余 德, 李雪松, 吳 化
(1.沈陽(yáng)鐵路局 長(zhǎng)春特種設(shè)備檢測(cè)所,吉林 長(zhǎng)春 130022;2.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,吉林 長(zhǎng)春 130012)
脈沖電沉積Ni-SiC納米復(fù)合鍍層的工藝及性能
余 德1, 李雪松2, 吳 化2
(1.沈陽(yáng)鐵路局 長(zhǎng)春特種設(shè)備檢測(cè)所,吉林 長(zhǎng)春 130022;2.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,吉林 長(zhǎng)春 130012)
采用脈沖電沉積技術(shù)在銅基表面制備N(xiāo)i-SiC納米復(fù)合鍍層。利用掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)、顯微硬度計(jì)及電化學(xué)測(cè)試,研究了納米SiC微粒的質(zhì)量濃度對(duì)復(fù)合鍍層的表面形貌、組織結(jié)構(gòu)、顯微硬度以及耐蝕性的影響。結(jié)果表明:當(dāng)納米SiC微粒的質(zhì)量濃度為6~9g/L時(shí),制備的復(fù)合鍍層組織細(xì)密,顯微硬度最高可達(dá)7 730MPa,并且耐蝕性也有了較大的提高。
脈沖電沉積;納米復(fù)合鍍層;表面形貌;組織性能
隨著科技的發(fā)展,單組分材料已難以滿足工業(yè)發(fā)展的特殊要求。開(kāi)發(fā)各種新型結(jié)構(gòu)材料與功能材料,是目前材料科學(xué)中的一個(gè)重要研究方向。復(fù)合鍍層具有硬度和耐磨性高、自潤(rùn)滑性好、制備方便、組成易于控制等優(yōu)點(diǎn),已在航空航天、機(jī)械制造、電子材料等領(lǐng)域中得到廣泛的研究和應(yīng)用[1-3]。本文采用Watts鍍液,選擇粒徑約為45nm的SiC微粒為第二相微粒,使用脈沖電源制備N(xiāo)i-SiC納米復(fù)合鍍層。同時(shí)對(duì)所得復(fù)合鍍層的顯微硬度以及耐蝕性進(jìn)行了研究,重點(diǎn)討論了鍍液中納米SiC微粒的質(zhì)量濃度對(duì)復(fù)合鍍層性能的影響。
基體試樣采用純銅板,規(guī)格為40mm×30mm×3mm。
鍍液的總體積為1L,其配方為:NiSO4·6H2O 290g/L,NiCl2·6H2O 50g/L,H3BO340g/L,SiC 1~5g/L,十二烷基硫酸鈉(潤(rùn)濕劑)0.5~1.0g/L,丁炔二醇(光亮劑)0.5~1.0g/L,以上試劑均為分析純,鍍液采用蒸餾水配制。
由于納米微粒本身具有非常高的表面活性和極大的比表面積,在鍍液中極易發(fā)生團(tuán)聚。解決團(tuán)聚問(wèn)題是納米復(fù)合電鍍的關(guān)鍵。為了在鍍液中得到高分散度的納米SiC微粒,先用少量含分散劑的配制液將納米SiC微粒充分潤(rùn)濕,然后在超聲波下振蕩5~6h,最后將其加入鍍液中。納米SiC微粒及復(fù)合鍍層的TEM形貌,如圖1所示。
圖1 納米SiC微粒及復(fù)合鍍層的TEM形貌
在pH值4~5,(50±2)℃,60min的條件下,研究了納米SiC微粒的質(zhì)量濃度對(duì)復(fù)合鍍層表面形貌的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果,如圖2所示。由圖2可知:隨著鍍液中納米SiC微粒的質(zhì)量濃度的增加,復(fù)合鍍層更加致密、結(jié)晶更加細(xì)致,基本上消除了團(tuán)簇形態(tài);尤其是當(dāng)納米SiC微粒的質(zhì)量濃度為6g/L時(shí),晶粒團(tuán)簇邊界幾乎消失。這表明在鍍液中加入納米SiC微粒起到了細(xì)化鍍層晶粒尺寸的作用。
圖2 納米SiC微粒對(duì)復(fù)合鍍層表面形貌的影響
在pH值4~5,(50±2)℃,60min的條件下,研究了納米SiC微粒的質(zhì)量濃度對(duì)復(fù)合鍍層顯微硬度的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果,如表1所示。顯微硬度測(cè)試采用的載荷為0.5N,加載時(shí)間為15s。由表1可知:鍍液中納米SiC微粒的質(zhì)量濃度對(duì)復(fù)合鍍層的顯微硬度影響較大。隨著鍍液中納米SiC微粒的質(zhì)量濃度的增加,鍍層的顯微硬度逐漸增大;當(dāng)納米SiC微粒的質(zhì)量濃度為6g/L時(shí),顯微硬度達(dá)到最大值;此后,繼續(xù)增加納米SiC微粒的質(zhì)量濃度,顯微硬度反而呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。這是因?yàn)殄円褐屑{米微粒的質(zhì)量濃度對(duì)鍍層中納米微粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有很大的影響。鍍液中納米微粒的質(zhì)量濃度過(guò)低時(shí),其到達(dá)工件表面的幾率就會(huì)減小,當(dāng)然被吸附的幾率也會(huì)很小;過(guò)大時(shí),不僅阻礙了其向工件表面的傳輸過(guò)程,還將覆蓋一些陰極表面上的活化點(diǎn),不利于金屬離子的還原沉積,反而使鍍層的顯微硬度降低。
表1 納米SiC微粒對(duì)復(fù)合鍍層顯微硬度的影響
在納米SiC微粒的質(zhì)量濃度為0,3,6,9g/L的條件下,所得復(fù)合鍍層在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液中的極化曲線,如圖3所示。采用三電極體系進(jìn)行測(cè)量,輔助電極為鉑電極,參比電極為飽和甘汞電極。由圖3可知:添加第二相納米SiC微粒后,由于彌散強(qiáng)化作用,使鍍層晶粒得到明顯的細(xì)化,但是其耐蝕性變化較小。其主要原因?yàn)椋弘m然細(xì)化晶粒使耐蝕性提高,但第二相納米SiC微粒的加入又增加了腐蝕原電池的數(shù)量,使耐蝕性下降,綜合結(jié)果是耐蝕性變化較小,或稍有提高。
圖3 鍍層的極化曲線
(1)添加納米微粒后,所得復(fù)合鍍層結(jié)晶細(xì)致,不顯示明顯的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)。同時(shí)由于納米SiC微粒的彌散強(qiáng)化作用,使復(fù)合鍍層具有較高的顯微硬度,最高可達(dá)7 730MPa。
(2)納米SiC微粒的加入會(huì)改變鍍層的性能。隨著鍍液中納米SiC微粒的質(zhì)量濃度的增加,鍍層表面的胞狀物逐漸細(xì)化,且分布相對(duì)均勻,使復(fù)合鍍層的自腐蝕電位正移,表現(xiàn)出較好的耐蝕性。
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[1]郭鶴桐,張三元.復(fù)合鍍層 [M].天津:天津大學(xué)出版社,1991.
[2]孫穎,李燕青,魏曉偉,等.鎂合金表面防護(hù)研究進(jìn)展[J].四川工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2004,23(4):4-6.
[3]HONG Q,YAO G,CHEN S.Development of iron matrix antifriction composite coatings[J].Metal Finishing,1998,96(10):3-8.
Process and Properties of Ni-SiC Nano-Composite Coating Prepared by Pulse Electro-deposition
YU De1, LⅠ Xue-song2, WU Hua2
(1.Changchun Special Equipment Inspection Institute,Shenyang Railway Bureau,Changchun 130022,China;2.Key Laboratory of Advanced Structural Materials,Ministry of Education,Changchun University of Technology,Changchun 130012,China)
The Ni-SiC nano-composite coating was prepared on copper surface by pulse electro-deposition technology.The effects of the mass concentration of nano-particles on the surface morphology,microstructure,microhardness and corrosion resistance of the composite coating were investigated by scanning electronic microscopy (SEM),transmission electron microscope(TEM),microhardness tester and electrochemical test.The results show that a nano-composite coating with fine grains can be obtained when the mass concentration of nano-particles is 6~9g/L,of which the maximum microhardness can reach 7 730MPa and the corrosion resistance is also much improved.
pulse electro-deposition;nano-composite coating;surface morphology;structure property
TQ 153
A
1000-4742(2013)01-0021-03
2011-11-01