攪拌方式對Ni-SiC復合鍍層結構與性能的影響

石生益， 白志明

（甘肅工業職業技術學院 化工學院，甘肅 天水 741025）

攪拌方式對Ni-SiC復合鍍層結構與性能的影響

石生益， 白志明

（甘肅工業職業技術學院 化工學院，甘肅 天水 741025）

研究了機械攪拌、空氣攪拌、超聲波攪拌和超聲波-空氣復合攪拌四種攪拌方式對Ni-SiC復合鍍層結構、硬度及耐酸性的影響。結果表明：與常規攪拌方式相比較，超聲波條件下所得Ni-SiC復合鍍層的結構致密性改善，硬度提高且耐酸性增強；進一步輔助空氣攪拌后，盡管鍍層組織更勻致，但硬度和耐酸性均無明顯提高。

復合鍍層；結構；硬度；耐酸性；攪拌方式

0 前言

以復合電鍍為主要手段，已成功制備出多種功能性復合鍍層［1］。如何提高復合鍍層中微粒的質量分數，是復合電鍍技術的關鍵所在。這是因為復合鍍層中微粒的質量分數及分布狀況，對鍍層性能起著決定性的影響。而微粒的分散情況又取決于攪拌工藝。為此，圍繞著優選攪拌方式進而改善鍍液中微粒的分散狀況這一主題，表面工程領域的研究學者開展了大量的工作。研究表明：超聲波攪拌對于微粒的分散和懸浮所帶來的效果最優［2－3］。然而，從復合鍍層結構和性能的角度，結合定量指標全面評價不同攪拌方式工藝效果的研究，尚鮮見報道。本文主要開展這方面的研究，系統地探討了攪拌方式對Ni-SiC復合鍍層結構、硬度及耐酸性的影響。

1 實驗

1.1 實驗方法

鍍液配方及工藝條件為：NiCl2·6H2O 8g/L，Ni（NH2SO3）2·4H2O 450g/L，NaCl 10g/L，H3BO335g/L，4A/dm2，40℃，70min。鍍液配制按規范要求執行［4］。微粒選用直徑為30nm的SiC，經除雜質、清洗、干燥后，直接加入鍍液中。在電鍍過程中恒定其他工藝條件不變，分別施加機械攪拌、空氣攪拌、超聲波攪拌和超聲波－空氣復合攪拌，研究了攪拌方式對復合鍍層結構與性能的影響。

1.2 性能檢測

電鍍結束后，將復合鍍層剝離下來。采用JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡觀察復合鍍層的結構。采用HXD-1000型顯微硬度儀測定復合鍍層的硬度，載荷為50g，加載保持8s，取6次測定結果的平均值。采用浸泡腐蝕法測定復合鍍層的耐酸性。腐蝕介質選用質量分數為15%的HCl溶液和質量分數為15%的H2SO4溶液。腐蝕試樣尺寸為6mm×6mm，浸泡腐蝕10d。用AL 204型精密電子天平稱量復合鍍層腐蝕前后的質量，并依據質量損失計算腐蝕率：r＝（m腐蝕前—m腐蝕后）/m腐蝕前。同時根據如下公式計算腐蝕速率：v＝Δm/（S×t）。式中：Δm為腐蝕質量損失，S為試樣面積，t為腐蝕時間。結合腐蝕率和腐蝕速率，評價復合鍍層的耐酸性。

2 結果與討論

2.1 結構

圖1為攪拌方式對Ni-SiC復合鍍層結構的影響。由圖1（a）和圖1（b）可知：在電鍍過程中施加機械攪拌或空氣攪拌，所得復合鍍層的組織稀松，致密性差。這是由于常規攪拌很難使納米SiC微粒均勻地懸浮于鍍液中，在表面能的作用下，微粒易團聚而加速沉降，因而夾雜于電鍍金屬層中的可能性低，鍍層晶粒在長大過程中受到的抑制作用弱。而施加超聲波攪拌后，由于超聲波在鍍液中傳遞時所引發的空化效應能強烈地沖擊攪拌鍍液，使微粒均勻分散和懸浮［5］，為其順利且均勻地嵌入鍍層中創造有利條件。因而微粒吸附于陰極表面且占據晶核生長位置的幾率升高，對陰極表面的屏蔽作用增強，致使有效沉積面積減小，陰極極化增大，使得晶核的生成速率加快而長大速率減緩。故所得復合鍍層的晶粒細化，組織均勻性得以改善，如圖1（c）所示。這表明超聲波攪拌對微粒的分散、懸浮和吸附起到了良好的效果。在此基礎上輔助空氣攪拌后，所得復合鍍層的結構更加致密，如圖1（d）所示。

圖1 攪拌方式對Ni-SiC復合鍍層結構的影響

2.2 硬度

圖2為攪拌方式對Ni-SiC復合鍍層硬度的影響。由圖2可知：采用機械攪拌和空氣攪拌所得復合鍍層的硬度約為2 300MPa，與純鎳鍍層的硬度（約為2 200MPa）幾乎持平；施加適宜功率的超聲波攪拌后，由于微粒分散均勻且嵌入鍍層中的幾率提升，晶粒長大受到抑制，故硬度明顯提高，達到3 040MPa；在超聲波條件下輔助空氣攪拌后，復合鍍層的硬度并未明顯增大，而是微幅提升至3 180 MPa。盡管如此，與純鎳鍍層和采用常規攪拌方式所得復合鍍層的硬度相比，超聲波－空氣復合攪拌條件下制備的Ni-SiC復合鍍層仍呈現出較高的硬度。

2.3 耐酸性

圖3和圖4分別為基于不同攪拌方式所得Ni-SiC復合鍍層在兩種酸性溶液中的腐蝕率和腐蝕速率。結果表明：同攪拌方式對復合鍍層硬度的影響規律類似，施加超聲波攪拌后，復合鍍層在兩種酸性溶液中的腐蝕率和腐蝕速率均明顯降低。

圖3 基于不同攪拌方式所得Ni-SiC復合鍍層的腐蝕率

圖4 基于不同攪拌方式所得Ni-SiC復合鍍層的腐蝕速率

超聲波條件下所得Ni-SiC復合鍍層的耐酸性明顯增強的原因在于：（1）超聲波攪拌能促使納米微粒分散均勻，提高復合鍍層中微粒的質量分數和晶界間的微粒填充量，降低鍍層的孔隙率，改善組織結構，減少在腐蝕介質中的暴露面積，減輕接觸腐蝕和滲透腐蝕；（2）超聲波攪拌有利于提升微粒在陰極表面的吸附概率和吸附量，借助納米微粒的尺度效應干擾鎳離子的結晶過程，改變晶面擇優取向，從而均化鍍層表面電位，提高化學穩定性，進而阻礙腐蝕過程的進行，減緩腐蝕速率。但采用超聲波－空氣復合攪拌后，所得復合鍍層在兩種酸性溶液中的腐蝕率和腐蝕速率均無明顯改變，僅微幅下降。由此表明：超聲波條件下輔助空氣攪拌，對復合鍍層性能的影響不明顯。

由圖3和圖4還可知：四種復合鍍層在質量分數為15%的HCl溶液中的腐蝕率和腐蝕速率均較在質量分數為15%的H2SO4溶液中的高。這是由于Cl—的半徑小，極易從鍍層局部區域穿透至表面鈍化膜中，形成點蝕［6］，加速表面溶解。而一定量的SO2－4具有氧化性，可保護鈍化膜，在一定程度上抑制點蝕作用。

3 結論

與常規機械攪拌和空氣攪拌方式相比，基于超聲波攪拌方式能制備出結構勻致、硬度高且耐酸性強的Ni-SiC復合鍍層。然而，在超聲波條件下輔助施加空氣攪拌，雖然可改善復合鍍層的組織結構，但對鍍層的硬度和耐酸性影響不明顯。

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［1］郭鶴桐，張三元.復合電鍍技術［M］.北京：化學工業出版社，2007.

［2］REZRAZI M，DOCHE M L，BERCOT P，et al.Au-PTFE composite coatings elaborated under ultrasonic stirring［J］.Surface and Coatings Technology，2005，192（1）：124-130.

［3］ZHENG H Y，AN Z M.Electrodeposition of Zn-Ni-Al2O3nanocomposite coatings under ultrasound conditions［J］.Journal of Alloys and Compounds，2008，459（1）：548-552.

［4］吳向清.鋁合金基電沉積Ni-SiC復合鍍技術的研究［D］.西安：西北工業大學，2002.

［5］李春喜，王子鎬.超聲技術在納米材料制備中的應用［J］.化學通報，2001（5）：268-272.

［6］魏寶明.金屬腐蝕理論及應用［M］.北京：化學工業出版社，1984.

Effects of Agitation Method on Structure and Properties of Ni-SiC Composite Coating

SHⅠ Sheng－yi， BAⅠ Zhi-ming
（College of Chemical Engineering，Gansu Industry Polytechnic College，Tianshui 741025，China）

The effects of four agitation methods（mechanical，air，ultrasonic and ultrasound-air agitations）on the structure，hardness and acid resistance of Ni-SiC composite coating were investigated.The results show that compared with the Ni-SiC coating electroplated with conventional agitation methods，the coating of the same kind prepared under ultrasonic condition features compacter texture，higher hardness and better acid resistance.However，further assisted with air agitation，the hardness and acid resistance of the coating are not significantly improved though its structure becomes more compact and uniform.

composite coating；structure；hardness；acid resistance；agitation method

TQ 153

A

1000-4742（2013）03-0015-03

2012-02-23