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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)復合鍍液以普通瓦特型光亮鍍鎳液為基礎液，納米金剛石添加量為10g/L;鍍液溫度45℃，電流密度1~6A/dm2，pH=2~6，攪拌方式為磁力攪拌。電鍍前將納米金剛石粉與適量的有機分散劑混合后加入鍍液，經超聲波分散一定時間后，開始復合電鍍。
(3)采用MV-5-VM型顯微硬度儀測定復合鍍層的顯微硬度，用來判斷納米金剛石顆粒對復合鍍層的強化效果。用光學顯微鏡和JSM-5600LV型掃描電子顯微鏡對鍍層的表面形貌進行觀察。采用WS-97型自動劃痕儀對納米復合鍍層與底材的結合強度進行了測試。以鍍層剝落時的最小臨界載荷Lc作為鍍層結合強度的度量。
2結果與討論
2.1工藝參數對復合鍍層硬度的影響
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，復合鍍層的硬度幾乎與純鎳鍍層硬度相當。原因是隨著陰極電流密度的增大，金屬鎳對納米金剛石顆粒的包裹能力增強，同時電沉積過程中的電場力增強，即陰極對吸附著少量正離子的納米金剛石的靜電引力增強，對金剛石和基質金屬鎳的共沉積有一定的促進作用。
當電流密度繼續提高時，鎳的沉積速度將會顯著加快。然而,納米金剛石被輸送到陰極附近并被嵌入鍍層中的速度，隨電流密度而增大的速度，常趕不上基質鎳沉積速度的提高[4],所以當陰極電流密度太大時，金剛石沉積量反而減少，復合鍍層的硬度自然下降。同時電流密度過大時，陰極表面析氫加劇，阻礙了納米金剛石與陰極表面的吸附。這也說明金剛石顆粒到達陰極表面并不是主要靠電場力的作用。綜合其他復合鍍工藝[5]發現，與微米級顆粒相比，對于納米顆粒的共沉積，最優化的施鍍電流密度大幅下降，這可能是由于納米顆粒的特有的小尺寸等特性所影響的。
2.1.2鍍液pH值的影響
pH值對復合鍍層中納米顆粒共沉積量的影響比較復雜，它是H+在顆粒表面的吸附與pH值對基質金屬電沉積過程影響的綜合結果。
試驗中控制鍍液溫度為45℃，陰極電流密度為2.5A/dm2。
隨著鍍液pH值的增大，復合鍍層硬度增加;當pH值大于4.5后，復合鍍層硬度反而下降。其原因是:當pH值較低時，鍍液中的H+增多，如果H+能吸附于顆粒表面，則能起到共沉積促進劑的作用。而大量研究表明，納米金剛石對H+以及其他正離子的吸附很弱[6]。因此,較低pH值下電沉積時，在陰極表面有大量的氫氣析出，使溶液/電極界面形成了氣體的隔離層[7]，納米金剛石顆粒難以達到陰極表面而被吸附，因此與鎳發生共沉積的幾率大幅降低;即使金剛石顆粒在陰極表面吸附，也可能被析出的氫氣泡從表面沖刷下來，使鍍層中的納米金剛石含量降低。鍍液pH值超過5時，在鍍層的表面析出一層與底材結合很差，較薄的金剛石鈍化層(呈碎片狀分布)粘附在基體的表面。故鍍液的pH值一般控制在3.5~4.5。
2.1.3攪拌強度的影響
大量研究表明,攪拌作用對顆粒的共沉積有很大的影響。試驗中發現攪拌速度在100r/min以下時，即可使得納米金剛石微粒在鍍液中保持較好懸浮;在100~300r/min范圍內，納米復合鍍層具有較高的硬度。因為在這個范圍內,隨著攪拌強度增大，納米金剛石顆粒和陰極的碰撞和吸附幾率增大，顆粒的共沉積量將會增加，導致了復合鍍層硬度的上升;但是當攪拌強度超過300r/min之后，納米金剛石在陰極表面的停留時間過短以及強攪拌對未完全被鎳包裹的金剛石顆粒的沖刷作用，導致了所得復合鍍層中金剛石顆粒含量明顯降低，所以硬度顯著下降。因此合適的攪拌強度是制備高質量納米金剛石復合鍍層的關鍵之一。
2.2納米復合鍍層的顯微組織和結合強度
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中的金剛石顆粒含量較少，大部分保持在亞微米尺度，同時也有一些大的團聚體。隨著沉積時間的增加，基質Ni中金剛石的含量明顯增多(圖3b)。但隨著沉積時間的進一步增加，基質Ni中金剛石含量變化不大。我們認為，以上現象與底材表面以及鍍面的表面粗糙度有很大的關系。根據Guglielmi模型[8]，顆粒共沉積過程中，靜電吸附與機械碰撞吸附同時存在。由于在沉積初期底材具有較低的粗糙度(Ra=0.06~0.10μm)，會削弱底材表面俘獲金剛石粒子的能力;隨著沉積時間增加，金剛石粒子的包覆會使得鍍面的粗糙度逐漸升高，這增加了鍍面機械俘獲粒子的幾率。在隨后的沉積過程中，由于鍍面的粗糙度不再明顯升高，因此金剛石粒子的含量無明顯升高趨勢。圖3c還表明，選用上述最佳工藝參數可以制備出金剛石顆粒分布均勻的復合鍍層，從而可以起到彌散強化的作用，制備出硬度較高的納米復合鍍層。
厚度20μm的復合鍍層與底材的結合強度經銼刀法及熱震試驗表明，制備的納米復合鍍層與底材結合良好，符合相關的標準。劃痕法測試的臨界載荷值表明，鋼底材上納米金剛石復合鍍層的臨界載荷Lc可以達到43N，與純鎳鍍層(45N)相比,臨界載荷稍有下降。可以認為，納米金剛石的共沉積對復合鍍層同底材的結合強度影響不大，進而為納米金剛石復合鍍層的實際應用提供了一定的前提和保障。
3結論
(1)電沉積參數對納米金剛石的共沉積具有較大的影響。
在電流密度1.5~3.5A/dm2，鍍液pH值為3.5~4.5，攪拌速度為100~300r/min時能夠制備出同底材結合牢固,金剛石微粒彌散較均勻的高硬度納米復合鍍層。
(2)在電沉積的過程中納米金剛石顆粒大部分可保持在亞微米尺度，同時也發生了一定程度的團聚。基質Ni中金剛石粒子的含量與鍍面的機械俘獲粒子的能力有關。
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