鍍液成分對(duì)鍍液性能和鍍層質(zhì)量的影響

方莉俐， 程丙良， 吳曉雷， 喬 磊

(中原工學(xué)院， 鄭州 450007)

人造金剛石具有硬度高、耐磨損、耐腐蝕的優(yōu)良性能，可制作成用于切割、磨削、鉆探的金剛石工具；同時(shí)，它存在加熱易氧化、石墨化，與大多數(shù)金屬、合金、結(jié)合劑之間有著高界面能等缺點(diǎn)，在實(shí)際使用過程中易脫落流失，導(dǎo)致金剛石工具的使用壽命短，加工效率低[1]。采用電鍍方法可以在金剛石顆粒表面鍍覆一層金屬薄膜，以減少高溫環(huán)境下金剛石顆粒的熱損傷，增強(qiáng)其與基體間的結(jié)合力，減少金剛石脫落，從而提高金剛石顆粒的利用率和金剛石工具的加工效率，延長(zhǎng)其制品的使用壽命[2-3]。

在金剛石顆粒表面鍍覆和金剛石-鎳復(fù)合電鍍中，電鍍液的成分對(duì)鍍液性能和鍍層質(zhì)量影響很大。由于金剛石顆粒太小，鍍層品質(zhì)檢測(cè)困難，而用銅片替代金剛石，即在銅片上鍍鎳，探究電鍍液成分對(duì)鍍液性能和鍍層質(zhì)量的影響，可以達(dá)到與金剛石表面鍍覆鎳的相似效果且便于檢測(cè)，所以用銅片代替金剛石進(jìn)行電鍍。本文以使用最廣泛的瓦特鍍鎳液為基礎(chǔ)，加入一定量的十二烷基硫酸鈉，在銅片上鍍鎳。由于電鍍過程中存在強(qiáng)制對(duì)流，使得電鍍情況復(fù)雜化，因此，本文只探究在自然對(duì)流下電鍍液成分對(duì)鍍液性能和鍍層質(zhì)量的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)工藝流程為：基底除油污→水洗→干燥→稱重→入槽電鍍→水洗→干燥→稱重→性能檢測(cè)。

實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)如下：溫度25 ℃，陰極電流密度1 A/dm2，陰陽(yáng)極面積比為1.5∶1，電鍍時(shí)間2 h，實(shí)驗(yàn)電源為RXN-3010D型直流穩(wěn)壓電源(深圳市兆信電子儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn))。

為探究電鍍液中各成分的濃度變化對(duì)鍍液性能的影響，設(shè)計(jì)四因素四水平正交試驗(yàn)表。各因素水平如表1所示(表中硫酸鎳、氯化鎳為六水合硫酸鎳、六水合氯化鎳)。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表

將測(cè)得的各性能的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為隸屬度，采用綜合評(píng)分法分析數(shù)據(jù)[4]。隸屬度的計(jì)算方法為：

由于陰極增重、表面粗糙度、沉積電位、自腐蝕電位和自腐蝕電流密度等5個(gè)指標(biāo)對(duì)于鍍層性能都很重要，所以各指標(biāo)所占比重皆取為0.2。鍍層的表面粗糙度和自腐蝕電流密度越小，鍍液的沉積電位越負(fù)，鍍液的性能就越好。為了方便起見，在計(jì)算綜合評(píng)分時(shí)將這3項(xiàng)指標(biāo)的隸屬度換為：1-各自的隸屬度[5]。綜合評(píng)分的計(jì)算方法為：

綜合評(píng)分=[陰極增重隸屬度+(1-表面粗糙度隸屬度)+(1-沉積電位隸屬度)+自腐蝕電位隸屬度+(1-自腐蝕電流密度隸屬度)]×0.2

1.2 性能檢測(cè)

用FA2004型電子天平(上海佑科儀器儀表有限公司生產(chǎn))稱重；用XJZ-A3型金相顯微鏡(舜宇光學(xué)科技有限公司生產(chǎn))觀察鍍層的微觀形貌；用TR100袖珍式表面粗糙度測(cè)量?jī)x(北京時(shí)代之風(fēng)科技有限公司生產(chǎn))測(cè)量鍍層的表面粗糙度；以待鍍片作為工作電極，鉑電極作為對(duì)電極，飽和甘汞電極作為參比電極組成三電極系統(tǒng)，采用CHI660E電化學(xué)工作站(上海辰華儀器有限公司生產(chǎn))分別測(cè)得各組的陰極極化曲線以得到沉積電位；以實(shí)驗(yàn)所得鍍片作為工作電極，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5% 的氯化鈉溶液中測(cè)得1 cm2鍍層的Tafel曲線以得到鍍層的自腐蝕電位和自腐蝕電流密度。

2 結(jié)果與分析

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

正交試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)見表2，極差分析結(jié)果見表3，綜合評(píng)分結(jié)果見表4。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

表3 正交試驗(yàn)極差結(jié)果

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

由表3可知，對(duì)鍍層陰極增重影響最大的為硼酸，對(duì)鍍層表面粗糙度、沉積電位、自腐蝕電位和自腐蝕電流密度影響最大的為氯化鎳。由表4可知，對(duì)鍍層綜合性能影響程度由大到小依次為：硼酸>氯化鎳>十二烷基硫酸鈉>硫酸鎳。鍍液成分的最優(yōu)配比為：NiSO4·6H2O 250 g/L，NiCl2·6H2O 40 g/L，H3BO320 g/L，SDS 0.05 g/L。

2.2 鍍層形貌

電鍍后直接觀察各鍍片的形貌，各鍍片鍍層方向有不同程度的彎曲(如圖1所示)，這是鍍層拉應(yīng)力作用的結(jié)果。圖2所示為50倍率下鍍片上麻點(diǎn)的金相圖。在16組鍍片中，只有1、6、7、11、12、14、16號(hào)鍍片出現(xiàn)麻點(diǎn)。其中，1、7、12、14號(hào)鍍片出現(xiàn)麻點(diǎn)是因?yàn)殄円褐形刺砑邮榛蛩徕c，而十二烷基硫酸鈉作為鍍液中的潤(rùn)濕劑，起到減少或消除麻點(diǎn)的作用[6]。6、11、16號(hào)鍍液中雖然添加有十二烷基硫酸鈉，但是硼酸的含量較少，而硼酸作為穩(wěn)定劑在電鍍液中起到很重要的作用。用控制變量法改變硼酸的濃度，補(bǔ)做17號(hào)實(shí)驗(yàn)(實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5)。對(duì)比表5中2號(hào)(2號(hào)鍍片無麻點(diǎn)，且硼酸和十二烷基硫酸鈉的含量較少)和17號(hào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，盡管鍍液中加入了十二烷基硫酸鈉，但當(dāng)硼酸含量偏低時(shí)，鍍層上依然會(huì)出現(xiàn)麻點(diǎn)。所以，鍍層出現(xiàn)麻點(diǎn)是十二烷基硫酸鈉和硼酸共同作用的結(jié)果，鍍液中十二烷基硫酸鈉和硼酸的含量較低時(shí)，靜置電鍍就會(huì)產(chǎn)生麻點(diǎn)。

圖1 鍍層彎折

圖2 鍍層麻點(diǎn)金相圖(×50)

表5 2號(hào)和17號(hào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3 陰極增重

鍍液首次使用和重復(fù)使用后的陰極增重情況如圖3所示，兩次陰極增重的極差結(jié)果如表6所示(鍍液第一次使用所得樣品的陰極增重用M表示，鍍液重復(fù)使用所得樣品的陰極增重用m表示)。

圖3 鍍液第一次使用和重復(fù)使用的陰極增重情況

表6 陰極增重極差結(jié)果

由圖3可知，鍍液重復(fù)使用后，陰極增重有所增加。這是由于十二烷基硫酸鈉作為一種表面活性劑，在電鍍過程中會(huì)吸附在鍍層表面上，有些還未來得及脫附鍍層的十二烷基硫酸鈉會(huì)以整個(gè)分子進(jìn)入鍍層之中；而靜置狀態(tài)下的鍍液加劇了這種情況，造成鍍液多次使用后，陰極增重有所增加[7]。

由表6可知，對(duì)鍍層陰極增重影響最大的為硼酸，這是因?yàn)榕鹚嶙鳛榫彌_劑，在鍍液中起穩(wěn)定pH值的緩沖作用。而實(shí)驗(yàn)中電鍍液處于靜置狀態(tài)，僅存在自然對(duì)流，硼酸無法有效地起到穩(wěn)定鍍液pH的作用，造成鍍層麻點(diǎn)增加，加劇了十二烷基硫酸鈉分子進(jìn)入到鍍層中，使鍍層增重增加。

2.4 鍍液的不同位置對(duì)鍍層耐腐蝕性能的影響

鍍片與鍍槽側(cè)面的面積相同，近似認(rèn)為鍍液的不同位置對(duì)鍍層耐腐蝕性能的影響體現(xiàn)在鍍片的相應(yīng)位置上。在同一鍍片的邊緣和中間位置由下往上各取部分鍍層，編號(hào)為1-6(如圖4所示)，分別測(cè)得鍍層不同位置的自腐蝕電位和自腐蝕電流密度。圖5和圖6為鍍液的不同位置對(duì)鍍層自腐蝕電位和自腐蝕電流密度的影響。

圖4 鍍層所取測(cè)試位置

由圖5和圖6可知，鍍層中間位置的自腐蝕電位會(huì)比邊緣處較正一些，自腐蝕電流密度會(huì)比邊緣處較小一些，鍍層中間位置的耐腐蝕性能較好一些。這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)時(shí)電鍍液為靜置狀態(tài)，僅存在自然對(duì)流，鍍液中各位置各成分的濃度不均衡。由表3可知，對(duì)自腐蝕電位和自腐蝕電流密度影響最大的為氯化鎳。所以，造成鍍層各位置的自腐蝕電位和自腐蝕電流密度不同的主要原因是鍍液中各位置的氯化鎳濃度不均衡。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文以瓦特鍍鎳液為基礎(chǔ)，加入一定量的十二烷基硫酸鈉，在銅片上鍍鎳，探究自然對(duì)流下電鍍液成分對(duì)鍍液性能和鍍層質(zhì)量的影響。結(jié)論如下：

(1)未加外界攪拌時(shí)，對(duì)鍍層陰極增重影響最大的為硼酸，對(duì)鍍層表面粗糙度、沉積電位、自腐蝕電位和自腐蝕電流密度影響最大的為氯化鎳。綜合考慮各項(xiàng)指標(biāo)，金剛石-鎳復(fù)合電鍍鍍液的最優(yōu)配比為：NiSO4·6H2O 250 g/L，NiCl2·6H2O 40 g/L，H3BO320 g/L，SDS 0.05 g/L。

(2)鍍層出現(xiàn)麻點(diǎn)是十二烷基硫酸鈉和硼酸共同作用的結(jié)果，鍍液中十二烷基硫酸鈉和硼酸的含量較低時(shí)，鍍層會(huì)出現(xiàn)麻點(diǎn)。

(3)僅考慮自然對(duì)流時(shí)，鍍液的重復(fù)使用會(huì)加劇十二烷基硫酸鈉分子進(jìn)入鍍層之中，導(dǎo)致陰極增重有所增加；鍍液中氯化鎳的濃度不勻會(huì)造成鍍層各位置的耐腐蝕性能不一致，鍍層中間位置的耐腐蝕性能會(huì)比邊緣處好一些。

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