摘要： 采用復合電鍍技術在炭素結構鋼板的表面上制備高硬度的 Ｎｉ－ ＳｉＣ 納米復合鍍層， 研究鎳－ 碳化硅納米復合電鍍的工藝條件。結果表明， 當陰極電流密度為 ２．５６ Ａ／ｄｍ２， 鍍液中納米碳化硅粉的質量濃度為 ２０ ｇ／Ｌ， 鍍液的 ｐＨ 值為 ５．０， 溫度為 ５０ ℃時， 鍍層生長良好， 均勻細致平滑， 鍍層的顯微硬度可達到 ９５０ＨＶ０．２， 遠高于普通純鎳鍍層的硬度。
　　
　　關鍵詞： 納米復合電鍍； 鎳－ 納米碳化硅； 顯微硬度
　　
　　復合電鍍技術是在電鍍液中添加一種或數種不溶性的固體顆粒， 使其與金屬離子共沉積而形成具有特殊功能鍍層的電鍍技術。如添加顆粒為納米級的顆粒，因納米材料的獨特結構而具有的小尺寸效應、量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應及表面和界面效應等， 使之具有與傳統材料不同的物理和化學性質［１］。納米金剛石和納米陶瓷粉具有很高的硬度和良好的耐高溫性能， 應用在復合電鍍中能較大幅度地改善鍍層的力學性能［２］。復合鍍作為材料表面強化的一種新手段， 因其鍍層具有的高硬度、耐磨性、自潤滑性、耐蝕性、特殊的裝飾外觀以及電接觸、電催化等功能而倍受人們的關注［３］。
　　納米顆粒在鍍層中的含量及存在狀態是影響鍍層性能的關鍵因素， 如何使得納米顆粒在鍍層中均勻地分散是該技術的難點。本試驗采用復合電鍍技術在Ｑ２３５ 炭素結構鋼板的表面上制備了高硬度、高耐磨的Ｎｉ－ ＳｉＣ 納米復合鍍層， 研究電沉積的最佳工藝條件和影響因素， 為實現工業化應用提供理論和實驗依據。
　　１ 實驗方法
　　１．１ 實驗儀器及原料
　　實驗儀器： ＺＤＡ０１／１２ 型硅整流設備， ＷＭＫ－ ０３Ａ型溫度控制器， ＸＭＴ－ １０２ 型數顯式溫度控制儀， 電動可調速式攪拌器， ＰＨＳ－ ２９Ａ 型數字酸度計， 自制電鍍槽， ＨＸＤ－ １０００ＴＣ 顯微硬度計。
　　實驗原料： 硫酸鎳， 硫酸鈷， 硼酸， 氯化鎳， 硫酸， 鹽酸， 氫氧化鈉， 復配表面活性劑， 自制 ＣＹＪ－ ８ 專用除油劑。納米碳化硅粉（平均粒徑為 ５０～７０ ｎｍ）， Ｑ２３５ 炭素結構鋼板（試件）， 所用化學試劑均為分析純。
　　１．２ 復合電鍍工藝流程
　　試件電鍍工藝流程為： 試樣→磨光→化學除油→水洗→除銹→水洗→電解除油→水洗→活化→復合電鍍→水洗→晾干。
　　１．２．１ 除油
　　試件的除油分為化學除油和電解除油兩個部分。試件的表面在以前的加工處理過程中， 為了防止試件生銹和方便保存， 在其表面涂了一層油脂物質， 為了保證鍍層與試件的結合力， 需對試件進行除油處理。
　　首先是化學除油， 除油溶液由自制的 ＣＹＪ－ ８ 專用除油劑按質量濃度為 ７０～８０ ｇ／Ｌ 配制而成。把打磨好的試件放進盛有除油溶液的大燒杯中， 攪拌并加熱至除油溶液沸騰 ５～６ ｍｉｎ。然后是電解除油， 電解除油所用除油液與化學除油溶液相同， 首先把除油液加熱到４０ ℃恒溫， 然后把化學除油后經水洗的試件放在電解除油液中， 通電并調節電流大小為 ２ Ａ， 先將試件做陰極， 陽極用大鐵片， 除油 ２ ｍｉｎ。然后將試件做陽極， 陰極用大鐵片， 除油 １ ｍｉｎ。金屬制品在溶液中受電流作用而發生極化， 使金屬制品表面和堿性溶液間的界面張力降低， 使除油液對金屬表面的潤濕性增強。同時陰極和陽極產生的氣體也有利于油膜的破裂， 從而使除油過程進一步強化。
　　１．２．２ 化學除銹
　　將金屬試件浸入較高濃度和一定溫度的侵蝕液中以除去制品上的氧化物和銹蝕產物。將除油水洗后的試件放在質量分數為 １８％的鹽酸溶液中。為加快除銹速度， 可把鹽酸溶液適當加熱， 但不要太熱， 否則易使鹽酸揮發出來， 產生大量的刺激性氣味， 一般以 ４０ ℃為宜， 直至試件上的銹除完為止。
　　１．２．３ 活化（弱侵蝕）
　　在試件進行電鍍之前要進行活化處理， 以除去金屬表面的極薄氧化膜， 使金屬表面活化以保證鍍層與基體金屬結合牢固。把試件放在質量分數為 ５％的稀鹽酸中 １ ｍｉｎ， 然后放在大約 ５０ ℃的水中清洗， 再用冷水清洗干凈。對清洗完的試件， 應立即實施電鍍。
　　１．２．４ 復合電鍍
　　電鍍陽極為純鎳板， 電鍍陰極為 １ ｍｍ×２８ ｍｍ×１００ ｍｍ Ｑ２３５ 炭素結構鋼板。
　　鍍液的組成（以下均為質量濃度）：硫酸鎳為 ２７０ ｇ／Ｌ，硫酸鈷為 １２ ｇ／Ｌ， 硼酸為 ３５ ｇ／Ｌ， 氯化鎳為 １５ ｇ／Ｌ， 復配表面活性劑為 ０．８５ ｇ／Ｌ， 納米碳化硅粉適量。電流密度２．５６ Ａ／ｄｍ２， 鍍液的 ｐＨ 為 ５．０， 鍍液的溫度為 ５０ ℃。電鍍時間為 ２０ ｍｉｎ。
　　由于納米材料尺寸小其活性高， 在鍍液中易團聚，所以， 納米 ＳｉＣ 的分散問題是納米復合電鍍的關鍵。在施鍍之前， 須對其進行有效分散， 本試驗先采用復配表面活性劑對納米 ＳｉＣ 進行潤濕和分散， 再在超聲波中振蕩 ３０ ｍｉｎ， 利用超聲波的空化效應和機械剪切作用能有效地攪拌和分散納米 ＳｉＣ。實驗表明， 經分散處理過的納米 ＳｉＣ 在鍍液中呈懸浮狀態， 要經過較長時間的靜置才能完全沉淀下來， 證實了此方法分散納米ＳｉＣ 的有效性。
　　１．３ 復合鍍層的檢測
　　用 ＨＸＤ－ １０００ＴＣ 顯微硬度計進行復合鍍層顯微硬度的測定（ＨＶ）， 試驗力為 １．９６１ Ｎ， 保持時間為 １５ ｓ，每個試樣測試 ５ 次， 取其平均值。
　　２ 結果與討論
　　固體顆粒進入鍍層中， 即金屬與固體顆粒共沉積的機理問題到目前還沒有一個完善、統一的理論。目前， 國內外比較流行的有以下兩類理論： ①在復合電鍍過程中， 力學作用起主要作用， 同時陰極電流效率和鍍液的微觀分散能力也是重要影響因素。通過攪拌使得鍍液中的微粒很好地懸浮起來， 給微粒和陰極的相互接觸創造條件， 而當微粒停留在陰極表面， 就有可能被電沉積的金屬嵌入鍍層中。②荷電的微粒在電場的作用下的電泳遷移速度是微粒進入復合鍍層的關鍵因素。這是因為盡管微粒的電泳速度要比攪拌引起的微粒隨著液流的遷移速度小得多， 但在微粒到達陰極界面的分散雙層后， 由于電位差的影響， 在界面間產生極高場強， 電泳速度變大， 微粒以垂直于電極表面的方向向陰極移動， 并被金屬嵌入鍍層。
　　本試驗研究了金屬鎳－ 碳化硅納米復合電鍍的工藝條件， 討論了各工藝條件對鍍層外觀及硬度的影響。
　　２．１ 陰極電流密度對鍍層的影響
　　在鍍液的 ｐＨ 值為 ５．０， 溫度為 ５０ ℃， 納米碳化硅的質量濃度為 ２０ ｇ／Ｌ 的條件下， 考察陰極電流密度對鍍層的影響， 試驗結果見表 １。
　　電流密度較高時， 鍍液中的離子和納米 ＳｉＣ 微粒遷移速度快， 導致在陰極上形成不規則的排列， 沉積過程紊亂、無序， 鍍層密度低， 表面粗糙。同時沉積速度快還會導致鍍層的內應力增大， 使鍍層開裂或剝落。
　　
　　由表 １ 可知， 電流密度較大時， 試件上使鍍層邊緣部分和基體金屬結合不好， 產生起泡現象。當電流密度為 ２．５６ Ａ／ｄ㎡時， 鍍層有很好的效果。故電鍍合適的陰極電流密度為 ２．５６ Ａ／ｄ㎡。
　　２．２ 鍍液中納米碳化硅的加入量對鍍層的影響
　　鍍液中納米碳化硅的加入量影響鍍層中納米碳化硅的共沉積量， 從而直接影響著鍍層的硬度。選擇鍍液溫度為 ５０ ℃， ｐＨ 值為 ５．０， 陰極電流密度為 ２．５６ Ａ／ｄ㎡，時間為 ２０ ｍｉｎ， 改變鍍液中納米碳化硅的含量， 分別測量鍍層的顯微硬度， 實驗結果如圖 １ 所示。
　　
　　實驗結果表明， 改變鍍液中納米碳化硅的質量濃度， 鍍層硬度隨納米碳化硅的質量濃度的增加而增加。在碳化硅的質量濃度為 ２０ ｇ／Ｌ 時硬度最大。這表明鍍液中粒子的質量濃度愈大， 輸送到陰極表面的顆粒愈多， 嵌入鍍層的的幾率愈大， 鍍層的性能愈好。但粒子的質量濃度有一個臨界值， 即 ＣＳｉＣ＝２０ ｇ／Ｌ， 再增大加入量， 鍍層硬度不再增大。這是因為鍍液中微粒的含量達到一定值后， 微粒在鍍液中的無規則運動就會阻礙金屬離子向陰極的定向移動， 從而使鍍層中微粒的含量不再增大［４］。
　　２．３ 鍍液 ｐＨ 值對鍍層性能的影響
　　在鍍液溫度為 ５０ ℃， 納米碳化硅的質量濃度為２０ ｇ／Ｌ， 陰極電流密度為 ２．５６ Ａ／ｄ㎡， 時間為 ２０ ｍｉｎ時， 考察鍍液 ｐＨ 值對鍍層質量的影響， 結果見表 ２。
　　Ｈ＋和 ＯＨ－ 能夠改變 ＳｉＣ 微粒的電荷性能。Ｈ＋吸附于微粒表面， 使其在電場力作用下向陰極移動， 有利于共沉積的進行。而 ｐＨ 太小所引起的陰極析氫又對微粒在陰極表面的吸附有不利影響。ｐＨ 值過大時， 可以
　　在陰極附近產生高度分散的鎳的氫氧化物， 鎳離子的質量濃度降低。因此鍍液的 ｐＨ 值對鍍層的生長有較大影響。由表 ２ 實驗結果可知， 當 ｐＨ 值為 ５．０ 時， 鍍層生長良好， 表面均勻細致、質量最好。
　　
　　２．４ 鍍液溫度對鍍層性能的影響
　　在鍍液中碳化硅的質量濃度為 ２０ ｇ／Ｌ， ｐＨ 值為５．０， 陰極電流密度為 ２．５６ Ａ／ｄ㎡， 時間為 ２０ ｍｉｎ 時， 考察溫度對鍍層性能的影響， 結果見表 ３。
　　
　　由表 ３ 可知， 在復合電鍍過程中， 隨著鍍液溫度的升高， 鍍層的外觀和硬度有一定程度的改善和升高， 但達到一定值后又有所降低。當溫度為 ５０℃時， 鍍層的亮度最佳。硬度也達到最大值， 這是因為在電沉積過程中升高溫度， 將使鍍液中粒子的熱運動加強， 增加了其的動能， 促進了粒子向陰極表面的輸送， 有利于納米微粒的復合電沉積， 鍍層中微粒的共沉積量的增加使鍍層的硬度增加。但是當溫度增大到一定值時， 由于鍍液中離子的平均動能較大， 會導致納米微粒表面對溶液中陽離子的吸附能力降低， 難以吸附在陰極表面， 從而不利于基質金屬和微粒的共沉積［４］。
　　３ 結 論
　　采用納米復合電鍍技術制備 Ｎｉ－ ＳｉＣ 納米復合鍍層， 陰極電流密度、鍍液中納米微粒的質量濃度、鍍液的 ｐＨ 值和溫度對鍍層的外觀和硬度都有影響。研究表明， 當陰極電流密度為 ２．５６ Ａ／ｄｍ２， 鍍液中納米 ＳｉＣ的質量濃度為 ２０ ｇ／Ｌ， 鍍液的 ｐＨ 為 ５．０ 和溫度為 ５０ ℃時， 所得到的納米復合鍍層均勻細致平滑， 表面光亮，鍍層的顯微硬度可達到 ９５０ＨＶ０．２， 遠高于普通純鎳鍍層的硬度。
　　參考文獻：
　　［１］ 張立德， 牟季美．納米材料和納米結構［Ｍ］．北京： 科學出版社， ２００１： ４３３－ ４３９．
　　［２］ 徐龍堂， 周美玲．含納米粉鍍液的電刷鍍復合鍍層試驗研究［Ｊ］．中國表面工程， １９９９， ３： ７－ １１．
　　［３］ 張勝濤．電鍍工程［Ｍ］．北京： 化學工業出版社， ２００２： ２９６－３１３．
　　［４］ 馮秋元， 李廷舉， 金俊澤．影響微粒復合沉積的諸因素［Ｊ］．材料保護， ２００６， ３９（５） ： ３５－ ３９．