超臨界流體鎳基金剛石復(fù)合電鑄的實驗研究

錢 蜜， 雷衛(wèi)寧，， 劉維橋， 唐從順， 姜 博

（1.常州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州213016；2.江蘇技術(shù)師范學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，江蘇 常州213001）

0 前言

在溶液中加入一種或數(shù)種不溶性固體微粒，使其與金屬離子共沉積形成復(fù)合電鑄層，已成為制備具有特殊性能的金屬基復(fù)合材料的重要方法之一［1］。

超臨界CO2流體（SCF-CO2）是一種特殊的物理狀態(tài)。它的密度與液體的相近，黏度與氣體的相近，因而有著極好的流動性和傳遞性［2］。將超臨界特性與傳統(tǒng)的電鑄技術(shù)相結(jié)合，開展SCF-CO2的電鑄技術(shù)研究，是近些年發(fā)展起來的一個新的研究熱點，受到國內(nèi)外研究人員的高度關(guān)注［3-5］。本文在SCF-CO2條件下進(jìn)行鎳基金剛石復(fù)合電鑄的實驗研究，利用超臨界流體環(huán)境極高的傳質(zhì)速率和良好的分散性，旨在解決金剛石微粒的團(tuán)聚問題，使進(jìn)入電鑄層中的金剛石微粒更加均勻，強(qiáng)化其彌散效果，增強(qiáng)復(fù)合電鑄層的表面質(zhì)量和力學(xué)性能。

1 實驗

1.1 實驗方法

復(fù)合電鑄的實驗裝置，如圖1所示。實驗所選用的陽極材料為2.5cm×2.5cm的純鎳，陰極材料為2cm×2cm的電解銅，兩極板間距為1.8cm。復(fù)合電鑄實驗中，高壓泵和恒溫裝置提供SCF-CO2電鑄所需的工作壓力和溫度，磁力攪拌器提供形成超臨界流體乳化液所需的外部條件。電解液組成為：NiSO4·6H2O 300g／L，NiCl260g／L，H3BO340g／L，表面活性劑1.25g／L。所用試劑均為分析純。為使微米尺度的金剛石微粒充分潤濕且均勻分散于電解液中，電鑄前對金剛石微粒在電解液中進(jìn)行預(yù)分散處理。試樣制備的工藝條件為：陰極電流密度9A／dm2，溫度45℃，壓力10MPa，電鑄時間60min，磁力攪拌強(qiáng)度420r／min，金剛石微粒的粒徑分布范圍為0.1～1.0μm。

圖1 超臨界流體電鑄實驗的裝置示意圖

1.2 性能檢測

采用S-3400型掃描電子顯微鏡表征復(fù)合電鑄層的顯微組織。顯微硬度用HXD-1000型數(shù)字顯微硬度計測定，載荷2N，保持時間10s。每個樣品測量5個點，取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合電鑄層的微觀組織

圖2為復(fù)合電鑄層的SEM圖（2 000×）。由圖2可知：在超臨界環(huán)境下制備的鎳基金剛石復(fù)合電鑄層的形貌呈胞狀均勻分布。鍍層的生長遵循形核和長大的生長方式。晶粒的核心首先出現(xiàn)在基體的缺陷部位，尤其是凹凸不平處。因該處的自由能較高，形核較容易。當(dāng)晶核長大并相互接觸時，晶粒停止生長。在晶界處，因能量較高，容易形成新的晶核，并逐漸長大。隨著鍍液中微米金剛石的質(zhì)量濃度的增加，鍍層的晶粒逐漸變得細(xì)小。這是因為微米金剛石可以大幅提高鍍層的形核率，促進(jìn)晶粒的生長。隨電鍍時間的延長，鍍層晶粒逐漸變細(xì)。在鍍層表面可以看到白色微米級的金剛石微粒。普通鎳基金剛石復(fù)合電鑄層中金剛石微粒的分散性較差，晶胞也較大，并且有許多氣孔［1］。這主要是因為超臨界環(huán)境較低的黏度和較強(qiáng)的自擴(kuò)散能力，起到了潤濕劑和鋪展的作用，并且細(xì)化了晶胞。同時超臨界環(huán)境所形成的均一穩(wěn)定的乳化狀態(tài)將金剛石微粒包裹起來，強(qiáng)化金剛石微粒在陰極上的傳輸，還減少了微粒間的相互碰撞，抑制了金剛石微粒的團(tuán)聚，提高了分散效果。因此，金剛石微粒在電鑄層中分布均勻，如圖3所示。

圖2 復(fù)合電鑄層的SEM圖

圖3 金剛石50g／L時復(fù)合鍍層的斷面圖（400×）

2.2 復(fù)合電鑄層的顯微硬度

金剛石微粒的質(zhì)量濃度對復(fù)合電鑄層顯微硬度的影響，如圖4所示。由圖4可知：隨著金剛石微粒的質(zhì)量濃度的增加，復(fù)合電鑄層的顯微硬度升高；在50～100g／L范圍內(nèi)呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢，顯微硬度在9 000MPa左右；之后，顯微硬度明顯下降。與普通復(fù)合電鑄層的顯微硬度（3 507MPa）相比較，有了較大幅度的提高。這主要是因為金剛石微粒在沉積層中的良好分散，增加了大量的形核點，阻礙了基體金屬鎳晶粒的生長，同時阻礙了晶粒位錯滑移產(chǎn)生的彌散強(qiáng)化效應(yīng)，從而使微米復(fù)合電鑄層的顯微硬度高于純鎳電鑄層的。隨著質(zhì)量濃度的繼續(xù)增加，金剛石微粒在陰極上大量堆積，從而吸附于陰極表面，阻礙了鎳在陰極上的沉積，導(dǎo)致鎳沉積不均勻，金屬晶格的缺陷增多，顯微硬度下降。

圖4 金剛石微粒對復(fù)合電鑄層顯微硬度的影響

壓力對復(fù)合電鑄層顯微硬度的影響，如圖5所示。由圖5可知：壓力在10～14MPa范圍內(nèi)，顯微硬度無明顯變化，均在9 000MPa左右；壓力高于14MPa時，顯微硬度明顯下降；其中10MPa時顯微硬度最高。這主要是因為SCF-CO2由臨界點開始，隨著壓力的增大，密度不斷增大，由氣體向液體轉(zhuǎn)化［2］。不同密度下的超臨界環(huán)境的黏度和表面張力是不同的，吸附分散效果也不同。密度為0.6～0.7kg／cm3時的超臨界流體與金剛石微粒有較好的吸附，更有利于金剛石微粒的分散，因此，顯微硬度有較大幅度的提升［4-5］。

圖5 壓力對復(fù)合電鑄層顯微硬度的影響

3 結(jié)論

（1）與傳統(tǒng)的復(fù)合電鑄方法相比，SCF-CO2電鑄制備的鎳基金剛石微米復(fù)合電鑄層組織均勻，金剛石微粒分散良好，無明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象，其顯微硬度達(dá)到9 100MPa。

（2）壓力在10～14MPa時，SCF-CO2環(huán)境對金剛石微粒的分散效果良好，是開展鎳基金剛石微米復(fù)合電鑄研究的較好環(huán)境。

［1］王正，任晨星，徐向俊，等.金剛石復(fù)合鍍層的研究［J］.腐蝕與防護(hù)，2001，22（7）：283-286.

［2］朱自強(qiáng).超臨界流體技術(shù)——原理和應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000.

［3］YOSHIDA H，SONE H，WAKABAYASHI H，etal.New electroplating method of nickel in emulsion of supercritical carbon dioxide and electroplating solution to enhance uniformity and hardness of plated film［J］.Thin Solid Films，2004，46（2）：194-199.

［4］雷衛(wèi)寧，劉維橋，曲寧松，等.超臨界電化學(xué)沉積技術(shù)的研究進(jìn)展［J］.材料工程，2010（11）：83-87.

［5］王星星，雷衛(wèi)寧.超臨界條件下溫度和壓力對電鑄鎳的影響［J］.電鍍與環(huán)保，2010，30（2）：14-16.