方莉俐， 程丙良， 吳曉雷， 喬 磊

(中原工學院， 鄭州 450007)

人造金剛石具有硬度高、耐磨損、耐腐蝕的優(yōu)良性能，可制作成用于切割、磨削、鉆探的金剛石工具；同時，它存在加熱易氧化、石墨化，與大多數(shù)金屬、合金、結合劑之間有著高界面能等缺點，在實際使用過程中易脫落流失，導致金剛石工具的使用壽命短，加工效率低[1]。采用電鍍方法可以在金剛石顆粒表面鍍覆一層金屬薄膜，以減少高溫環(huán)境下金剛石顆粒的熱損傷，增強其與基體間的結合力，減少金剛石脫落，從而提高金剛石顆粒的利用率和金剛石工具的加工效率，延長其制品的使用壽命[2-3]。

在金剛石顆粒表面鍍覆和金剛石-鎳復合電鍍中，電鍍液的成分對鍍液性能和鍍層質量影響很大。由于金剛石顆粒太小，鍍層品質檢測困難，而用銅片替代金剛石，即在銅片上鍍鎳，探究電鍍液成分對鍍液性能和鍍層質量的影響，可以達到與金剛石表面鍍覆鎳的相似效果且便于檢測，所以用銅片代替金剛石進行電鍍。本文以使用最廣泛的瓦特鍍鎳液為基礎，加入一定量的十二烷基硫酸鈉，在銅片上鍍鎳。由于電鍍過程中存在強制對流，使得電鍍情況復雜化，因此，本文只探究在自然對流下電鍍液成分對鍍液性能和鍍層質量的影響。

1 實 驗

1.1 實驗設計

實驗工藝流程為：基底除油污→水洗→干燥→稱重→入槽電鍍→水洗→干燥→稱重→性能檢測。

實驗工藝參數(shù)如下：溫度25 ℃，陰極電流密度1 A/dm2，陰陽極面積比為1.5∶1，電鍍時間2 h，實驗電源為RXN-3010D型直流穩(wěn)壓電源(深圳市兆信電子儀器設備有限公司生產)。

為探究電鍍液中各成分的濃度變化對鍍液性能的影響，設計四因素四水平正交試驗表。各因素水平如表1所示(表中硫酸鎳、氯化鎳為六水合硫酸鎳、六水合氯化鎳)。

表1 正交試驗因素水平表

將測得的各性能的實驗數(shù)據(jù)轉換為隸屬度，采用綜合評分法分析數(shù)據(jù)[4]。隸屬度的計算方法為：

由于陰極增重、表面粗糙度、沉積電位、自腐蝕電位和自腐蝕電流密度等5個指標對于鍍層性能都很重要，所以各指標所占比重皆取為0.2。鍍層的表面粗糙度和自腐蝕電流密度越小，鍍液的沉積電位越負，鍍液的性能就越好。為了方便起見，在計算綜合評分時將這3項指標的隸屬度換為：1-各自的隸屬度[5]。綜合評分的計算方法為：

綜合評分=[陰極增重隸屬度+(1-表面粗糙度隸屬度)+(1-沉積電位隸屬度)+自腐蝕電位隸屬度+(1-自腐蝕電流密度隸屬度)]×0.2

1.2 性能檢測

用FA2004型電子天平(上海佑科儀器儀表有限公司生產)稱重；用XJZ-A3型金相顯微鏡(舜宇光學科技有限公司生產)觀察鍍層的微觀形貌；用TR100袖珍式表面粗糙度測量儀(北京時代之風科技有限公司生產)測量鍍層的表面粗糙度；以待鍍片作為工作電極，鉑電極作為對電極，飽和甘汞電極作為參比電極組成三電極系統(tǒng)，采用CHI660E電化學工作站(上海辰華儀器有限公司生產)分別測得各組的陰極極化曲線以得到沉積電位；以實驗所得鍍片作為工作電極，在質量分數(shù)為3.5% 的氯化鈉溶液中測得1 cm2鍍層的Tafel曲線以得到鍍層的自腐蝕電位和自腐蝕電流密度。

2 結果與分析

2.1 正交試驗結果分析

正交試驗所得數(shù)據(jù)見表2，極差分析結果見表3，綜合評分結果見表4。

表2 正交試驗結果

表3 正交試驗極差結果

表4 正交試驗結果分析

由表3可知，對鍍層陰極增重影響最大的為硼酸，對鍍層表面粗糙度、沉積電位、自腐蝕電位和自腐蝕電流密度影響最大的為氯化鎳。由表4可知，對鍍層綜合性能影響程度由大到小依次為：硼酸>氯化鎳>十二烷基硫酸鈉>硫酸鎳。鍍液成分的最優(yōu)配比為：NiSO4·6H2O 250 g/L，NiCl2·6H2O 40 g/L，H3BO320 g/L，SDS 0.05 g/L。

2.2 鍍層形貌

電鍍后直接觀察各鍍片的形貌，各鍍片鍍層方向有不同程度的彎曲(如圖1所示)，這是鍍層拉應力作用的結果。圖2所示為50倍率下鍍片上麻點的金相圖。在16組鍍片中，只有1、6、7、11、12、14、16號鍍片出現(xiàn)麻點。其中，1、7、12、14號鍍片出現(xiàn)麻點是因為鍍液中未添加十二烷基硫酸鈉，而十二烷基硫酸鈉作為鍍液中的潤濕劑，起到減少或消除麻點的作用[6]。6、11、16號鍍液中雖然添加有十二烷基硫酸鈉，但是硼酸的含量較少，而硼酸作為穩(wěn)定劑在電鍍液中起到很重要的作用。用控制變量法改變硼酸的濃度，補做17號實驗(實驗結果見表5)。對比表5中2號(2號鍍片無麻點，且硼酸和十二烷基硫酸鈉的含量較少)和17號實驗結果可知，盡管鍍液中加入了十二烷基硫酸鈉，但當硼酸含量偏低時，鍍層上依然會出現(xiàn)麻點。所以，鍍層出現(xiàn)麻點是十二烷基硫酸鈉和硼酸共同作用的結果，鍍液中十二烷基硫酸鈉和硼酸的含量較低時，靜置電鍍就會產生麻點。

圖1 鍍層彎折

圖2 鍍層麻點金相圖(×50)

表5 2號和17號實驗結果

2.3 陰極增重

鍍液首次使用和重復使用后的陰極增重情況如圖3所示，兩次陰極增重的極差結果如表6所示(鍍液第一次使用所得樣品的陰極增重用M表示，鍍液重復使用所得樣品的陰極增重用m表示)。

圖3 鍍液第一次使用和重復使用的陰極增重情況

表6 陰極增重極差結果

由圖3可知，鍍液重復使用后，陰極增重有所增加。這是由于十二烷基硫酸鈉作為一種表面活性劑，在電鍍過程中會吸附在鍍層表面上，有些還未來得及脫附鍍層的十二烷基硫酸鈉會以整個分子進入鍍層之中；而靜置狀態(tài)下的鍍液加劇了這種情況，造成鍍液多次使用后，陰極增重有所增加[7]。

由表6可知，對鍍層陰極增重影響最大的為硼酸，這是因為硼酸作為緩沖劑，在鍍液中起穩(wěn)定pH值的緩沖作用。而實驗中電鍍液處于靜置狀態(tài)，僅存在自然對流，硼酸無法有效地起到穩(wěn)定鍍液pH的作用，造成鍍層麻點增加，加劇了十二烷基硫酸鈉分子進入到鍍層中，使鍍層增重增加。

2.4 鍍液的不同位置對鍍層耐腐蝕性能的影響

鍍片與鍍槽側面的面積相同，近似認為鍍液的不同位置對鍍層耐腐蝕性能的影響體現(xiàn)在鍍片的相應位置上。在同一鍍片的邊緣和中間位置由下往上各取部分鍍層，編號為1-6(如圖4所示)，分別測得鍍層不同位置的自腐蝕電位和自腐蝕電流密度。圖5和圖6為鍍液的不同位置對鍍層自腐蝕電位和自腐蝕電流密度的影響。

圖4 鍍層所取測試位置

由圖5和圖6可知，鍍層中間位置的自腐蝕電位會比邊緣處較正一些，自腐蝕電流密度會比邊緣處較小一些，鍍層中間位置的耐腐蝕性能較好一些。這是因為實驗時電鍍液為靜置狀態(tài)，僅存在自然對流，鍍液中各位置各成分的濃度不均衡。由表3可知，對自腐蝕電位和自腐蝕電流密度影響最大的為氯化鎳。所以，造成鍍層各位置的自腐蝕電位和自腐蝕電流密度不同的主要原因是鍍液中各位置的氯化鎳濃度不均衡。

3 結 語

本文以瓦特鍍鎳液為基礎，加入一定量的十二烷基硫酸鈉，在銅片上鍍鎳，探究自然對流下電鍍液成分對鍍液性能和鍍層質量的影響。結論如下：

(1)未加外界攪拌時，對鍍層陰極增重影響最大的為硼酸，對鍍層表面粗糙度、沉積電位、自腐蝕電位和自腐蝕電流密度影響最大的為氯化鎳。綜合考慮各項指標，金剛石-鎳復合電鍍鍍液的最優(yōu)配比為：NiSO4·6H2O 250 g/L，NiCl2·6H2O 40 g/L，H3BO320 g/L，SDS 0.05 g/L。

(2)鍍層出現(xiàn)麻點是十二烷基硫酸鈉和硼酸共同作用的結果，鍍液中十二烷基硫酸鈉和硼酸的含量較低時，鍍層會出現(xiàn)麻點。

(3)僅考慮自然對流時，鍍液的重復使用會加劇十二烷基硫酸鈉分子進入鍍層之中，導致陰極增重有所增加；鍍液中氯化鎳的濃度不勻會造成鍍層各位置的耐腐蝕性能不一致，鍍層中間位置的耐腐蝕性能會比邊緣處好一些。

[1] 薛麗沙. 人造金剛石表面鍍覆及應用研究[D]. 鄭州：中原工學院, 2016.

[2] 王秦生, 王小軍. 金剛石表面鍍層在磨具中的作用機理[J]. 金剛石與磨料磨具工程, 2006, 155 (5): 5-9.

[3] 項東, 李木森, 許斌,等. 鍍覆金剛石技術的研究進展[J]. 超硬材料工程, 2006, 18(3):44-49.

[4] 李云雁, 胡傳榮. 試驗設計與數(shù)據(jù)處理[M]. 北京：化學工業(yè)出版社, 2009.

[5] 王守兵, 高虹, 馬夢迪. 鎳_二氧化鋯復合電沉積工藝優(yōu)化及其對鋼表面的毛化效果[J]. 電鍍與涂飾, 2015, 34(23):1335-1339.

[6] 方莉俐. 大面積自支撐金剛石-金屬復合膜的電鑄研究及其應用[D]. 鄭州：鄭州大學, 2006.

[7] 張曉明.普通鍍鎳槽液中加入十二烷基硫酸鈉對鎳鍍層的影響[J]. 電鍍與精飾, 1978 (7) :18-24.