Ni-B4C復合涂層制備工藝及性能的研究

徐興莉

（甘肅有色冶金職業技術學院 冶金與材料工程系，甘肅 金昌 737100）

0 引言

復合鍍層是以一種金屬為基體，通過電沉積或化學鍍方法將惰性固體微粒夾雜在金屬鍍層中獲得的鍍層，因其具有許多金屬及合金所不具備的性能，如具有較高的硬度、耐磨性、自潤滑性、特殊的裝飾外觀以及電接觸、電催化等功能，從而擴大了復合材料的應用范圍及使用壽命，在工程技術中得到了廣泛的應用，已發展成為復合材料中的一個重要的組成部分，與熱加工制備復合材料相比，以電沉積方法獲得的復合鍍層能在一定程度上更易于控制材料組成和性能[1]。復合電鍍已被認為是當前解決高溫耐腐蝕、高溫強度以及某些特殊情況下磨損等問題的一種很有前途的方法，是制取復合材料的一種先進方法[2]。由于鎳基復合鍍層具有很好的高溫耐磨性能，且在較高壓力及速度的工作條件以及錘擊或沖擊力作用下，鎳基復合鍍層都表現出優良的綜合性能。因此，研究并找到一種制備Ni- B4C 復合涂層的方法，使其既節能有利于環保，同時能適用于各種不同類型金屬表面鍍層要求的電鍍工藝，將具有廣闊的市場效益和發展前景[3]。

1 研究和實驗內容

1.1 研究內容

（1）通過電鍍方法獲得了Ni-B4C 復合鍍層，采用正交試驗確定了Ni-B4C 復合鍍層的最佳配方和工藝。

（2）研究了鍍液中B4C 含量對Ni-B4C 復合鍍層的顯微硬度、高溫抗氧化性能和耐蝕性能的影響。

1.2 實驗內容

（1）實驗材料：陽極為（40×15×10）mm 的純鎳板；陰極為（20×15×5）mm 的Q235 鋼。

（2）實驗儀器：整流器、恒溫磁力攪拌器，恒溫水浴鍋、電子天平、顯微鏡、涂層測厚儀，PH 試紙，量筒，棉線，玻璃棒等。

（3）實驗工藝流程圖，見圖1。

（4）小槽實驗。

圖1 實驗工藝流程

本實驗中采用250mL 燒杯為電解槽，陽極材料為純鎳板，陰極為Q235 鋼片，陰陽極比例為1:2，極間距30 mm，電源采用直流穩壓電源，溫度和速度由恒溫磁力攪拌器控制。采用正交實驗設計，通過改變表面活性劑類型、加入量、pH 值、電流密度攪拌等工藝參數來觀察工藝條件對復合鍍層的影響[4]，最終確定了復合鍍層的最佳鍍液組成以及工藝參數，如表1 所示。

（5）鍍層的性能檢測：①涂層厚度的測試，用涂層測厚儀測量涂層的厚度，可目視檢查表面的光潔度和平整度，表面有無斑點、裂紋等缺陷；②涂層顯微硬度測試，在維氏硬度計上測定涂層的維氏硬度，工作條件為：載荷200g，加載時間為15s；③涂層抗氧化性評價，將電鍍純鎳和鍍液中B4C 含量為5g/L、10g/L、15g/L、20g/L、25g/L 的電鍍Ni-B4C 復合涂層的試樣，放入馬弗爐中，在650℃保溫6h，隨爐冷卻后取出后測定各試樣增重△G，并換算為單位面積單位時間的氧化增重；④涂層腐蝕性能表征。

表1 鍍液組成及工藝參數

腐蝕實驗采用腐蝕失重的方法，將不同B4C 含量的試樣在10%H2SO4溶液浸泡60 小時，每12 小時稱重一次。根據腐蝕前后單位試樣表面的重量差，來確定涂層的耐蝕性。

2 結果分析

2.1 B4C 含量對涂層厚度及沉積速率的影響

表2 為Ni-B4C 復合涂層厚度與沉積速率的關系。實驗表明，隨著鍍液中B4C 含量的增加，復合涂層的厚度和沉積速率都在增加，涂層的沉積速率一般為13μm/h～20μm/h。

表2 涂層厚度與沉積速率

2.2 B4C 含量對涂層顯微硬度的影響

圖2 為鍍液中B4C 含量與涂層硬度的關系，實驗表明，隨著B4C 顆粒加入量的增加，鍍層的顯微硬度明顯增加，鍍層中B4C 含量越大，鍍層的硬度就越大。其原因主要一是當涂層中B4C 含量增多時，彌散強化作用增強，因而其強度、硬度相應增加；二是在基質金屬鎳與B4C 等微粒共沉積時，在晶粒沉積生長過程中，會使晶體內的位錯密度增加，因而使涂層得以強化[5]。

2.3 B4C 含量對涂層高溫抗氧化性的影響

圖2 鍍液中B4C 含量與涂層硬度的關系

圖3 為不同B4C 含量的Ni-B4C 復合涂層的高溫抗氧化性實驗圖，其實驗條件為純鎳涂層和B4C含量為5g/L、10g/L、15g/L、20g/L、25g/L 時的試樣，在650℃下分別保溫6 小時，各試樣的氧化性遞增曲線。實驗表明，在復合電沉積過程中隨著鍍液中B4C顆粒的增加，復合涂層的氧化速率顯著降低，即其抗氧化性明顯增加。這是因為微細的B4C 顆粒彌散分布在Ni 基體表面上，使得Ni 基體與氧化介質接觸有效面積減少，從而氧化增重顯著降低[6]。

圖3 不同B4C 含量的Ni-B4C 復合涂層的高溫抗氧化性

2.4 B4C 含量對涂層耐蝕性的影響

將試樣的失重量，轉化為單位面積單位時間的失重量，即腐蝕速率。如圖4 所示，曲線B、C、D、E、F、G 分別為電鍍純鎳和鍍液中B4C 含量為5g/L、10g/L、15g/L、20g/L、25g/L 的涂層隨時間變化的腐蝕曲線。由圖可見，隨著鍍液中B4C 顆粒的增加復合鍍層的腐蝕速率增加，即復合涂層的抗腐蝕性降低了。由于B4C 顆粒粒徑和表面狀態不同，顆粒表面與Ni 交界處存在晶界、位錯，使得涂層浸在腐蝕介質中時涂層各處的電位不相同，產生微電池作用即晶間腐蝕，所以復合鍍層耐蝕性降低[7]。

圖4 不同B4C 含量的Ni-B4C 復合涂層的耐蝕性

3 結論

（1）通過電鍍方法獲得了Ni-B4C 復合鍍層，根據正交實驗確定了Ni-B4C 復合鍍層的最佳配方和工藝，詳見表1。

（2）電鍍Ni-B4C 復合鍍層試驗中，隨著B4C 顆粒加入量的增加，鍍層的顯微硬度明顯增加，鍍層中B4C 含量越大，鍍層的硬度就越大。

（3）電鍍Ni-B4C 復合鍍層試驗中，B4C 微粒加入到電鍍Ni 復合鍍層中可顯著地提高其抗氧化性。

（4）B4C 微粒加入到電鍍Ni 復合鍍層中可降低鍍層的耐腐蝕性。

[1]郭鶴桐，張三元. 復合鍍層[M]. 天津: 天津大學出版社，2002.

[2]李衛東，等. 電沉積復合鍍層的研究現狀[J].電鍍與涂飾，2000，5.

[3]張愛玲.Ni -ZrO2復合電鍍工藝[J].電鍍與環保，1996，2.

[4]彭群家，等. Ni-ZrO2復合電沉積機理的研究[J].電化學，1999，1.