鎳基SiC納米微粒復(fù)合電鍍研究

王永麗，于 杰

(1.廣東食品藥品職業(yè)學(xué)院化妝品系，廣東廣州 510640;2.華南理工大學(xué)應(yīng)用化學(xué)系，廣東廣州 510640)

引 言

最早出現(xiàn)且應(yīng)用很廣的鍍鎳工藝為瓦特鍍鎳液，在瓦特鍍液中加入第二相固體微粒進(jìn)行復(fù)合電鍍，可得到具有更好的耐磨、耐腐蝕性等特殊功能的復(fù)合鍍層。20世紀(jì)90年代后納米微粒的出現(xiàn)，為復(fù)合電鍍獲得具有特殊功能的復(fù)合鍍層提供了前所未有的機(jī)遇。以 Ni、Zn、Cr、Ni-P等為底層，以DNP(納米金剛石)、SiC、Al2O3或石墨等微粒形成的復(fù)合鍍層，具有優(yōu)良的理學(xué)性能和耐腐蝕性能。如果將硬度為2500HV的碳化硅微粒和金屬鎳復(fù)合，得到的 Ni-SiC復(fù)合鍍層硬度可達(dá)到600～700HV［1］。龔海華等［2-3］報(bào)道了脈沖電鍍 Ni-SiC 納米復(fù)合鍍層的性能，鍍層的耐磨性是純鎳鍍層的4倍以上，耐腐蝕性比純鎳鍍層提高5倍以上，孔隙率明顯低于純鎳鍍層。程森等［4］在A3鋼板上制備微米和納米SiC兩種復(fù)合鍍層的研究表明，SiC微粒在鍍層中分布均勻，SiC復(fù)合鍍層的硬度是純鎳層的3倍;微米SiC復(fù)合鍍層的彈性模量比純鎳鍍層提高了近5倍，而納米SiC復(fù)合鍍層則提高了15倍以上;SiC微粒的加入能夠有效阻止鍍層表面發(fā)生變形，納米SiC微粒的作用更明顯;復(fù)合鍍層的耐磨性能與普通鎳鍍層相比有較大幅度的提高，在油潤(rùn)滑條件下磨損體積為普通鎳鍍層的1/8。這一研究把Ni-SiC微粒復(fù)合鍍層應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)提供了理論基礎(chǔ)［5］。

本論文以鎳鍍層中納米微粒復(fù)合量為參考標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)正交試驗(yàn)，考察了ρ(SiC)、Jκ、pH和攪拌強(qiáng)度四個(gè)因素對(duì)Ni-SiC納米微粒復(fù)合鍍層中SiC復(fù)合量的影響，發(fā)現(xiàn)鍍液中的SiC微粒質(zhì)量濃度對(duì)復(fù)合量影響最大。并根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果得出了最佳的工藝條件。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及鍍液配制

實(shí)驗(yàn)采用赫爾槽試驗(yàn)，并模擬工廠中的電鍍?cè)O(shè)備，設(shè)計(jì)出容積為250mL的小型電鍍工藝試驗(yàn)裝置。通過(guò)空氣攪拌使微粒分散，空氣流量采用轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量。

1.2 赫爾槽試驗(yàn)步驟

1)取鍍液250mL，加入赫爾槽中。

2)放入已洗凈的2mm厚的鎳板作為陽(yáng)極，按下通氣按鈕，用溫度計(jì)控溫，加熱鍍液到50℃。

3)待鍍液溫度達(dá)到所需值后，接好電路，放入陰極(10cm×6cm×0.5mm的黃銅片)。

4)打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)電流旋鈕使電流為所需值，進(jìn)行電鍍。

5)將試片洗凈并吹干，進(jìn)行分析檢查。

6)將赫爾槽試驗(yàn)得到的結(jié)果進(jìn)一步在模擬電鍍工藝試驗(yàn)槽中進(jìn)行驗(yàn)證，確定最佳工藝條件。

1.3 Ni-SiC納米微粒復(fù)合鍍液組成

Ni-SiC納米微粒復(fù)合鍍液組成為:280g/L硫酸鎳，50g/L氯化鎳，45g/L硼酸，5～30g/L SiC納米微粒和適量添加劑。

1.4 電鍍工藝流程

電鍍工藝流程為:除油→水洗→酸洗→水洗→電鍍→水洗→干燥。

1.5 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取SiC納米微粒質(zhì)量濃度、陰極電流密度、鍍液pH和空氣流量作為正交試驗(yàn)的四個(gè)因素，每個(gè)因素取3個(gè)水平，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為鍍層中SiC納米微粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)(即復(fù)合量)。該正交試驗(yàn)的因素水平表見(jiàn)表1，可選用L9(34)正交表。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表

1.6 鍍層中納米微粒復(fù)合量的測(cè)定

采用 INC300型掃描電鏡儀(英國(guó)牛津 OXFORD公司)對(duì)鍍層表面形貌進(jìn)行分析，采用能譜儀測(cè)定鍍層中Si元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

表2 為正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)及其結(jié)果。由表2可看到，SiC納米微粒質(zhì)量濃度、電流密度、pH和空氣流量四個(gè)影響因素的極差分別為 5.84、0.78、1.56 和1.40。表明對(duì)Ni-SiC納米微粒復(fù)合鍍層中SiC復(fù)合量影響最大的因素是鍍液中的SiC微粒，隨鍍液中SiC微粒的增加，鍍層中SiC復(fù)合量先增加，后下降。其它因素雖也有一定影響，但影響程度較小。

表2 正交試驗(yàn)表L9(34)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

以鍍層中w(SiC)復(fù)合量為參考標(biāo)準(zhǔn)，從正交試驗(yàn)結(jié)果可得出，最佳工藝條件為15g/L SiC納米微粒;Jκ為 3A/dm2;pH 為 4.5;空氣攪拌流量為0.3m3/h。

2.2 鍍層掃描電鏡和能譜分析

2.2.1 鍍層掃描電鏡分析

圖1 為Ni-SiC納米微粒復(fù)合鍍層表面形貌照片。圖1中(a)、(b)和(c)分別為正交試驗(yàn)中1號(hào)、9號(hào)和5號(hào)試驗(yàn)得到的復(fù)合鍍層截面的掃描電鏡照片，圖1中黑點(diǎn)已通過(guò)能譜分析證明為SiC微粒。從圖1可見(jiàn)，納米微粒在鍍層中的分布比較均勻，并隨ρ(SiC)的增加而增加。雖然較大顆粒的粒徑已達(dá)幾百個(gè)納米，發(fā)生了幾倍團(tuán)聚，但還是比較理想的。

圖1 Ni-SiC納米復(fù)合鍍層截面形貌照片

圖2 中(a)、(b)和(c)分別為正交試驗(yàn)中1號(hào)、9號(hào)和5號(hào)Ni-SiC納米復(fù)合鍍層表面掃描電鏡照片?？梢?jiàn)，復(fù)合鍍層中SiC微粒的多寡使得復(fù)合鍍層表面形貌發(fā)生了很大變化。圖2(a)中SiC微粒很少，因此鍍層形貌多呈現(xiàn)Watts基礎(chǔ)鎳的棱形結(jié)構(gòu);而圖2(c)中SiC微粒復(fù)合量最高，幾乎看不到Watts基礎(chǔ)鎳的原始結(jié)構(gòu)。

圖2 Ni-SiC納米復(fù)合鍍層表面形貌照片

2.2.2 鍍層能譜分析

圖3 為Ni-SiC納米復(fù)合鍍層能譜分析譜圖。圖3中(a)、(b)和(c)分別為正交試驗(yàn)1、9和5號(hào)試樣得到的Ni-SiC納米復(fù)合鍍層的截面能譜圖。從圖3中可看到，Si的峰依次增高，復(fù)合鍍層中Si的量依次增加，這證實(shí)了正交試驗(yàn)的結(jié)果。

圖3 1、9和5號(hào)試片鍍層的截面能譜圖

選取正交試驗(yàn)5號(hào)試片得到的Ni-SiC納米復(fù)合鍍層中的黑點(diǎn)做能譜分析，如圖4表明黑點(diǎn)處的Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到42.2%，可證明圖2中黑點(diǎn)即為SiC形成的圖像。

圖4 5號(hào)鍍片截面上黑點(diǎn)處的能譜圖

3 結(jié)論

1)以鍍層中SiC納米微粒復(fù)合量為參考標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)正交試驗(yàn)，考察了SiC納米微粒質(zhì)量濃度、電流密度、pH和攪拌空氣流量四個(gè)因素對(duì)Ni-SiC納米復(fù)合鍍層SiC復(fù)合量的影響，發(fā)現(xiàn)鍍液中的SiC微粒質(zhì)量濃度對(duì)復(fù)合量影響最大。根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果得出最佳的工藝條件為:ρ(SiC納米微粒)為15g/L，Jκ為3A/dm2，pH 為4.5 及攪拌空氣流量為0.3m3/h。

2)在最佳工藝條件下，對(duì)鍍層進(jìn)行了掃描電鏡和能譜分析，驗(yàn)證了正交試驗(yàn)的結(jié)果。Ni-SiC納米復(fù)合鍍層能譜分析表明，黑點(diǎn)即為SiC，而鍍層截面的掃描電鏡照片表明，納米微粒在鍍層中均勻分布;鍍層表面的掃描電鏡照片表明，溶液中SiC微粒的質(zhì)量濃度可影響Ni-SiC納米復(fù)合鍍層的表面形貌。

［1］白曉軍.耐磨Ni/SiC復(fù)合鍍層的研制及應(yīng)用［J］.表面技術(shù)，1994，23(4):151-153.

［2］龔海華，靳惠明，張?bào)K群，等.脈沖電鍍Ni-SiC納米復(fù)合鍍層性能研究［J］.化學(xué)工程與裝備，2011，40(1):32-33.

［3］郭崇武.納米復(fù)合鍍層的研究歷程［J］.電鍍與精飾，2012，34(6):25-29.

［4］程森，王昆林，趙高敏.Ni-SiC復(fù)合鍍層組織和性能的研究［J］.表面技術(shù)，2002，31(4):1-4.

［5］Wun-Hsing Lee，Sen-Cheh Tang，Kung-Cheng Chung.Effect of direct current and pulse-plating on the co-deposition of nickel and nanomemter diamond power［J］.Surface and Coating Technology，1999，120-121:607-611.