脈沖電沉積Ni-TiC復合鍍層的工藝研究

張春霞，王賀，張雅琴，耿樂樂，郭天霞，孫海靜

（沈陽理工大學，遼寧 沈陽 110159）

材料的服役時間和使用壽命是由其性能最薄弱的一環決定，這最薄弱的一環通常是材料的表面，采用電鍍技術可有效地改善材料的表面性能，提高零件的使用壽命和可靠性[1]。Ni鍍層具有良好的潤滑性、耐磨性、耐蝕性和抗氧化性等綜合性能[2-5]。TiC陶瓷屬于超硬工具材料，具有熔點高、硬度高、模量高、抗彎強度高以及化學穩定性好等優點[6-8]。因此，Ni-TiC 復合鍍層具有廣泛的應用前景。

脈沖電沉積技術具有操作溫度低、成本低、制備的涂層結構致密、孔隙率低、易于獲得納米晶等優點，因此得到了越來越廣泛的關注[9-11]。然而，目前國內外對脈沖電沉積Ni-TiC復合鍍層的研究較少。因此，本文采用脈沖電沉積方法制備 Ni-TiC 復合鍍層，通過對不同工藝條件下得到復合鍍層的硬度、耐蝕性和耐磨性進行觀察和分析，系統研究了電流密度、溫度以及鍍液中TiC顆粒質量濃度對復合鍍層性能的影響，以提高復合鍍層的綜合性能。

1 實驗部分

1.1 Ni-TiC 復合鍍層的制備

電鍍時采用雙脈沖電源提供電流，將電鍍液放在直徑150 mm 的圓形玻璃鍍槽中，通過水浴加熱來保持溫度，通過數顯直流恒速攪拌器對鍍液進行攪拌。陽極為純鎳板，陰極為鋼基體。鍍液配方及工藝條件如表 1 所示。

1.2 Ni-TiC 復合鍍層性能測試

1.2.1 復合鍍層硬度測試

采用FM-300 顯微維氏硬度計測量鍍層硬度。

1.2.2 復合鍍層耐蝕性測試

采用CHI660E 型電化學工作站進行電化學測試，研究鍍層耐蝕性能。使用三電極體系，其中工作電極為帶有復合鍍層的鋼試片，輔助電極為213型鉑電極，參比電極為217 型飽和甘汞電極，工作電極的面積統一為0.785 cm2，以3.5%NaCl 溶液為腐蝕介質，在常溫（25±1℃）下進行測試。

1.2.3 復合鍍層摩擦磨損性能測試

使用平面磨耗機（PMJ-Ⅱ）進行5 min 平面磨損，先測好鐵片復合鍍層的重量，磨耗之后測得減重，通過對比在不同條件下形成的鍍層的磨損量來得出鐵片復合鍍層的耐磨性。

2 結果與討論

2.1 電流密度對復合鍍層性能的影響

按表1 的實驗配方配制鍍液，其中溫度為45 ℃，TiC 顆粒質量濃度為20 g·L-1，通過控制雙脈沖電源提供不同的電流密度（3～7 A·dm-2）進行電鍍。

最近兩年來，亞洲以及歐美市場都開始企穩，而且在過去幾年時間里，品牌們更傾向于開設自營專賣店，和開展線上銷售業務，這被認為是不再那么需要展會的直接原因之一。

表1 鍍液配方及工藝

2.1.1 電流密度對復合鍍層顯微硬度的影響

不同電流密度下制備復合鍍層的硬度如表2 所示。由表2 可知，復合鍍層的顯微硬度隨電流密度的增大而增大。

表2 電流密度對Ni-TiC 復合鍍層硬度影響

2.1.2 電流密度對復合鍍層耐腐蝕性能的影響

不同電流密度下復合鍍層的動電位極化曲線如圖1，擬合得到其腐蝕電位和腐蝕電流如表3 所示。結果顯示，隨著施鍍電流密度的增大，鍍層腐蝕電流密度先減小后增大，施鍍電流密度為4～5 A·dm-2時，腐蝕電位最大，腐蝕電流密度最小，說明此時耐蝕性最佳。

圖1 不同電流密度下復合鍍層的動電位極化曲線

表3 不同電流密度下復合鍍層的腐蝕電位與腐蝕電流

不同電流密度下復合鍍層的Nyquist 圖如圖2所示。由圖2 可知，隨著施鍍電流密度增大，容抗弧半徑先增大后減小，I=4 A·dm-2時容抗弧的半徑最大，即此時復合鍍層的耐蝕性最好，與極化曲線得到的結果一致。

圖2 不同電流密度下復合電鍍層的Nyquist 圖

2.1.3 電流密度對復合鍍層的耐磨性能的影響

不同電流密度下制備的復合鍍層的耐磨性能如表4 所示。由表4 可知，電流密度在5～7 A·dm-2時，復合鍍層在平面磨耗機上的磨損率較低。

表4 不同電流密度下復合鍍層的磨損率

2.2 溫度對Ni-TiC 復合鍍層性能的影響

按表1 的實驗配方配制鍍液，其中電流密度為5 A·dm-2，TiC 顆粒質量濃度為20 g·L-1，通過控制鍍液中不同的溫度（35～55 ℃）進行電鍍。

2.2.1 溫度對復合鍍層顯微硬度的影響

不同溫度下制備的復合鍍層的硬度如表5 所示。由表5 可以看出，隨著溫度增大，復合鍍層的硬度先增大后減小，45 ℃時硬度最高。

表5 溫度對Ni-TiC 復合鍍層硬度的影響

2.2.2 溫度對Ni-TiC 復合鍍層耐腐蝕性能的影響

不同溫度下制備的復合鍍層的動電位極化曲線如圖3 所示，擬合得到其腐蝕電位和腐蝕電流如表6 所示。由表6 可知，鍍層耐蝕性能隨溫度的升高呈先增后減趨勢，45 ℃時，耐蝕性能達到最好。

圖3 不同溫度下復合鍍層的動電位極化曲線

表6 不同溫度下復合鍍層的腐蝕電位與腐蝕電流

不同溫度下復合鍍層的Nyquist 圖見圖4。Nyquist 圖均表現出半圓弧的特征，容抗弧半徑隨溫度呈先增后減趨勢，45 ℃時半徑最大，即此時復合鍍層的耐蝕性最好，與極化曲線得到的結果一致。

圖4 不同溫度下復合鍍層的Nyquist 圖

2.2.3 溫度對復合鍍層的耐磨性能的影響

不同溫度下制備的復合鍍層的耐磨性能如表7。由表7 可知，復合鍍層的磨損率隨電鍍溫度增大先減后增，45 ℃時磨損率最低，耐磨性能最好。

表7 不同溫度下復合鍍層的磨損率

2.3 TiC 顆粒質量濃度對復合鍍層性能的影響

按表1 的實驗配方配制鍍液，其中溫度為45 ℃，電流密度為5A·dm-2，通過控制鍍液中不同的TiC 顆粒質量濃度（15～35 g·L-1）進行電鍍。

2.3.1 TiC 顆粒濃度對復合鍍層顯微硬度的影響

不同TiC 顆粒質量濃度下制備的復合鍍層的硬度如表8 所示表。由表8 可以看出，隨著TiC 顆粒質量濃度的增加，復合鍍層的顯微硬度逐漸升高，當TiC 質量濃度上升到30 g·L-1時，復合鍍層顯微硬度升高的趨勢開始平緩。

表8 鍍液中TiC 顆粒質量濃度對復合鍍層硬度的影響

2.3.2 TiC 顆粒濃度對復合鍍層耐腐蝕性能的影響

不同TiC 顆粒質量濃度下制備的復合鍍層的動電位極化曲線如圖5 所示，擬合得到其腐蝕電位和腐蝕電流如表9 所示。

圖5 不同TiC 質量濃度下復合鍍層的動電位極化曲線

由圖5 和表9 可以看出，隨著鍍液中TiC 顆粒質量濃度的增加，復合鍍層的腐蝕電流呈先減后增趨勢，質量濃度為20～25 g·L-1時，復合鍍層表現出最佳的耐蝕性能。

表9 不同TiC 質量濃度下復合鍍層的腐蝕電位和腐蝕電流

不同TiC 顆粒質量濃度下復合鍍層的Nyquist圖見圖6。由圖6 可知，Nyquist 圖均表現出半圓弧的特征，隨著TiC 顆粒質量濃度的增加，容抗弧半徑先變大后減小，即復合鍍層的耐蝕性先增加后減小。當TiC 顆粒質量濃度為20 g·L-1時容抗弧半徑最大，耐蝕性也最好，與極化曲線得到的結果一致。

圖6 不同TiC 顆粒質量濃度下復合鍍層的Nyquist 圖

2.3.3 TiC 顆粒濃度對復合鍍層的耐磨性能的影響

不同TiC 顆粒質量濃度下制備的復合鍍層的耐磨性能如表10 所示。由表10 可知，隨著鍍液中TiC 顆粒質量濃度的增加，鍍層的磨損率先減小后增大，在TiC 顆粒質量濃度為20 g·L-1的時候，磨損率達到最低，耐磨性能最佳。

表10 不同的TiC 顆粒濃度對摩擦磨損性能的影響

4 結 論

1）利用脈沖電沉積法制備了Ni-TiC 復合鍍層。

2）選取施鍍電流密度參數為5 A·dm-2時復合鍍層耐蝕和耐磨性最好。

3）選取施鍍溫度為45 ℃時得到的復合鍍層硬度最高，耐蝕和耐磨性最好。

4）添加TiC 顆粒質量濃度為20 g·L-1時復合鍍層耐蝕性和耐磨性最好。