微粒的導電性對復合鍍層結構與性能的影響

胡紅偉， 李曉燕

（1.河南城建學院 環境與市政工程系，河南 平頂山467036；2.河南城建學院 化學化工系，河南 平頂山467036）

0 前言

基于電化學原理實現金屬離子與不溶性固體微粒共沉積的復合電鍍，是一種新型的制備金屬基復合材料的工藝方法。與傳統的復合材料制備技術相比，復合電鍍具有工藝流程簡單、能耗少、成本低和操作過程容易控制等優勢［1-2］。對于復合電鍍而言，其工藝效果受多方面因素的制約。其中微粒在鍍液中的分散狀況和所處的物理狀態是主要的影響因素之一，而這又與攪拌工藝密切相關。

鑒于超聲波攪拌在促使微粒分散和懸浮方面能起到良好的效果，近些年，在超聲波環境下實施復合電鍍引起了業界的廣泛關注。相繼考察了超聲波功率［3］、電流密度［4-5］、微粒的粒徑及質量濃度［6］等因素對復合鍍層結構、硬度及耐磨性等的影響。然而截至目前，尚未見有關微粒的導電性對復合鍍層結構與性能影響的文獻報道。針對該情況，本文開展了這方面的研究。

1 實驗

鍍液配方為：硫酸鎳300g／L，氯化鎳50g／L，硼酸40g／L，糖精酸鈉（共沉積促進劑和應力消除劑）1g／L。以上試劑均為分析純，用去離子水配制。鍍液的pH值約為3.8，用稀氨水溶液或稀硫酸溶液調節。陽極采用電解鎳板，陰極基底采用紫銅圓片，兩者水平正對布置。為單純研究微粒的導電性對復合鍍層結構與性能的影響，特選用兩種直徑均為100nm的Al微粒（導電微粒）和Al2O3微粒（惰性微粒）。兩種微粒經規范預處理去除雜質且充分潤濕后，再按特定的質量濃度（20g／L）加入鍍液中。電流密度采用3A／dm2，鍍液溫度保持在45℃，用磁力攪拌器控制。電沉積過程中，為避免微粒團聚，同時保證其在鍍液中盡可能懸浮且分散均勻，持續施加恒定功率（300W）的超聲波攪拌。待復合鍍層的厚度達到規定要求（約70μm）后，取出陰極，剝離鍍層。進行相關處理后，測試鍍層的結構與性能。

借助日本電子株式會社生產的JSM-5600LV型掃描電鏡觀察復合鍍層的微觀形貌，同時借助日本理學公司生產的D／Max 2500型X射線衍射儀測試復合鍍層的相結構。

復合鍍層的顯微硬度在上海光學儀器廠生產的HXD-1000TM型顯微硬度計上測定，加載載荷0.98N，保壓時間10s。

復合鍍層的耐磨性實驗在美國CETR公司生產的UMT-3型多功能摩擦磨損試驗機上進行，采用球-盤干磨實驗方式，載荷3N，轉速400r／min。耐磨性的評價以磨損率K為指標：K＝V／（F×S）。式中：V表示磨損體積，S表示滑動總行程，F表示載荷數。

2 結果與討論

2.1 形貌

圖1為Ni-Al和Ni-Al2O3兩種復合鍍層的SEM照片。由圖1可知：超聲波環境下電沉積制備的Ni-Al復合鍍層表面粗糙、平整性差；相比而言，相同工藝條件下制備的Ni-Al2O3復合鍍層的表面狀況有所改善。造成兩種復合鍍層微觀形貌差別明顯的原因在于：對于導電微粒而言，其吸附于陰極表面可增大有效沉積面積，相當于減小陰極極化，故容易形成粗大晶粒，弱化組織結構；加之微粒凸起部位容易發生電流密度的尖端分布效應（如圖2所示），因而使得復合鍍層的形貌較為粗糙。而對于惰性微粒而言，其在陰極表面吸附可起到一定的屏蔽效果，相當于增大陰極極化，因而有利于細化晶粒，改善形貌質量［7］。

圖1 兩種復合鍍層的SEM照片

2.2 結構

圖2 復合電沉積過程中陰極表面的電流密度分布示意圖

圖3為Ni-Al和Ni-Al2O3兩種復合鍍層的XRD圖譜。由圖3可知：Ni-Al復合鍍層存在三個衍射峰，對應的晶面指數依次為（111），（200）和（311），未呈現出明顯的擇優取向；而Ni-Al2O3復合鍍層的衍射圖譜則有所不同，僅出現（111）和（200）兩個衍射峰，但在（200）面呈現出明顯的擇優取向。這表明微粒的導電性對復合鍍層的相結構有一定影響。其原因可能為：電鍍過程中，兩種不同性質的微粒在陰極表面吸附，不同程度地改變了陰極過電位，從而影響了晶核生長趨向。

圖3 兩種復合鍍層的XRD圖譜

2.3 性能

綜上可知，微粒的導電性對復合鍍層的形貌和結構有一定影響。然而，結構方面的改變是否會導致性能上存在差異，尚不清晰。為進一步考察微粒的導電性對復合鍍層性能的影響，分別借助顯微硬度計和摩擦磨損試驗機測定了Ni-Al和Ni-Al2O3兩種復合鍍層的顯微硬度和耐磨性。結果顯示：前者的顯微硬度約為3 140MPa，較后者的3 760MPa偏低。結合前文所述，從兩者組織結構的角度切入可解釋為：復合電鍍過程中，惰性微粒對陰極表面的屏蔽效應有利于增大陰極極化，阻礙晶粒長大，一定程度改善組織結構，從而為提高鍍層的顯微硬度創造有利條件。

諸多研究表明：材料的顯微硬度越高，耐磨性越好［8-9］。但本文的測定結果顯示：顯微硬度偏高的Ni-Al2O3復合鍍層的磨損率為1.58%，較Ni-Al復合鍍層的1.61%幾乎無差別，反映出兩種復合鍍層的耐磨性幾乎持平。圖4為Ni-Al和Ni-Al2O3兩種復合鍍層磨損后的形貌。由圖4可知：兩種復合鍍層磨損后的形貌差別不明顯，這進一步證實了上述結論。

圖4 兩種復合鍍層磨損后的形貌

3 結論

（1）微粒的導電性對復合鍍層的形貌、相結構和顯微硬度均有一定影響，但對耐磨性影響不明顯。

（2）添加惰性微粒能制備出形貌良好、結構致密、顯微硬度較高的復合鍍層。

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