(Ni-Fe)-ZrO2復(fù)合鍍層的制備及性能研究

姜吉瓊，鄧型深，李文妤

(桂林理工大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院，廣西桂林 541004)

(Ni-Fe)-ZrO2復(fù)合鍍層的制備及性能研究

姜吉瓊，鄧型深，李文妤

(桂林理工大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院，廣西桂林 541004)

采用電沉積的方法在硫酸鹽溶液中制備了(Ni-Fe)-ZrO2復(fù)合鍍層。討論了ZrO2微粒含量對復(fù)合鍍層硬度的影響規(guī)律，對鍍層物理化學(xué)性能進行了表征。結(jié)果表明:當(dāng)ZrO2質(zhì)量濃度為8g/L時鍍層的硬度最高，復(fù)合鍍層的耐蝕性明顯提高，表面形貌測試明顯看出有ZrO2微粒沉積在鍍層中。

硬度;二氧化鋯;耐蝕性;(Ni-Fe)-ZrO2復(fù)合鍍層

引 言

ZrO2是一種具有高熔點、高沸點、導(dǎo)熱系數(shù)小、熱膨脹系數(shù)大、耐磨性及耐腐蝕性能優(yōu)良的無機非金屬材料，在陶瓷顏料、工程陶瓷、寶石業(yè)、壓電元件、離子交換器及固體電解質(zhì)等領(lǐng)域有著廣泛的用途。近年來，在復(fù)合鍍這一新興領(lǐng)域也引起了廣泛的重視［1］。國內(nèi)很多研究者對添加 ZrO2的復(fù)合鍍層進行了廣泛的研究，并制備出性能優(yōu)良的鍍層［2-4］。本文嘗試在 Ni-Fe合金鍍液中加入納米ZrO2微粒，探討制備高耐蝕性復(fù)合鍍層的電沉積工藝，并對復(fù)合鍍層的綜合性能進行表征。

1 實驗部分

1.1 實驗材料及設(shè)備

陰極材料為30mm×50mm的鐵片，陽極為鎳板。實驗儀器HL-10ATM赫爾槽試驗儀(武漢材料保護研究所)，DF-101集熱式恒溫加熱磁力攪拌器(鄭州長城科工貿(mào)有限公司)，KQ220DE型數(shù)控超聲波清洗器(佛山市超聲波有限公司)，CHI660C型電化學(xué)工作站(上海辰華儀器有限公司)，HXD-1000TMC自動轉(zhuǎn)塔顯微硬度儀(上海泰明光學(xué)儀器廠)，SGM-6812CK型真空氣氛管式電阻爐(洛陽市西格馬儀器制造有限公司)，JSM-6380LV掃描電子顯微鏡(日本電子株式會社)。

1.2 鍍液組成及配制方法

(Ni-Fe)-ZrO2復(fù)合鍍層鍍液組成為:

170 ～ 240g/L NiSO4·6H2O;10 ～ 80g/L FeSO4·7H2O;20～30g/L NaCl;20～30g/L檸檬酸三鈉;40g/L H3BO3;0.2～1.0g/L 十二烷基硫酸鈉;4g/L糖精;1～10g/L ZrO2(d=50nm);1.5 ～3.0g/L 抗壞血酸(均為分析純)。

溶液配制依次將 NiSO4·6H2O、NaCl、H3BO3和檸檬酸三鈉溶解在加熱的蒸餾水中，用燒杯單獨溶解FeSO4·7H2O和抗壞血酸，攪拌溶解后混合上述溶液中，糖精用熱水溶解后加入混合液，定容，十二烷基硫酸鈉攪拌溶解待用。施鍍時加入處理過的ZrO2，配制過程采用超聲分散。

1.3 工藝流程

(Ni-Fe)-ZrO2復(fù)合電鍍工藝流程為:打磨→水洗→化學(xué)除油→水洗→酸洗→水洗→電鍍→水洗→電吹風(fēng)吹干→性能檢測。

1.4 二氧化鋯預(yù)處理

為了除去二氧化鋯微粒中的雜質(zhì)，在施鍍前需對二氧化鋯進行預(yù)處理，采用10%HCl浸泡24h→蒸餾水清洗→超聲波振蕩30min→烘干。

1.5 正交試驗因素水平設(shè)計

為了得到硬度較高的(Ni-Fe)-ZrO2復(fù)合鍍層，結(jié)合前期的探索實驗，采用正交試驗法對Jκ、ZrO2微粒添加量、鍍液pH和θ等4個因素各取3個水平，設(shè)定了工藝參數(shù)的水平范圍，列于表1。本試驗選用L9(34)正交設(shè)計方案進行，考察(Ni-Fe)-ZrO2復(fù)合鍍層的硬度，通過直接觀察、計算極差等方法對正交試驗結(jié)果進行分析和判別。

表1 因素水平表

1.6 性能測試

1)耐蝕性測定。通過極化曲線測試對鍍層的耐蝕性進行表征。實驗采用三電極體系，鉑電極為輔助電極，飽和甘汞電極為參比電極，復(fù)合鍍層為研究電極，用環(huán)氧樹脂密封，工作面積為1cm2，3.5%的氯化鈉溶液，掃描速度為0.001V/s。

2)硬度測定。利用HXD-1000TMC自動轉(zhuǎn)塔顯微硬度儀對(Ni-Fe)-ZrO2復(fù)合鍍層的硬度進行檢測。載荷為1.96N，保荷t為15s，分別在鍍層的中下部取五個點進行測量，去除一個最高值和最低值后取平均值。

3)形貌表征。采用JSM26380LV型掃描電子顯微鏡在15kV下對樣品的表面形貌進行觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 (Ni-Fe)-ZrO2復(fù)合電沉積工藝實驗

根據(jù)正交試驗因素水平表，選用L9(34)正交表進行實驗，實驗結(jié)果與極差分析見表2。由表2數(shù)據(jù)可知，獲得較好沉積效果的(Ni-Fe)-ZrO2復(fù)合鍍層的最佳工藝條件為8g/L ZrO2，Jκ為2A/dm2、pH為4，θ為50℃，其中對鍍層硬度影響最大的因素為ZrO2的質(zhì)量濃度，最小的因素為鍍液的pH。按照上述優(yōu)化工藝施鍍，所得鍍層的σ為1 230.7HV，優(yōu)于正交試驗的最優(yōu)結(jié)果。

表2 實驗方案及結(jié)果分析

2.2 鍍層耐蝕性表征

2.2.1 ZrO2對鍍層耐蝕性的影響

對Ni-Fe合金鍍層和(Ni-Fe)-ZrO2復(fù)合鍍層的耐蝕性測試結(jié)果如圖1所示。從圖1中可以看出，(Ni-Fe)-ZrO2復(fù)合鍍層的自腐蝕電位相對Ni-Fe合金鍍層正移了30mV;且計算結(jié)果表明，復(fù)合鍍層的 Jcorr為 0.779 2mA/m2比 Ni-Fe合金鍍層的1.296 mA/m2降低了一個數(shù)量級。由此可知，添加適量的納米二氧化鋯微粒可以使(Ni-Fe)-ZrO2復(fù)合鍍層的耐蝕性顯著提高。原因是納米二氧化鋯的加入，能在一定程度上細化基質(zhì)晶粒，得到更加均勻、致密的鍍層，使得孔隙率降低。

圖1 (Ni-Fe)-ZrO2復(fù)合鍍層的極化曲線

2.2.2 熱處理溫度對耐蝕性的影響

在最優(yōu)工藝條件下制備(Ni-Fe)-ZrO2復(fù)合鍍層三個樣品進行熱處理實驗。θ分別為300、400和500℃，整個過程氬氣保護，保溫1h。熱處理后，對三個樣品進行耐蝕性測試，測試結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出，400℃熱處理后樣品的 Jcorr為0.724 3mA/m2，低于 300℃ (Jcorr為 1.681mA/m2)和500℃(Jcorr為1.014mA/m2)熱處理的樣品的腐蝕電流密度，表明適當(dāng)?shù)臒崽幚砜梢蕴岣咤儗拥哪透g性能。分析原因是在熱處理過程中鍍層的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了細微的變化，且施鍍過程吸附在鍍層表面的一些氣泡被除去，從而使得鍍層更加致密，耐蝕性得以提高。

圖2 熱處理后(Ni-Fe)-ZrO2復(fù)合鍍層的極化曲線

2.3 鍍層的表面形貌

采用掃描電子顯微鏡(SEM)對(Ni-Fe)-ZrO2復(fù)合鍍層的表面形貌進行測試，結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，所得鍍層為塊狀，納米微粒包覆在這些塊狀凸起中。同時也發(fā)現(xiàn)納米微粒在鍍層表面分布不是很均勻，這可能與鍍液性能及分散工藝有關(guān)。

圖3 (Ni-Fe)-ZrO2復(fù)合鍍層的SEM照片

3 結(jié)論

1)正交試驗結(jié)果表明，當(dāng)Jκ為2A/dm2、pH為4、θ為50℃、ZrO2納米微粒質(zhì)量濃度為8g/L時，(Ni-Fe)-ZrO2復(fù)合鍍層的硬度最高，達到1 000HV以上。

2)對(Ni-Fe)-ZrO2復(fù)合鍍層的耐蝕性測試和硬度測試表明，二氧化鋯微粒的加入，明顯提高了鍍層的耐蝕性和硬度。

3)對(Ni-Fe)-ZrO2復(fù)合鍍層的表面形貌測試表明，二氧化鋯微粒已經(jīng)成功包覆于鍍層中，但是在鍍層中的分散不是很均勻，需要進一步優(yōu)化分散工藝。

［1］舒緒剛，何湘柱，黃慧民，等.納米ZrO2在復(fù)合鍍中的應(yīng)用［J］.機械工程材料，2008，32(3):1-4.

［2］李愛昌.(Ni-W)-ZrO2非晶復(fù)合鍍層的制備及其性能［J］.材料保護，2000，33(7):11-12.

［3］楊防祖，馬兆海，黃令，等.電沉積非晶態(tài) Ni-W-B/ZrO2復(fù)合鍍層及其結(jié)構(gòu)與性能［J］.物理化學(xué)學(xué)報，2004，(12):1411-1416.

［4］舒霞，李云，吳玉程，等.Ni-W-ZrO2復(fù)合鍍層的制備及耐腐蝕性能［J］.復(fù)合材料學(xué)報，2007，24(6):116-120.

Preparation and Properties of(Ni-Fe)-ZrO2Composite Coating

JIANG Ji-qiong，DENG Xing-shen，LI Wen-yu
(College of Chemistry and Bioengineering，Guilin University of Technology，Guilin 541004，China)

(Ni-Fe)-ZrO2composite coating was prepared by electroplating from sulphate electrolyte system.Effect of ZrO2content in the bath on the coating hardness was investigated，physical and chemical properties of the coating were determined.Results showed that ZrO2particles were successfully deposited in the composite coating.Under ZrO2content of 4g/L in the bath，the composite coating had the highest hardness with improved corrosion resistance.

hardness;zirconium dioxide;corrosion resistance;(Ni-Fe)-ZrO2composite coating

TQ153.2

A

1001-3849(2012)05-0036-03

2011-07-12

2011-09-16