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官方微信摘要 引言納米復合鍍層所表現出的諸多優異性能已使納米復合鍍技術迅速成為電鍍技術發展的又一熱點[1]。目前,已經開發出各種納米結構的耐磨減摩、裝飾防護、耐高溫以及電子復合鍍層[2]。利用炸...
引言
納米復合鍍層所表現出的諸多優異性能已使納米復合鍍技術迅速成為電鍍技術發展的又一熱點[1]。目前,已經開發出各種納米結構的耐磨減摩、裝飾防護、耐高溫以及電子復合鍍層[2]。利用炸藥爆炸法合成的納米金剛石是目前所有方法中得到的最細的金剛石超粉，它不僅具有金剛石固有的高硬度、高耐磨特性，而且具有比表面積大、量子尺寸等特殊效應，金剛石和納米顆粒的雙重特性，使其在制備功能性納米復合鍍層中顯示出廣闊的應用前景[3]。采用普通瓦特鍍液，添加納米金剛石微粉制備了鎳基納米復合鍍層，考察了工藝參數對復合鍍層硬度的影響，得到了納米金剛石復合共沉積的最佳工藝條件。
1試驗部分
(1)復合電鍍工藝流程：45鋼→打磨、拋光→超聲波除油→活化處理(表面強活化和弱活化)→納米復合電鍍→鍍后處理。
(2)復合(he)鍍(du)(du)液(ye)以普(pu)通瓦特型光亮鍍(du)(du)鎳液(ye)為基礎液(ye)，納米金(jin)剛石添加量為10g/L;鍍(du)(du)液(ye)溫度(du)45℃，電(dian)流密度(du)1~6A/dm2，pH=2~6，攪(jiao)拌(ban)方式為磁(ci)力攪(jiao)拌(ban)。電(dian)鍍(du)(du)前(qian)將(jiang)納米金(jin)剛石粉與適量的有機分(fen)散劑混合(he)后(hou)加入鍍(du)(du)液(ye)，經(jing)超(chao)聲波(bo)分(fen)散一(yi)定時間(jian)后(hou)，開始復合(he)電(dian)鍍(du)(du)。
(3)采用(yong)MV-5-VM型顯(xian)微(wei)硬度(du)儀(yi)測定復(fu)合(he)(he)鍍(du)層的(de)顯(xian)微(wei)硬度(du)，用(yong)來(lai)判斷納米(mi)金剛(gang)石顆粒對復(fu)合(he)(he)鍍(du)層的(de)強(qiang)化效果。用(yong)光(guang)學顯(xian)微(wei)鏡和JSM-5600LV型掃描電子顯(xian)微(wei)鏡對鍍(du)層的(de)表面形貌進行觀察。采用(yong)WS-97型自動(dong)劃(hua)痕儀(yi)對納米(mi)復(fu)合(he)(he)鍍(du)層與底材的(de)結合(he)(he)強(qiang)度(du)進行了測試。以鍍(du)層剝落(luo)時的(de)最小臨界載荷Lc作為鍍(du)層結合(he)(he)強(qiang)度(du)的(de)度(du)量。
2結果與討論
2.1工(gong)藝(yi)參數對復(fu)合鍍層(ceng)硬度(du)的影響
2.1.1陰極電流密度的影響
隨著陰極電流密度的增加，納米復合鍍層的硬度呈現出先緩慢增大后急劇減小的趨勢，當電流密度大于5A/dm2后，復合(he)鍍(du)層的硬度幾乎與純(chun)鎳(nie)鍍(du)層硬度相當。原因是隨著(zhu)陰極(ji)電流密度的增(zeng)(zeng)大，金(jin)(jin)屬鎳(nie)對(dui)(dui)納米金(jin)(jin)剛石(shi)顆粒的包裹能力(li)增(zeng)(zeng)強，同時(shi)電沉(chen)積(ji)過程中(zhong)的電場力(li)增(zeng)(zeng)強，即陰極(ji)對(dui)(dui)吸附(fu)著(zhu)少量正離(li)子的納米金(jin)(jin)剛石(shi)的靜(jing)電引力(li)增(zeng)(zeng)強，對(dui)(dui)金(jin)(jin)剛石(shi)和基(ji)質金(jin)(jin)屬鎳(nie)的共沉(chen)積(ji)有一定的促進作用。
當電流密度繼續提高時，鎳的沉積速度將會顯著加快。然而,納米(mi)金(jin)(jin)剛(gang)石被輸送到陰極附近并被嵌(qian)入鍍(du)層(ceng)中的(de)速(su)度(du)，隨電(dian)流(liu)密(mi)度(du)而增大(da)(da)的(de)速(su)度(du)，常(chang)趕不上基質鎳沉(chen)積(ji)(ji)速(su)度(du)的(de)提(ti)高(gao)[4],所以當陰極電(dian)流(liu)密(mi)度(du)太大(da)(da)時(shi)，金(jin)(jin)剛(gang)石沉(chen)積(ji)(ji)量(liang)反而減少，復合鍍(du)層(ceng)的(de)硬度(du)自然下降(jiang)。同時(shi)電(dian)流(liu)密(mi)度(du)過大(da)(da)時(shi)，陰極表(biao)面(mian)(mian)析氫加(jia)劇，阻礙了(le)納米(mi)金(jin)(jin)剛(gang)石與陰極表(biao)面(mian)(mian)的(de)吸(xi)附。這(zhe)也說明金(jin)(jin)剛(gang)石顆(ke)粒(li)到達(da)陰極表(biao)面(mian)(mian)并不是主要靠電(dian)場力的(de)作(zuo)用。綜合其(qi)他復合鍍(du)工藝[5]發現，與微米(mi)級顆(ke)粒(li)相比，對于納米(mi)顆(ke)粒(li)的(de)共沉(chen)積(ji)(ji)，最優化的(de)施鍍(du)電(dian)流(liu)密(mi)度(du)大(da)(da)幅下降(jiang)，這(zhe)可能(neng)是由于納米(mi)顆(ke)粒(li)的(de)特(te)有的(de)小尺(chi)寸等特(te)性所影響(xiang)的(de)。
2.1.2鍍液pH值的影響
pH值(zhi)對(dui)復合鍍層中納米(mi)顆(ke)粒共(gong)沉(chen)積量的(de)影(ying)響比較復雜，它(ta)是H+在(zai)顆(ke)粒表面的(de)吸附與pH值(zhi)對(dui)基質金屬(shu)電沉(chen)積過程影(ying)響的(de)綜合結果。
試驗中控制鍍液溫度為45℃，陰極電(dian)流密(mi)度(du)為2.5A/dm2。
隨著鍍液pH值(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)的(de)(de)增(zeng)大(da)，復合(he)鍍層(ceng)硬度(du)(du)增(zeng)加(jia);當pH值(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)大(da)于4.5后，復合(he)鍍層(ceng)硬度(du)(du)反而下(xia)降(jiang)。其原因是:當pH值(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)較(jiao)(jiao)低(di)時(shi)，鍍液中(zhong)的(de)(de)H+增(zeng)多，如果(guo)H+能(neng)吸(xi)附于顆粒表(biao)面，則能(neng)起到共(gong)沉積促進劑的(de)(de)作用。而大(da)量研究(jiu)表(biao)明(ming)，納米金(jin)剛(gang)石對H+以及其他(ta)正離(li)子的(de)(de)吸(xi)附很(hen)弱[6]。因此(ci),較(jiao)(jiao)低(di)pH值(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)下(xia)電沉積時(shi)，在(zai)陰極(ji)表(biao)面有大(da)量的(de)(de)氫氣(qi)析出(chu)，使溶液/電極(ji)界(jie)面形成了氣(qi)體的(de)(de)隔離(li)層(ceng)[7]，納米金(jin)剛(gang)石顆粒難以達(da)到陰極(ji)表(biao)面而被(bei)吸(xi)附，因此(ci)與鎳發(fa)生共(gong)沉積的(de)(de)幾率(lv)大(da)幅降(jiang)低(di);即使金(jin)剛(gang)石顆粒在(zai)陰極(ji)表(biao)面吸(xi)附，也可能(neng)被(bei)析出(chu)的(de)(de)氫氣(qi)泡從表(biao)面沖刷下(xia)來，使鍍層(ceng)中(zhong)的(de)(de)納米金(jin)剛(gang)石含量降(jiang)低(di)。鍍液pH值(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)超過(guo)5時(shi)，在(zai)鍍層(ceng)的(de)(de)表(biao)面析出(chu)一層(ceng)與底材結(jie)合(he)很(hen)差(cha)，較(jiao)(jiao)薄的(de)(de)金(jin)剛(gang)石鈍化(hua)層(ceng)(呈碎片狀分布)粘附在(zai)基(ji)體的(de)(de)表(biao)面。故鍍液的(de)(de)pH值(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)一般控制在(zai)3.5~4.5。
2.1.3攪拌強度的影響
大量研究表明,攪(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)拌作(zuo)用(yong)(yong)對(dui)(dui)顆粒(li)的(de)(de)(de)共(gong)沉積有很(hen)大(da)的(de)(de)(de)影響。試驗中(zhong)(zhong)發現攪(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)拌速(su)度在(zai)100r/min以下時，即可使得納(na)米(mi)金剛(gang)(gang)石(shi)微粒(li)在(zai)鍍(du)液中(zhong)(zhong)保持較好懸浮;在(zai)100~300r/min范圍(wei)內，納(na)米(mi)復(fu)合(he)鍍(du)層具有較高的(de)(de)(de)硬(ying)度。因為在(zai)這個范圍(wei)內,隨著(zhu)攪(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)拌強(qiang)(qiang)度增大(da)，納(na)米(mi)金剛(gang)(gang)石(shi)顆粒(li)和陰極(ji)的(de)(de)(de)碰(peng)撞和吸附幾率增大(da)，顆粒(li)的(de)(de)(de)共(gong)沉積量(liang)將會增加(jia)，導致了(le)復(fu)合(he)鍍(du)層硬(ying)度的(de)(de)(de)上升;但是當攪(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)拌強(qiang)(qiang)度超過(guo)300r/min之后，納(na)米(mi)金剛(gang)(gang)石(shi)在(zai)陰極(ji)表面的(de)(de)(de)停(ting)留時間過(guo)短以及強(qiang)(qiang)攪(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)拌對(dui)(dui)未完全被鎳(nie)包裹的(de)(de)(de)金剛(gang)(gang)石(shi)顆粒(li)的(de)(de)(de)沖刷作(zuo)用(yong)(yong)，導致了(le)所(suo)得復(fu)合(he)鍍(du)層中(zhong)(zhong)金剛(gang)(gang)石(shi)顆粒(li)含量(liang)明顯降低，所(suo)以硬(ying)度顯著(zhu)下降。因此(ci)合(he)適的(de)(de)(de)攪(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)拌強(qiang)(qiang)度是制備高質量(liang)納(na)米(mi)金剛(gang)(gang)石(shi)復(fu)合(he)鍍(du)層的(de)(de)(de)關鍵之一。
2.2納米復合(he)鍍層的顯(xian)微組(zu)織和結(jie)合(he)強度
利用掃描電鏡觀察了復合鍍層在不同沉積時間的組織形貌。沉積初期鍍面較平整，基質Ni中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)金剛石(shi)顆粒(li)含量較(jiao)(jiao)少，大(da)部分(fen)保持在亞微米尺度，同(tong)時(shi)(shi)也有一(yi)些(xie)大(da)的(de)(de)(de)團聚體。隨(sui)著沉積(ji)(ji)時(shi)(shi)間(jian)的(de)(de)(de)增加，基質(zhi)(zhi)Ni中(zhong)(zhong)金剛石(shi)的(de)(de)(de)含量明(ming)(ming)顯(xian)增多(duo)(圖3b)。但隨(sui)著沉積(ji)(ji)時(shi)(shi)間(jian)的(de)(de)(de)進(jin)一(yi)步增加，基質(zhi)(zhi)Ni中(zhong)(zhong)金剛石(shi)含量變(bian)化不大(da)。我們(men)認為，以上(shang)現(xian)象與底(di)材表面以及(ji)鍍(du)(du)面的(de)(de)(de)表面粗(cu)糙(cao)度有很大(da)的(de)(de)(de)關系。根據(ju)Guglielmi模(mo)型[8]，顆粒(li)共(gong)沉積(ji)(ji)過程中(zhong)(zhong)，靜電吸附與機械碰撞吸附同(tong)時(shi)(shi)存在。由于(yu)在沉積(ji)(ji)初期底(di)材具有較(jiao)(jiao)低的(de)(de)(de)粗(cu)糙(cao)度(Ra=0.06~0.10μm)，會削弱底(di)材表面俘(fu)獲金剛石(shi)粒(li)子的(de)(de)(de)能(neng)力;隨(sui)著沉積(ji)(ji)時(shi)(shi)間(jian)增加，金剛石(shi)粒(li)子的(de)(de)(de)包覆會使得鍍(du)(du)面的(de)(de)(de)粗(cu)糙(cao)度逐(zhu)漸升(sheng)高，這增加了鍍(du)(du)面機械俘(fu)獲粒(li)子的(de)(de)(de)幾率。在隨(sui)后的(de)(de)(de)沉積(ji)(ji)過程中(zhong)(zhong)，由于(yu)鍍(du)(du)面的(de)(de)(de)粗(cu)糙(cao)度不再明(ming)(ming)顯(xian)升(sheng)高，因此(ci)金剛石(shi)粒(li)子的(de)(de)(de)含量無明(ming)(ming)顯(xian)升(sheng)高趨(qu)勢。圖3c還表明(ming)(ming)，選用上(shang)述最(zui)佳(jia)工藝參數(shu)可以制備(bei)出金剛石(shi)顆粒(li)分(fen)布均勻的(de)(de)(de)復合鍍(du)(du)層，從而可以起(qi)到彌散強化的(de)(de)(de)作用，制備(bei)出硬度較(jiao)(jiao)高的(de)(de)(de)納米復合鍍(du)(du)層。
厚度20μm的(de)復(fu)合(he)鍍層(ceng)與底(di)材的(de)結(jie)合(he)強(qiang)度經銼刀法及熱(re)震(zhen)試(shi)驗表(biao)明，制備的(de)納米復(fu)合(he)鍍層(ceng)與底(di)材結(jie)合(he)良好(hao)，符合(he)相(xiang)關(guan)的(de)標(biao)準(zhun)。劃痕法測試(shi)的(de)臨(lin)界載荷值表(biao)明，鋼(gang)底(di)材上納米金(jin)剛石復(fu)合(he)鍍層(ceng)的(de)臨(lin)界載荷Lc可以達(da)到43N，與純鎳鍍層(ceng)(45N)相(xiang)比,臨(lin)界載荷稍有下(xia)降。可以認為，納米金(jin)剛石的(de)共沉(chen)積對復(fu)合(he)鍍層(ceng)同(tong)底(di)材的(de)結(jie)合(he)強(qiang)度影(ying)響不(bu)大(da)，進而為納米金(jin)剛石復(fu)合(he)鍍層(ceng)的(de)實際應用提(ti)供了一定的(de)前提(ti)和保障。
3結論
(1)電沉(chen)積(ji)參數(shu)對納(na)米金剛(gang)石(shi)的共沉(chen)積(ji)具有較大的影響。
在電流密度1.5~3.5A/dm2，鍍液pH值(zhi)為3.5~4.5，攪拌速度為100~300r/min時能夠制(zhi)備出(chu)同底材(cai)結(jie)合牢固,金剛石微粒彌(mi)散較均勻的高硬度納米復合鍍層。
(2)在電沉積的(de)過程中(zhong)納米金剛(gang)石顆粒大部分可保持在亞微米尺度(du)，同時也(ye)發生了(le)一定(ding)程度(du)的(de)團聚(ju)。基質Ni中(zhong)金剛(gang)石粒子的(de)含量與鍍面(mian)的(de)機械俘獲粒子的(de)能力有關。
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