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        脈沖電沉積Ni-TiC復(fù)合鍍層的工藝研究

        2021-10-08 05:48:42張春霞王賀張雅琴耿樂樂郭天霞孫海靜
        遼寧化工 2021年9期
        關(guān)鍵詞:腐蝕電流鍍液耐蝕性

        張春霞,王賀,張雅琴,耿樂樂,郭天霞,孫海靜

        (沈陽理工大學(xué),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(huán)決定,這最薄弱的一環(huán)通常是材料的表面,采用電鍍技術(shù)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(qiáng)度高以及化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點[6-8]。因此,Ni-TiC 復(fù)合鍍層具有廣泛的應(yīng)用前景。

        脈沖電沉積技術(shù)具有操作溫度低、成本低、制備的涂層結(jié)構(gòu)致密、孔隙率低、易于獲得納米晶等優(yōu)點,因此得到了越來越廣泛的關(guān)注[9-11]。然而,目前國內(nèi)外對脈沖電沉積Ni-TiC復(fù)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(fù)合鍍層,通過對不同工藝條件下得到復(fù)合鍍層的硬度、耐蝕性和耐磨性進(jìn)行觀察和分析,系統(tǒng)研究了電流密度、溫度以及鍍液中TiC顆粒質(zhì)量濃度對復(fù)合鍍層性能的影響,以提高復(fù)合鍍層的綜合性能。

        1 實驗部分

        1.1 Ni-TiC 復(fù)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(shù)顯直流恒速攪拌器對鍍液進(jìn)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(fù)合鍍層性能測試

        1.2.1 復(fù)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(fù)合鍍層耐蝕性測試

        采用CHI660E 型電化學(xué)工作站進(jìn)行電化學(xué)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(fù)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(tǒng)一為0.785 cm2,以3.5%NaCl 溶液為腐蝕介質(zhì),在常溫(25±1℃)下進(jìn)行測試。

        1.2.3 復(fù)合鍍層摩擦磨損性能測試

        使用平面磨耗機(jī)(PMJ-Ⅱ)進(jìn)行5 min 平面磨損,先測好鐵片復(fù)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(fù)合鍍層的耐磨性。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 電流密度對復(fù)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(zhì)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(jìn)行電鍍。

        最近兩年來,亞洲以及歐美市場都開始企穩(wěn),而且在過去幾年時間里,品牌們更傾向于開設(shè)自營專賣店,和開展線上銷售業(yè)務(wù),這被認(rèn)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(fù)合鍍層顯微硬度的影響

        不同電流密度下制備復(fù)合鍍層的硬度如表2 所示。由表2 可知,復(fù)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(fù)合鍍層硬度影響

        2.1.2 電流密度對復(fù)合鍍層耐腐蝕性能的影響

        不同電流密度下復(fù)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(jié)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(fù)合鍍層的動電位極化曲線

        表3 不同電流密度下復(fù)合鍍層的腐蝕電位與腐蝕電流

        不同電流密度下復(fù)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(fù)合鍍層的耐蝕性最好,與極化曲線得到的結(jié)果一致。

        圖2 不同電流密度下復(fù)合電鍍層的Nyquist 圖

        2.1.3 電流密度對復(fù)合鍍層的耐磨性能的影響

        不同電流密度下制備的復(fù)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(fù)合鍍層在平面磨耗機(jī)上的磨損率較低。

        表4 不同電流密度下復(fù)合鍍層的磨損率

        2.2 溫度對Ni-TiC 復(fù)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(zhì)量濃度為20 g·L-1,通過控制鍍液中不同的溫度(35~55 ℃)進(jìn)行電鍍。

        2.2.1 溫度對復(fù)合鍍層顯微硬度的影響

        不同溫度下制備的復(fù)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(fù)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(fù)合鍍層硬度的影響

        2.2.2 溫度對Ni-TiC 復(fù)合鍍層耐腐蝕性能的影響

        不同溫度下制備的復(fù)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(dá)到最好。

        圖3 不同溫度下復(fù)合鍍層的動電位極化曲線

        表6 不同溫度下復(fù)合鍍層的腐蝕電位與腐蝕電流

        不同溫度下復(fù)合鍍層的Nyquist 圖見圖4。Nyquist 圖均表現(xiàn)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(fù)合鍍層的耐蝕性最好,與極化曲線得到的結(jié)果一致。

        圖4 不同溫度下復(fù)合鍍層的Nyquist 圖

        2.2.3 溫度對復(fù)合鍍層的耐磨性能的影響

        不同溫度下制備的復(fù)合鍍層的耐磨性能如表7。由表7 可知,復(fù)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(fù)合鍍層的磨損率

        2.3 TiC 顆粒質(zhì)量濃度對復(fù)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(zhì)量濃度(15~35 g·L-1)進(jìn)行電鍍。

        2.3.1 TiC 顆粒濃度對復(fù)合鍍層顯微硬度的影響

        不同TiC 顆粒質(zhì)量濃度下制備的復(fù)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(zhì)量濃度的增加,復(fù)合鍍層的顯微硬度逐漸升高,當(dāng)TiC 質(zhì)量濃度上升到30 g·L-1時,復(fù)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(zhì)量濃度對復(fù)合鍍層硬度的影響

        2.3.2 TiC 顆粒濃度對復(fù)合鍍層耐腐蝕性能的影響

        不同TiC 顆粒質(zhì)量濃度下制備的復(fù)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(zhì)量濃度下復(fù)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(zhì)量濃度的增加,復(fù)合鍍層的腐蝕電流呈先減后增趨勢,質(zhì)量濃度為20~25 g·L-1時,復(fù)合鍍層表現(xiàn)出最佳的耐蝕性能。

        表9 不同TiC 質(zhì)量濃度下復(fù)合鍍層的腐蝕電位和腐蝕電流

        不同TiC 顆粒質(zhì)量濃度下復(fù)合鍍層的Nyquist圖見圖6。由圖6 可知,Nyquist 圖均表現(xiàn)出半圓弧的特征,隨著TiC 顆粒質(zhì)量濃度的增加,容抗弧半徑先變大后減小,即復(fù)合鍍層的耐蝕性先增加后減小。當(dāng)TiC 顆粒質(zhì)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(jié)果一致。

        圖6 不同TiC 顆粒質(zhì)量濃度下復(fù)合鍍層的Nyquist 圖

        2.3.3 TiC 顆粒濃度對復(fù)合鍍層的耐磨性能的影響

        不同TiC 顆粒質(zhì)量濃度下制備的復(fù)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(zhì)量濃度的增加,鍍層的磨損率先減小后增大,在TiC 顆粒質(zhì)量濃度為20 g·L-1的時候,磨損率達(dá)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(jié) 論

        1)利用脈沖電沉積法制備了Ni-TiC 復(fù)合鍍層。

        2)選取施鍍電流密度參數(shù)為5 A·dm-2時復(fù)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(fù)合鍍層硬度最高,耐蝕和耐磨性最好。

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

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