NiP納米SiO2化學(xué)復(fù)合鍍層的制備

張麗偉, 宿　輝

(1. 中國電子科技集團公司 光電研究院, 天津　300000;

2. 黑龍江工程學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱　150050)

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張麗偉1, 宿輝2

(1. 中國電子科技集團公司 光電研究院, 天津300000;

2. 黑龍江工程學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱150050)

摘要:采用化學(xué)鍍方法在45鋼表面制備Ni-P-納米SiO2化學(xué)復(fù)合鍍層,較系統(tǒng)地研究了化學(xué)鍍液成分及施鍍溫度、pH值等參數(shù)對鍍層形成的影響,通過掃描電子顯微鏡(SEM)和能量色散光譜(EDS)分析了Ni-P-納米SiO2鍍層的形貌和成分.實驗結(jié)果表明:主鹽、 還原劑、絡(luò)合劑、溫度、pH 值對 Ni-P-納米SiO2鍍層的沉積速率有較大的影響, 實驗確定的最佳主鹽質(zhì)量濃度為25 g·L-1、還原劑質(zhì)量濃度為30 g·L-1、施鍍溫度為86 ℃、pH 值為4.5,所得鍍層均勻、致密.

關(guān)鍵詞:納米SiO2; 化學(xué)復(fù)合鍍; 鍍液; 鎳; 磷

金屬材料磨損會造成巨大的經(jīng)濟損失,采用特種金屬又帶來成本的增加,因此,材料表面技術(shù)應(yīng)運而生.化學(xué)復(fù)合鍍是近些年發(fā)展起來的一種環(huán)保、高效的材料表面處理技術(shù)[1-4],它在化學(xué)鍍的基礎(chǔ)上,將一種或幾種具有不溶性的固體顆粒與基質(zhì)金屬共沉積,以形成高質(zhì)量的復(fù)合鍍層.通過改變基質(zhì)金屬和分散顆?？色@得不同性能的表面鍍層[5-8].SiO2是一種強度高、耐磨、耐高溫的陶瓷材料,為提高普通Ni-P鍍層的硬度及使用壽命,本文選取納米SiO2為增強相,制備Ni-P-納米SiO2化學(xué)復(fù)合鍍層,并研究了化學(xué)鍍液組成及工藝條件等對鍍層形成速率的影響.

1實驗

1.1　試劑與材料

實驗使用的試劑主要有次亞磷酸鈉、硫酸鎳、酒石酸、醋酸、鹽酸,均為分析純;金屬試樣為10 mm×10 mm×10 mm的45鋼;所用納米SiO2平均粒度為30 nm.

1.2　復(fù)合鍍層的制備方法

(1) 試樣的前處理.

(2) 納米SiO2的預(yù)處理.

(3) 復(fù)合鍍層的制備.按實驗所需比例配制化學(xué)復(fù)合鍍液,稱取一定質(zhì)量的納米SiO2加入其中,攪拌均勻并加熱至規(guī)定溫度后,再把金屬試樣放入,進行施鍍.施鍍時間約為2 h.

1.3　測試儀器與方法

采用JSM-6400型掃描電子顯微鏡測定鍍層的形貌; 采用美國KYKY型能譜儀測定鍍層的成分; 采用重量法測定鍍層的形成速率, 用電子天平稱量試樣在施鍍前后的質(zhì)量, 按下式進行計算:

式中:v為沉積速率,μm·h-1;m1、m0分別為施鍍前后試樣的質(zhì)量,g;ρ為鍍層的密度,g·cm-3;A為試樣面積,cm2;t為施鍍時間,h;實驗取ρ=7.8 g·cm-3.

2結(jié)果與討論

2.1　鍍液配方的確定

2.1.1主鹽

鎳鹽是化學(xué)鍍液中常用的主鹽,起著提供沉積金屬離子的作用,目前常見的鎳鹽有硫酸鎳、氯化鎳、檸檬酸鎳等可溶性鹽.本實驗采用不易結(jié)塊,價廉易得的硫酸鎳為主鹽,其溶液質(zhì)量濃度分別取15、20、25、30g·L-1.圖1為鎳鹽濃度對鍍層形成速率的影響,由圖1可見,隨著硫酸鎳濃度的增加,鍍層形成速率加快,當(dāng)硫酸鎳的質(zhì)量濃度為25g·L-1時,沉積速率最大,之后下降.這是因為當(dāng)鍍液中鎳鹽的濃度過高時,鍍液的穩(wěn)定性也隨之下降,故本實驗選取硫酸鎳的質(zhì)量濃度為25g·L-1.

圖1　主鹽對沉積速率的影響

2.1.2還原劑

次亞磷酸鈉是目前最常使用的還原劑,其通過催化脫氫,為鍍層的形成提供活潑的氫原子,把Ni2+還原成金屬Ni,并使鍍層中含有P,形成Ni-P合金鍍層.實驗分別選用質(zhì)量濃度為20、25、30、35 g·L-1的次亞磷酸鈉,其對沉積速率的影響曲線如圖2所示,當(dāng)次亞磷酸鈉的質(zhì)量濃度提高時,沉積速率加快,當(dāng)次亞磷酸鈉的質(zhì)量濃度為30 g·L-1時,沉積速率最快,達33 μm·h-1.繼續(xù)增加次亞磷酸鈉的濃度,鍍液的穩(wěn)定性降低,易產(chǎn)生沉淀.所以本實驗所確定的還原劑質(zhì)量濃度為30 g·L-1.

圖2　還原劑質(zhì)量濃度對沉積速率的影響

2.1.3絡(luò)合劑

除了主鹽與還原劑以外,化學(xué)鍍鎳溶液中最重要的成分是絡(luò)合劑.絡(luò)合劑的作用主要有:①增加鍍液穩(wěn)定性、延長壽命;②提高沉積速率;③提高鍍液工作的pH值范圍.常用的絡(luò)合劑主要有蘋果酸、酒石酸、乳酸、檸檬酸及其鹽類.本實驗采用的絡(luò)合劑為酒石酸、乳酸復(fù)合絡(luò)合劑,配比為酒石酸20 g·L-1、乳酸10 mL·L-1.由圖3可見,隨著絡(luò)合劑含量的增加,沉降速率先增后減.

圖3　絡(luò)合劑體積分數(shù)對沉積速率的影響

2.2　施鍍條件的確定

2.2.1溫度

圖4為溫度對沉積速率的影響.如圖4所示,沉積速率隨著溫度升高而增加,達到極值后下降.這是因為,隨著溫度升高,鍍液中SiO2與基體表面的碰撞作用增強,使反應(yīng)速率加快,但如果溫度過高,鍍層疏松、多孔,且粒子在鍍件表面停留的時間縮短,鍍速逐漸降低.故實驗所選取的施鍍溫度為86 ℃.

圖4　溫度與沉積速率的關(guān)系

2.2.2pH值

鍍液pH值的影響主要表現(xiàn)在鍍速和鍍層中SiO2粒子的含量,如圖5和圖6所示.由圖5可見,隨pH值增大,沉積速率逐步提高,當(dāng)pH值為4.4時,速率最大,之后降低.這是因為鍍液pH值太低時反應(yīng)無法進行,隨著pH值提高,鍍層形成速率增加,如果鍍液pH值過高,亞磷酸鹽的溶解度降低,容易引起鍍液的自分解.

圖5　pH值與沉積速率的關(guān)系

圖6為pH值對鍍層中SiO2沉積量的影響.鍍層中SiO2的沉積量隨著鍍液pH值的增大,出現(xiàn)先增后降的趨勢.這是因為,pH值升高,單位時間內(nèi)Ni-P合金捕獲SiO2共沉積的概率增大.但當(dāng)溶液中的pH值超過4.6時,鍍液中容易生成亞磷酸鎳沉淀,降低了鍍液的穩(wěn)定性,從而降低了SiO2在鍍層中的含量.實驗確定的最佳pH值為4.5.

圖6　pH值與鍍層中粒子沉積量的關(guān)系

2.3　鍍層的形貌和成分

在實驗確定的反應(yīng)條件下,制備出Ni-P-納米SiO2化學(xué)復(fù)合鍍層,圖7、圖8分別為Ni-P-

圖7　Ni-P-SiO2鍍層的SEM

圖8　Ni-P-SiO2鍍層的EDS

納米SiO2化學(xué)復(fù)合鍍層的SEM照片和EDS譜.由掃描電子顯微鏡照片可見,金屬基體表面出現(xiàn)了較厚的沉積層,并彌散分布著二氧化硅顆粒,即Ni-P-納米SiO2鍍層致密、均勻;在能量色散光譜中,出現(xiàn)了明顯的鎳峰、磷峰、鐵峰和硅峰,其中鐵峰為基體材料,鎳峰、磷峰為鎳-磷合金鍍層,硅峰為二氧化硅顆粒.故由能量色散光譜可見,鍍層中沉積了較多的鎳、磷、硅.

3結(jié)論

論文研究了化學(xué)鍍液組成及工藝條件,對Ni-P-納米SiO2化學(xué)復(fù)合鍍層形成的影響,得出以下主要結(jié)論:

(1) 最佳施鍍條件為t=86 ℃,pH=4.5;

(2) 最佳鍍液配方為NiSO4·6H2O 25 g/L、NaH2PO2·H2O 30 g/L,絡(luò)合劑為酒石酸、乳酸復(fù)合絡(luò)合劑,適宜體積分數(shù)為30 mL·L-1;

(3) 所制備的Ni-P-納米SiO2化學(xué)復(fù)合鍍層表面組織均勻、致密.

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【責(zé)任編輯: 胡天慧】

Preparation of Ni-P-Nano SiO2Electroless Composite Coating

ZhangLiwei1,SuHui2

(1. Academy of Opto-Electronics, China Electronics Technology Group Corporation(AOE CETC),Tianjin 300000,China; 2. College of Materials and Chemical Engineering, Heilongjiang Institute of Technology, Harbin 150050,China)

Abstract:Ni-P-nano SiO2electroless composite coating was prepared on 45 steel by electroless method. The effects of plating solution formula, the temperature and pH value on the Ni-P-nano SiO2coating were studied systematically. The microstructure and composition of Ni-P-nano SiO2coating were analyzed by scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive spectrometer (EDS).The experimental results show that: the main salt, reducing agent, temperature, and pH value have great impact on deposition rate of the Ni-P-nano SiO2coating. It was confirmed that the optimum concentration of the main salt was 25 g·L-1, the mass concentration of the reducing agent was 30 g·L-1, the temperature was 86 ℃, and the pH value was 4.5. The prepared coating is uniform and compact.

Key words:nano-SiO2; electroless composite coating; plating solution; nickel; phosphorus

收稿日期:2015-01-16

中圖分類號:TG 174.44

文獻標志碼:A

作者簡介:張麗偉(1980-),女,遼寧錦州人,中國電子科技集團公司光電研究院工程師.

文章編號:2095-5456(2015)02-0104-04