1、1脉冲电沉积 Ni-SiC 复合镀层及其性能的研究摘要：本文将脉冲电流应用于复合电沉积过程中，与纳米粉材料有机结合，制备了含有SiC 微粒的镍基复合镀层，研究了镀液 SiC 含量、脉冲峰值电流密度、脉冲占空比等因素对不锈钢(45#) 表面 Ni-SiC 复合镀层的影响规律。利用扫描电子显微镜(SEM) 分析了复合镀层的表面形貌，同时对镀层的显微硬度、表面粗糙度及耐磨性进行了分析研究。结果表明：(1)脉冲电流使所得镀层晶粒细化；(2) 与纯镍镀层相比，由于 SiC 固体微粒的加入，复合镀层的晶体结构发生了明显的变化；(3)峰值电流密度增大，复合镀层的硬度上升，表面粗糙度下降；(4)在平均电流密度
2、不变的情况下，占空比的大小直接反映了峰值电流密度的大小，占空比增大，复合镀层的硬度下降，磨损率上升。关键词：脉冲、复合电沉积、Ni-SiC、复合镀层A study of Pulse Electrodeposited Ni-SiC Composite Coating and its PropertiesStudent: Chen LiTutor: Yang Wu (College of Chemistry and Chemical Engineering, Northwest Normal University,Lanzhou 730070,Gansu,China)Abstract: A com
3、posite coating of Ni matrix containing nano-SiC powder is prepared by pulse current electrodeposition. The influence of technological condition, such as SiC content in bath, peak current density, pulse current on-off ratio, on the property of Ni-SiC composite coating on the 45# steel substrates were
4、 investigated in detail. The morphology of the composite coating were analyzed by using SEM. The microhardness, surface roughness and wear behavior of Ni-SiC composite coating were investigated. The result show:(1)The pulse current make the crystal size of Ni matrix smaller;(2)Compare with pure Ni c
5、oating, the crystallization of the Ni matrix change due to the SiC particles incorporation;(3)The microhardness of composite coating increase and the surface roughness decrease with the increase of pulse peak current density;(4)Under the condition of same average current density, the microhardness o
6、f composite coating decrease, and the rate of wear increase with the increase of on-off ratioKey words: Pulse, Composite electrodeposition, Ni-SiC, Composite coating2第一章 综 述1.复合电镀随着工业和高新技术的飞速发展，单一材料已难以满足特殊需要，因此各种有特定功能的复合镀层及复合电镀技术的研究日益增强，它在材料的表面保护、表面处理、表面改性及表面强化等方面越来越显示出不可取代的重要地位。复合电镀(composite plati
7、ng)是通过金属电沉积的方法，将一种或数种不溶性的固体微粒均匀地夹杂到金属镀层中，以获得具有特殊性能的复合镀层的工艺过程 1。其镀层是在保持原有基质金属镀层性质的同时，强化了原有金属镀层的性质，并对原镀层进行了改性，这就使复合镀层的功能具有相当的自由度，可以获得耐磨、自润滑、耐蚀、装饰、电接触等功能性镀层。因此，复合电沉积技术为改变或调节材料的机械、物理和化学性能提供了极大的可能性和多样性，在工程技术中获得了广泛的应用 2。1.1 复合电镀的基本原理复合电镀的基本原理主要是金属离子的阴极还原反应，同时伴随着固体微粒的共沉积过程。电源的正极接基质金属片，作为电镀时的阳极；电源的负极接被镀物件，作
8、为电镀时的阴极。阳极常采用可溶性基质金属，如镍、锌等，阳极失去电子后以阳离子的形式进入镀液中，来补充阴极上析出该离子时的消耗。镀液中的金属离子在电场力的作用下扩散到阴极表面，获得电子被还原成金属原子，这些金属原子再经结晶过程形成了基质镀层，与此同时，通过搅拌而悬浮在镀液中的固体微粒沉积到阴极表面，被生长的基质金属捕获，最终形成复合镀层。1.2 复合电镀的特点复合电镀与普通电镀在基本原理上有共同之处，但两者在制备工艺、镀层组成、镀层性能和生长机制等方面有明显不同：(1)制备工艺 复合电镀使用的微粒的粒度应适当，粒度过粗即粒度过大，则不易包覆在镀层之中，而且镀层粗糙；粒度过细，则微粒在镀液中团聚现
9、象严重，从而使其在镀层中分布不均。这就是要求在复合电镀工艺中必须重点解决固体微粒在镀液中的解团聚和在镀层中均匀分散的问题，也是目前复合电镀技术中的一个难点。在普通电镀中，不存在这样的问题。(2)镀层组成 复合镀层的基本组元有两类，一类是通过还要反应而形成镀层的金3属，即基质金属，基质金属是均匀的连续相。另一类是不溶性固体微粒，它们通常是不连续地分散于基质金属之中，形成不连续相。从这一结构特点看，复合镀层是一种金属基复合材料，这种结构是复合镀层具有优良性能的基础。普通镀层通常由单金属或合金组成，为均匀的连续相。(3)镀层性能 复合镀层内基质金属和不溶性颗粒之间，在形式上是机械混杂，但复合镀层可以
10、获得基质金属和固体微粒两组元的综合性能。因此，与普通镀层相比，复合镀层可能具有普通镀层不可能拥有的功能。高性能、多功能化是复合镀层性能上的一个重要特点。(4)生长机制 普通镀层的生长过程主要是金属在阴极表面的电沉积和结晶生长，而复合镀层除次以外还具有固体微粒进入基质金属的共沉积过程，这一过程将影响复合镀层的结构和性能。1.3 复合镀层的形成机理对于复合镀层的形成机理，许多学者做了大量的研究工作，提出了吸附机理、力学机理和电化学机理等 3，建立了不同的模型来描述复合电沉积的过程，为建立金属与微粒共沉积理论奠定了基础，其中具有代表性的是 Guglielmi 模型 4和运动轨迹模型 5，6 。Gug
11、lielmi 模型 意大利 N.Guglielmi 最早将吸附与电泳对微粒共沉积的影响结合在一起，从物理吸附和静电吸附的角度，提出了连续两步吸附理论，他认为分散微粒的吸附先是物理性质的弱吸附，而后转化为化学性质的强吸附，最后嵌入基质镀层中，后一阶段的吸附与电位密切相关。Guglielmi 认为强吸附速率是微粒与金属共沉积过程的关键因素。该模型主要研究了电场因素，不足之处是没有考虑搅拌因素或者说流体动力因素对弱吸附速度的影响。运动轨迹模型 该模型的基点是研究电极附近流体流动状况以及微粒在电极上所受各种力的作用，其不足之处是对界面电场作用的讨论不够充分。综合上述的机理和模型，微粒与金属的共沉积过程
12、可分为三个步骤 7：(1)悬浮于镀液中的微粒，由镀液深处向阴极表面附近输送，其主要动力是搅拌形成的动力场，主要取决于搅拌方式和强度。(2)微粒吸附于阴极表面。凡能影响微粒与电极间作用力的各种因素，均对这种吸附有影响，如微粒的特性、镀液的成分和性质、复合电镀的工艺条件等。(3)微粒被阴极上沉积的基质金属牢固嵌入。吸附于阴极上的微粒，必需能停留超过4一定时间，才有可能被沉积的金属俘获，因此，这个步骤除与微粒的附着力有关外，还与流动的镀液对吸附于阴极上的微粒的冲击作用以及金属电沉积的速度等因素有关。目前，关于第二步的实质和机理尚无完善的理论解释。1.4 复合镀层的研究发展概况关于复合镀的起源，早在二
13、十世纪二十年代，苏联拜马柯夫和英国 Fink 等人已提出微粒与金属共沉积的问题。自 1949 年美国 A.Simos 获得第一个复合电镀专利以来，复合电镀工艺已有很大发展，从单金属与单颗粒复合电镀发展到为满足特殊性能要求的合金与多种颗粒的复合电镀工艺，且工艺手段与方法不断得到完善 8。我国于 70 年代开始研究符复合电沉积技术，随着研究的不断深入，复合镀层的开发和应用有了很快的发展，在航空、汽车、印刷电路板、核反应堆、隔音层等方面的应用不断扩大。基质金属加入不同性质的微粒，可以形成不同的复合镀层。由于固体微粒的引入，会给镀层带来优异的功能特性，从而使复合镀层获得广泛的性能变化。目前开发较多的有
14、镍基、锌基、铜基和银基等镀层，按用途可分为装饰防护性镀层、耐磨减摩镀层、耐高温镀层、耐腐蚀镀层、干性自润滑镀层等 9。1.5 脉冲电镀的优点脉冲电镀所依据的电化学原理是：当电流导通时，电化学极化增大，阴极区附近金属离子充分被沉积，镀层结晶细致、光亮；当电流关断时，阴极区附近放电离子又恢复到初始浓度，浓差极化消除。与直流电镀相比，脉冲的突出优点表现在：(1) 脉冲电流明显改善了镀层的厚度分布而使镀层厚度均匀：(2) 高的脉冲电流密度使得晶核的形成速度大于晶核的生长速度，因而可以得到更加致密、光亮、孔隙率低的镀层。 (3) 在脉冲电流的作用下，脉冲复合镀层的基质晶粒更为细化，晶界增多，弥散微粒的强
15、化作用显著增强，镀层也更加致密 10。1.6 本文的研究背景及主要工作在工业领域中，常需对零部件进行机械加工和表面处理，其中在发动机的缸体内腔表面利用镀铬工艺沉积耐磨防护镀层则是一项重要工作，但其生产率低，镀层结合强度受较多因素影响，且生产过程中会产生大量的 Cr6+，对人体和环境造成极大危害 11，因此有必要研究新的复合镀层来取代硬铬镀层。同时，脉冲电镀比通常的直流电镀具有更5优异的镀层性能，目前主要有镀铬、铜、镍及其合金(二元合金)、金及其合金、钯及其合金等单金属或二元合金，还鲜见脉冲复合电镀的报道 12。基于此，本实验选用脉冲电镀 Ni-SiC 复合镀层来代替硬铬镀层，就 Ni-SiC
16、复合镀层而言，与硬铬镀层相比，可降低成本 20%30% 13。对于 Ni-SiC 复合镀层，由于SiC 材料的复合性能比金属镀层好，硬度也比金属镀层有大幅度的提高，对改善复合镀层的硬度、耐磨性效果最佳。因此，研究应用脉冲复合电沉积技术制备高硬度、耐磨性能好的复合镀层，是一项很有实际意义的课题。由此确立主要研究内容如下：(1) 利用脉冲复合电沉积技术制备含硬质微粒的复合镀层体系。(2) 考察含硬质微粒的复合镀层的硬度和摩擦学性能。(3) 分析含硬质微粒的复合镀层的表面形貌、微结构。第二章 脉冲电沉积 Ni- SiC 复合镀层的工艺研究脉冲复合电沉积是一种在一般电镀溶液中加入所需的非水溶性的固体微
17、粒，采用脉冲电流，在一定的镀覆条件下，使微粒与主体金属共沉积在基材上的镀覆工艺。由于Ni-SiC 复合镀层具有高的显微硬度和弹性模量、优良的耐磨性，能有效阻止镀层表面发生变形 14，在工业领域和日常生活中具有广泛的应用前景。因此，本章着重讨论 Ni-SiC 复合镀层的工艺。2.1 复合电沉积 Ni-SiC 的机理对于 Ni-SiC 复合镀层的形成，通常是在一般的电镀镍溶液中加入 SiC 微粒，在一定条件下进行，同时满足以下三点 11：(1)使用的固体微粒在镀液中呈均匀悬浮状态。(2)使用的微粒尺寸要适当。粒径过大，则不易包覆在镀层中，且镀层粗糙；粒径过小，则团聚现象严重。(3)微粒应亲水，在水
18、溶液中最好带正电荷。使用前，可用阳离子表面活性剂对微粒进行润湿处理。上述条件具备后，在一定条件下制备复合镀层，其反应过程遵循一般的镀镍原理：阴极：Ni 2+得到电子被还原析出 Ni 2+ +2e- NiH+ 被还原析出氢气 2 H+ +2e- H 2在阳极，Ni 失去电子以 Ni2+的形式进入镀液中，补充阴极上消耗的 Ni2+。6阳极：Ni - 2e - Ni 2+2.2 复合电沉积 Ni-SiC 工艺研究2.2.1 电镀溶液的成分本文选择一般的 Watts 镀镍溶液，配方如下： NiSO4：(300g/L) 镀镍溶液中的主盐，提供电沉积过程中所需的 Ni2+。 NiCl2：(50g/L) 为
19、镀液提供 Cl-, Cl-有活化阳极和增强导电的作用。 H3BO3：(40g/L) 三元弱酸，在镀镍液的 pH 植范围内，它是良好的 pH 缓冲剂。 糖精酸钠：(1g/L) 电镀添加剂，既可作为镀镍添加剂，又是常用的应力消除剂15。 十二烷基硫酸钠：(0.1g/L) 电镀添加剂。 SiC 含量：(5g/L30g/L)2.2.2 实验设备电源设备：SMD-30 型数控双脉冲电镀电源。特点：设备兼有脉冲和换向的双重功能；机内装有同样性能的两组单脉冲电源，正、反向脉冲电流的参数均可单独调节，互不影响；设备可同时作为两台单脉冲电源使用。阳极：纯镍片。恒温搅拌装置：88-1 型恒温定时磁力搅拌器。2.2
20、.3 实验方法本实验所有试样为冷轧 45#钢片，主要工艺流程如下：(1)用 200#、500#、1000#、2000#水砂纸依次打磨试样；(2) 流动水清洗试样，擦干；(3) 置于丙酮溶液中除油；(4) 室温下在盐酸活化液中浸蚀 24s,使其活化，再用蒸馏水淋洗；(5) 脉冲电沉积 Ni-SiC 复合镀层。2.2.4 实验条件由于镀层的性能受到镀液的温度、pH 值、固体微粒的悬浮量、阴极电流密度及搅拌强度等多种因素的影响，本试验着重考察脉冲电流作用下，镀液 SiC 含量、脉冲峰值电流密度(Jp)、脉冲占空比三个主要参数对制备的 Ni-SiC 复合镀层的外观、表面粗糙度、硬度和磨损率的影响。其它
21、条件选用本实验室前期工作已探讨出的最佳工艺参数：脉冲频率为 1000Hz，镀液温度为 45，pH 值为 4，慢速搅拌，电沉积时间为 3 小时。试验7时，变化的参数如下：镀液 SiC 含量：5g/L,10g/L,20g/L,30g/L；脉冲峰值电流密度：1.5A/dm 2，3.0A/dm 2，4.5A/dm 2，6.0A/dm 2；脉冲占空比：0.2:1.0， 0.5:1.0, 0.7:1.0.2.2.5 镀层的性能测试(1) 镀层硬度测试：硬度是反映材料力学性能的重要参数之一，复合镀层的硬度变化往往是镀层工艺优化和参数选择的重要依据。测量镀层的显微硬度时，选择镀层的正表面，利用 MH-S-VM
22、 显微硬度仪对不同样品复合镀层进行测试，分别测定五个点，取平均值。 (2) 镀层表面粗糙度测试：由于复合镀层中引入了 SiC 固体微粒，镀层表面较粗糙，因此具有较大的粗糙度。测量时，利用 2206 型表面粗糙度测量仪进行测定，分别测定五次，取平均值。(3) 镀层磨损率测试：磨损率是反映材料摩擦学性能的重要指标之一。磨损率越小，表明材料的耐磨性越好。本实验利用 2201 型表面粗糙度仪测量磨痕截面积，由公式 V/(FS)计算镀层磨损率。重复测定三次，取平均值。(4) 镀层表面形貌测试：利用 JSM-5600 扫描电子显微镜观察镀层表面的微观形貌。2.3 实验结果与讨论2.3.1 镀液 SiC 含
23、量的影响2.3.1.1 对复合镀层外观的影响在其它条件不变的情况下，当 ton=0.2ms,toff=0.8ms，脉冲峰值电流密度为4.5A/dm2,镀液 SiC 含量在 030g/L 时进行了试验。图 1 给出了镀液 SiC 含量对 Ni-SiC复合镀层表面粗糙度的影响。从图中可以看出，纯镍镀层的表面粗糙度最小，为0.18m，当加入 SiC 后，表面粗糙度明显增大，但随着镀液中 SiC 含量的增多，复合镀层表面粗糙度减小。这主要是因为脉冲电流使基质晶粒更为细化，镀层更加致密，使纯镍镀层表面粗糙度最小。当加入少量 SiC 微粒后，由于 SiC 嵌入镍层中，使镀层表面粗糙度明显增大，随着镀液中
24、SiC 含量的增多，微粒进入镀层中的量也随之增多，形成分布较均匀的复合镀层，表面粗糙度下降。8图 1 镀液 SiC 含量对镀层表面粗糙度的影响对于 Ni-SiC 复合镀层，由于镀层中夹杂着 SiC 微粒，使镀层组织形貌与纯镍镀层截然不同，如图 2 所示。这主要是因为 SiC 与镍共沉积时，嵌入镍的晶体点阵之中，引起镍晶体结构的畸变，使晶格扭曲。(a) (b)(c) (d)0512053.2.30.4.5表面 粗糙度m镀 液 SiC含 量 g/L9(e)图 2 Ni-SiC 复合镀层 SEM 照片(a)SiC 含量为 5g/L，(b) SiC 含量为 10g/L，(c) SiC 含量为 20g/
25、L， (d) SiC 含量为 30g/L，(e) SiC 含量为 02.3.1.2 对复合镀层硬度的影响图 3 给出了在上述工艺条件下，镀液 SiC 含量对 Ni-SiC 复合镀层显微硬度的影响。可以看出，纯镍镀层的硬度最小，随着镀液中 SiC 含量的增加，复合镀层的硬度逐渐上升，当达到一定数值后，镀层的硬度开始下降。这主要是因为：由于 SiC 的高硬度，嵌入纯镍镀层后，使基质产生弥散硬化效应，从而提高了镀层的硬度。一方面，镀液中的微粒浓度越大，在单位时间内通过搅拌作用输送到阴极表面的微粒的数量也就越多，微粒进入镀层的概率也就越大，镀层的硬度也随之增加；另一方面，镀液中的微粒浓度越大，微粒的团
26、聚也就越严重，在镀层中沉积的 SiC 微粒并没有得到很好的分散，不能起到很好的弥散强化作用，导致镀层硬度有所下降。图 3 镀液 SiC 含量对镀层硬度的影响2.3.1.3 对复合镀层磨损率的影响图 4 所示为复合镀层磨损率随镀液 SiC 含量的变化关系。由图可知，当镀液中 SiC含量为 20g/L 时，复合镀层的磨损率最小，这与镀层的硬度变化较为符合。Hong. L. X 05120533405硬度 HV镀 液 SiC含 量 g/L1016和吴玉程 17等研究表明 SiC 微粒对镀层的强化机理在于：(1)SiC 的高硬度增加了复合镀层的硬度和屈服强度，从而降低了镀层的磨损率；(2)磨损过程中，
27、SiC 微粒短时间内就可凸出于镀层的表面上，但仍牢固地包裹在基体中，增加了镀层的承载能力。510152025301.4.1.6.71.8.92.0.1磨损率 x0-3m/N镀 液 SiC含 量 g/L图 4 镀液 SiC 含量对镀层磨损率的影响图 5 给出了相应复合镀层磨损后的磨痕表面形貌照片，从图 5 (a 和 d)中可以看出，复合镀层磨损表面出现了很严重的粘着磨损，表面发生了撕裂，分布着大量的大块片状磨屑，磨损严重。图(c)中复合镀层的磨损表面较光滑，磨痕表面分布少量的微小粒子，同时磨损表面形成了许多细小的划痕，这可能是由于在磨损过程中，部分 SiC 粒子脱落，成为磨粒进入摩擦面之间，从而起到了磨粒作用而造成的。从磨痕宽度来看，图(c)最窄，图(d) 最宽，进一步说明了当镀液中 SiC 含量为 20g/L 时，复合镀层的磨损率最小。(a) (b)
