Ni-B4C復(fù)合涂層制備工藝及性能的研究

徐興莉

（甘肅有色冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院 冶金與材料工程系，甘肅 金昌 737100）

0 引言

復(fù)合鍍層是以一種金屬為基體，通過電沉積或化學(xué)鍍方法將惰性固體微粒夾雜在金屬鍍層中獲得的鍍層，因其具有許多金屬及合金所不具備的性能，如具有較高的硬度、耐磨性、自潤滑性、特殊的裝飾外觀以及電接觸、電催化等功能，從而擴(kuò)大了復(fù)合材料的應(yīng)用范圍及使用壽命，在工程技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用，已發(fā)展成為復(fù)合材料中的一個(gè)重要的組成部分，與熱加工制備復(fù)合材料相比，以電沉積方法獲得的復(fù)合鍍層能在一定程度上更易于控制材料組成和性能[1]。復(fù)合電鍍已被認(rèn)為是當(dāng)前解決高溫耐腐蝕、高溫強(qiáng)度以及某些特殊情況下磨損等問題的一種很有前途的方法，是制取復(fù)合材料的一種先進(jìn)方法[2]。由于鎳基復(fù)合鍍層具有很好的高溫耐磨性能，且在較高壓力及速度的工作條件以及錘擊或沖擊力作用下，鎳基復(fù)合鍍層都表現(xiàn)出優(yōu)良的綜合性能。因此，研究并找到一種制備Ni- B4C 復(fù)合涂層的方法，使其既節(jié)能有利于環(huán)保，同時(shí)能適用于各種不同類型金屬表面鍍層要求的電鍍工藝，將具有廣闊的市場效益和發(fā)展前景[3]。

1 研究和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.1 研究內(nèi)容

（1）通過電鍍方法獲得了Ni-B4C 復(fù)合鍍層，采用正交試驗(yàn)確定了Ni-B4C 復(fù)合鍍層的最佳配方和工藝。

（2）研究了鍍液中B4C 含量對Ni-B4C 復(fù)合鍍層的顯微硬度、高溫抗氧化性能和耐蝕性能的影響。

1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

（1）實(shí)驗(yàn)材料：陽極為（40×15×10）mm 的純鎳板；陰極為（20×15×5）mm 的Q235 鋼。

（2）實(shí)驗(yàn)儀器：整流器、恒溫磁力攪拌器，恒溫水浴鍋、電子天平、顯微鏡、涂層測厚儀，PH 試紙，量筒，棉線，玻璃棒等。

（3）實(shí)驗(yàn)工藝流程圖，見圖1。

（4）小槽實(shí)驗(yàn)。

圖1 實(shí)驗(yàn)工藝流程

本實(shí)驗(yàn)中采用250mL 燒杯為電解槽，陽極材料為純鎳板，陰極為Q235 鋼片，陰陽極比例為1:2，極間距30 mm，電源采用直流穩(wěn)壓電源，溫度和速度由恒溫磁力攪拌器控制。采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，通過改變表面活性劑類型、加入量、pH 值、電流密度攪拌等工藝參數(shù)來觀察工藝條件對復(fù)合鍍層的影響[4]，最終確定了復(fù)合鍍層的最佳鍍液組成以及工藝參數(shù)，如表1 所示。

（5）鍍層的性能檢測：①涂層厚度的測試，用涂層測厚儀測量涂層的厚度，可目視檢查表面的光潔度和平整度，表面有無斑點(diǎn)、裂紋等缺陷；②涂層顯微硬度測試，在維氏硬度計(jì)上測定涂層的維氏硬度，工作條件為：載荷200g，加載時(shí)間為15s；③涂層抗氧化性評價(jià)，將電鍍純鎳和鍍液中B4C 含量為5g/L、10g/L、15g/L、20g/L、25g/L 的電鍍Ni-B4C 復(fù)合涂層的試樣，放入馬弗爐中，在650℃保溫6h，隨爐冷卻后取出后測定各試樣增重△G，并換算為單位面積單位時(shí)間的氧化增重；④涂層腐蝕性能表征。

表1 鍍液組成及工藝參數(shù)

腐蝕實(shí)驗(yàn)采用腐蝕失重的方法，將不同B4C 含量的試樣在10%H2SO4溶液浸泡60 小時(shí)，每12 小時(shí)稱重一次。根據(jù)腐蝕前后單位試樣表面的重量差，來確定涂層的耐蝕性。

2 結(jié)果分析

2.1 B4C 含量對涂層厚度及沉積速率的影響

表2 為Ni-B4C 復(fù)合涂層厚度與沉積速率的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)表明，隨著鍍液中B4C 含量的增加，復(fù)合涂層的厚度和沉積速率都在增加，涂層的沉積速率一般為13μm/h～20μm/h。

表2 涂層厚度與沉積速率

2.2 B4C 含量對涂層顯微硬度的影響

圖2 為鍍液中B4C 含量與涂層硬度的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)表明，隨著B4C 顆粒加入量的增加，鍍層的顯微硬度明顯增加，鍍層中B4C 含量越大，鍍層的硬度就越大。其原因主要一是當(dāng)涂層中B4C 含量增多時(shí)，彌散強(qiáng)化作用增強(qiáng)，因而其強(qiáng)度、硬度相應(yīng)增加；二是在基質(zhì)金屬鎳與B4C 等微粒共沉積時(shí)，在晶粒沉積生長過程中，會使晶體內(nèi)的位錯密度增加，因而使涂層得以強(qiáng)化[5]。

2.3 B4C 含量對涂層高溫抗氧化性的影響

圖2 鍍液中B4C 含量與涂層硬度的關(guān)系

圖3 為不同B4C 含量的Ni-B4C 復(fù)合涂層的高溫抗氧化性實(shí)驗(yàn)圖，其實(shí)驗(yàn)條件為純鎳涂層和B4C含量為5g/L、10g/L、15g/L、20g/L、25g/L 時(shí)的試樣，在650℃下分別保溫6 小時(shí)，各試樣的氧化性遞增曲線。實(shí)驗(yàn)表明，在復(fù)合電沉積過程中隨著鍍液中B4C顆粒的增加，復(fù)合涂層的氧化速率顯著降低，即其抗氧化性明顯增加。這是因?yàn)槲⒓?xì)的B4C 顆粒彌散分布在Ni 基體表面上，使得Ni 基體與氧化介質(zhì)接觸有效面積減少，從而氧化增重顯著降低[6]。

圖3 不同B4C 含量的Ni-B4C 復(fù)合涂層的高溫抗氧化性

2.4 B4C 含量對涂層耐蝕性的影響

將試樣的失重量，轉(zhuǎn)化為單位面積單位時(shí)間的失重量，即腐蝕速率。如圖4 所示，曲線B、C、D、E、F、G 分別為電鍍純鎳和鍍液中B4C 含量為5g/L、10g/L、15g/L、20g/L、25g/L 的涂層隨時(shí)間變化的腐蝕曲線。由圖可見，隨著鍍液中B4C 顆粒的增加復(fù)合鍍層的腐蝕速率增加，即復(fù)合涂層的抗腐蝕性降低了。由于B4C 顆粒粒徑和表面狀態(tài)不同，顆粒表面與Ni 交界處存在晶界、位錯，使得涂層浸在腐蝕介質(zhì)中時(shí)涂層各處的電位不相同，產(chǎn)生微電池作用即晶間腐蝕，所以復(fù)合鍍層耐蝕性降低[7]。

圖4 不同B4C 含量的Ni-B4C 復(fù)合涂層的耐蝕性

3 結(jié)論

（1）通過電鍍方法獲得了Ni-B4C 復(fù)合鍍層，根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)確定了Ni-B4C 復(fù)合鍍層的最佳配方和工藝，詳見表1。

（2）電鍍Ni-B4C 復(fù)合鍍層試驗(yàn)中，隨著B4C 顆粒加入量的增加，鍍層的顯微硬度明顯增加，鍍層中B4C 含量越大，鍍層的硬度就越大。

（3）電鍍Ni-B4C 復(fù)合鍍層試驗(yàn)中，B4C 微粒加入到電鍍Ni 復(fù)合鍍層中可顯著地提高其抗氧化性。

（4）B4C 微粒加入到電鍍Ni 復(fù)合鍍層中可降低鍍層的耐腐蝕性。

[1]郭鶴桐，張三元. 復(fù)合鍍層[M]. 天津: 天津大學(xué)出版社，2002.

[2]李衛(wèi)東，等. 電沉積復(fù)合鍍層的研究現(xiàn)狀[J].電鍍與涂飾，2000，5.

[3]張愛玲.Ni -ZrO2復(fù)合電鍍工藝[J].電鍍與環(huán)保，1996，2.

[4]彭群家，等. Ni-ZrO2復(fù)合電沉積機(jī)理的研究[J].電化學(xué)，1999，1.