiC復(fù)合鍍層w(SiC)的關(guān)系曲線。

由圖4可以看出，在實(shí)驗(yàn)的溫度范圍內(nèi)，當(dāng)θ低于40℃時(shí)，Ni-SiC復(fù)合鍍層中的w(SiC)隨溫度的升高而升高，當(dāng)θ超過(guò)40℃時(shí)，w(SiC)隨著溫度的升高而降低，這種現(xiàn)象是熱運(yùn)動(dòng)與微粒懸浮性能的反應(yīng)，當(dāng)溫度升高，離子運(yùn)動(dòng)加劇，離子的劇烈運(yùn)動(dòng)使得陰極對(duì)微粒的吸附能力降低，不利于微粒的共沉積。另外，溫度的升高，鍍液粘度下降，懸浮力變差，微粒下降到鍍槽底部。當(dāng)θ在40～45℃時(shí)，Ni-SiC復(fù)合鍍層均勻、細(xì)致，鍍層的性能檢測(cè)良好。溫度的升高，可以提高主鹽的溶解度，降低活化能，提高復(fù)合鍍層的沉積速度。當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，Ni-SiC復(fù)合鍍層的沉積速度過(guò)快，使得鍍層原子來(lái)不及均勻的排列在基體金屬的表面，造成結(jié)合力差。當(dāng)溫度過(guò)低時(shí)，主鹽的溶解度降低，沉積速度過(guò)慢，使得金屬原子很難在基體金屬表面沉積，很容易滑落，導(dǎo)致鍍層松散，繼而結(jié)合力不良。

圖4 鍍液溫度與w(SiC)的關(guān)系曲線

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，θ控制在40℃左右較為合理，在不影響鍍層性能的同時(shí)可以提高沉積速度，提高生產(chǎn)效率。

2.5 鍍液pH對(duì)鍍層中w(SiC)的影響

圖5 為改變鍍液的pH對(duì)鍍層中w(SiC)的影響。

圖5 鍍液的pH與w(SiC)的關(guān)系曲線

由圖5可以看出，隨著pH的升高，Ni-SiC復(fù)合鍍層中w(SiC)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)峰值，當(dāng)pH很低時(shí)，出現(xiàn)析氫嚴(yán)重，沉積速度較慢，此時(shí)鍍層里面的氣泡增多，鍍層的結(jié)合力差，鍍層中w(SiC)也偏小，當(dāng)pH到達(dá)一個(gè)比較合適的數(shù)值時(shí)，同時(shí)鍍層中w(SiC)也到達(dá)一個(gè)峰值。當(dāng)pH過(guò)高時(shí)，鍍層的沉積速度減慢，結(jié)合力差。綜合考慮pH選擇為4.2。

2.6 鍍液中SiC對(duì)鍍層中w(SiC)的影響

圖6 為改變鍍液中ρ(SiC)對(duì)鍍層中w(SiC)的影響。

圖6 鍍液中ρ(SiC)與w(SiC)關(guān)系曲線

由圖6可以看出，改變鍍液中ρ(SiC)，Ni-SiC復(fù)合鍍層中w(SiC)會(huì)出現(xiàn)先增加后降低。當(dāng)懸浮量在一定的范圍內(nèi)增加時(shí)，可以提高SiC與鍍層結(jié)合的幾率，從而使得鍍層中w(SiC)增大;當(dāng)繼續(xù)增大懸浮量時(shí)，雖然SiC與鍍層的結(jié)合幾率有所增加，但在機(jī)械攪拌時(shí)，微粒與微粒之間的接觸碰撞的幾率也增加，在陰極附近的SiC成功附著的概率降低，從而使得SiC在Ni-SiC復(fù)合鍍層的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低。綜合考慮選擇ρ(SiC)為20g/L。

2.7 鍍液中硫酸鈷對(duì)鍍層w(SiC)的影響

圖7 為添加硫酸鈷對(duì)鍍層w(SiC)的影響。

圖7 鍍液中ρ(硫酸鈷)與w(SiC)的影響

由圖7可以看出，隨著硫酸鈷質(zhì)量濃度的升高，Ni-SiC復(fù)合鍍層中w(SiC)有明顯的升高，作為一種共沉積的促進(jìn)劑，硫酸鈷能促進(jìn)SiC微粒與鎳基材的共沉積。但是當(dāng)ρ(硫酸鈷)在鍍液中超過(guò)30g/L時(shí)，所形成的Ni-SiC復(fù)合鍍層就有磁性，這對(duì)于某些工件是不允許的，所以在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)硫酸鈷的質(zhì)量濃度是有選擇的。

3 結(jié)論

1)Ni-SiC微粒復(fù)合鍍層電鍍中電流密度、溫度、pH、鍍液中ρ(SiC)、十二烷基硫酸鈉和硫酸鈷的質(zhì)量濃度均會(huì)影響鍍層的SiC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2)復(fù)合電鍍最佳工藝參數(shù)，θ為40℃，pH為4.2，鍍液中 20g/L SiC，0.1g/L 十二烷基硫酸鈉，硫酸鈷的質(zhì)量濃度應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要，選擇合適的參數(shù)。

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