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引言
納米復(fù)合鍍層所表現(xiàn)出的諸多優(yōu)異性能已使納米復(fù)合鍍技術(shù)迅速成為電鍍技術(shù)發(fā)展的又一熱點(diǎn)[1]。目前,已經(jīng)開發(fā)出各種納米結(jié)構(gòu)的耐磨減摩、裝飾防護(hù)、耐高溫以及電子復(fù)合鍍層[2]。利用炸藥爆炸法合成的納米金剛石是目前所有方法中得到的最細(xì)的金剛石超粉，它不僅具有金剛石固有的高硬度、高耐磨特性，而且具有比表面積大、量子尺寸等特殊效應(yīng)，金剛石和納米顆粒的雙重特性，使其在制備功能性納米復(fù)合鍍層中顯示出廣闊的應(yīng)用前景[3]。采用普通瓦特鍍液，添加納米金剛石微粉制備了鎳基納米復(fù)合鍍層，考察了工藝參數(shù)對(duì)復(fù)合鍍層硬度的影響，得到了納米金剛石復(fù)合共沉積的最佳工藝條件。
1試驗(yàn)部分
(1)復(fù)合電鍍工藝流程：45鋼→打磨、拋光→超聲波除油→活化處理(表面強(qiáng)活化和弱活化)→納米復(fù)合電鍍→鍍后處理。
(2)復(fù)合鍍液以普通瓦特型光亮鍍鎳液為基礎(chǔ)液，納米金剛石添加量為10g/L;鍍液溫度45℃，電流密度1~6A/dm2，pH=2~6，攪拌方式為磁力攪拌。電鍍前將納米金剛石粉與適量的有機(jī)分散劑混合后加入鍍液，經(jīng)超聲波分散一定時(shí)間后，開始復(fù)合電鍍。
(3)采用MV-5-VM型顯微硬度儀測(cè)定復(fù)合鍍層的顯微硬度，用來(lái)判斷納米金剛石顆粒對(duì)復(fù)合鍍層的強(qiáng)化效果。用光學(xué)顯微鏡和JSM-5600LV型掃描電子顯微鏡對(duì)鍍層的表面形貌進(jìn)行觀察。采用WS-97型自動(dòng)劃痕儀對(duì)納米復(fù)合鍍層與底材的結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試。以鍍層剝落時(shí)的最小臨界載荷Lc作為鍍層結(jié)合強(qiáng)度的度量。
2結(jié)果與討論
2.1工藝參數(shù)對(duì)復(fù)合鍍層硬度的影響
2.1.1陰極電流密度的影響
隨著陰極電流密度的增加，納米復(fù)合鍍層的硬度呈現(xiàn)出先緩慢增大后急劇減小的趨勢(shì)，當(dāng)電流密度大于5A/dm2后，復(fù)合鍍層的硬度幾乎與純鎳鍍層硬度相當(dāng)。原因是隨著陰極電流密度的增大，金屬鎳對(duì)納米金剛石顆粒的包裹能力增強(qiáng)，同時(shí)電沉積過(guò)程中的電場(chǎng)力增強(qiáng)，即陰極對(duì)吸附著少量正離子的納米金剛石的靜電引力增強(qiáng)，對(duì)金剛石和基質(zhì)金屬鎳的共沉積有一定的促進(jìn)作用。
當(dāng)電流密度繼續(xù)提高時(shí)，鎳的沉積速度將會(huì)顯著加快。然而,納米金剛石被輸送到陰極附近并被嵌入鍍層中的速度，隨電流密度而增大的速度，常趕不上基質(zhì)鎳沉積速度的提高[4],所以當(dāng)陰極電流密度太大時(shí)，金剛石沉積量反而減少，復(fù)合鍍層的硬度自然下降。同時(shí)電流密度過(guò)大時(shí)，陰極表面析氫加劇，阻礙了納米金剛石與陰極表面的吸附。這也說(shuō)明金剛石顆粒到達(dá)陰極表面并不是主要靠電場(chǎng)力的作用。綜合其他復(fù)合鍍工藝[5]發(fā)現(xiàn)，與微米級(jí)顆粒相比，對(duì)于納米顆粒的共沉積，最優(yōu)化的施鍍電流密度大幅下降，這可能是由于納米顆粒的特有的小尺寸等特性所影響的。
2.1.2鍍液pH值的影響
pH值對(duì)復(fù)合鍍層中納米顆粒共沉積量的影響比較復(fù)雜，它是H+在顆粒表面的吸附與pH值對(duì)基質(zhì)金屬電沉積過(guò)程影響的綜合結(jié)果。
試驗(yàn)中控制鍍液溫度為45℃，陰極電流密度為2.5A/dm2。
隨著鍍液pH值的增大，復(fù)合鍍層硬度增加;當(dāng)pH值大于4.5后，復(fù)合鍍層硬度反而下降。其原因是:當(dāng)pH值較低時(shí)，鍍液中的H+增多，如果H+能吸附于顆粒表面，則能起到共沉積促進(jìn)劑的作用。而大量研究表明，納米金剛石對(duì)H+以及其他正離子的吸附很弱[6]。因此,較低pH值下電沉積時(shí)，在陰極表面有大量的氫氣析出，使溶液/電極界面形成了氣體的隔離層[7]，納米金剛石顆粒難以達(dá)到陰極表面而被吸附，因此與鎳發(fā)生共沉積的幾率大幅降低;即使金剛石顆粒在陰極表面吸附，也可能被析出的氫氣泡從表面沖刷下來(lái)，使鍍層中的納米金剛石含量降低。鍍液pH值超過(guò)5時(shí)，在鍍層的表面析出一層與底材結(jié)合很差，較薄的金剛石鈍化層(呈碎片狀分布)粘附在基體的表面。故鍍液的pH值一般控制在3.5~4.5。
2.1.3攪拌強(qiáng)度的影響
大量研究表明,攪拌作用對(duì)顆粒的共沉積有很大的影響。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)攪拌速度在100r/min以下時(shí)，即可使得納米金剛石微粒在鍍液中保持較好懸浮;在100~300r/min范圍內(nèi)，納米復(fù)合鍍層具有較高的硬度。因?yàn)樵谶@個(gè)范圍內(nèi),隨著攪拌強(qiáng)度增大，納米金剛石顆粒和陰極的碰撞和吸附幾率增大，顆粒的共沉積量將會(huì)增加，導(dǎo)致了復(fù)合鍍層硬度的上升;但是當(dāng)攪拌強(qiáng)度超過(guò)300r/min之后，納米金剛石在陰極表面的停留時(shí)間過(guò)短以及強(qiáng)攪拌對(duì)未完全被鎳包裹的金剛石顆粒的沖刷作用，導(dǎo)致了所得復(fù)合鍍層中金剛石顆粒含量明顯降低，所以硬度顯著下降。因此合適的攪拌強(qiáng)度是制備高質(zhì)量納米金剛石復(fù)合鍍層的關(guān)鍵之一。
2.2納米復(fù)合鍍層的顯微組織和結(jié)合強(qiáng)度
利用掃描電鏡觀察了復(fù)合鍍層在不同沉積時(shí)間的組織形貌。沉積初期鍍面較平整，基質(zhì)Ni中的金剛石顆粒含量較少，大部分保持在亞微米尺度，同時(shí)也有一些大的團(tuán)聚體。隨著沉積時(shí)間的增加，基質(zhì)Ni中金剛石的含量明顯增多(圖3b)。但隨著沉積時(shí)間的進(jìn)一步增加，基質(zhì)Ni中金剛石含量變化不大。我們認(rèn)為，以上現(xiàn)象與底材表面以及鍍面的表面粗糙度有很大的關(guān)系。根據(jù)Guglielmi模型[8]，顆粒共沉積過(guò)程中，靜電吸附與機(jī)械碰撞吸附同時(shí)存在。由于在沉積初期底材具有較低的粗糙度(Ra=0.06~0.10μm)，會(huì)削弱底材表面俘獲金剛石粒子的能力;隨著沉積時(shí)間增加，金剛石粒子的包覆會(huì)使得鍍面的粗糙度逐漸升高，這增加了鍍面機(jī)械俘獲粒子的幾率。在隨后的沉積過(guò)程中，由于鍍面的粗糙度不再明顯升高，因此金剛石粒子的含量無(wú)明顯升高趨勢(shì)。圖3c還表明，選用上述最佳工藝參數(shù)可以制備出金剛石顆粒分布均勻的復(fù)合鍍層，從而可以起到彌散強(qiáng)化的作用，制備出硬度較高的納米復(fù)合鍍層。
厚度20μm的復(fù)合鍍層與底材的結(jié)合強(qiáng)度經(jīng)銼刀法及熱震試驗(yàn)表明，制備的納米復(fù)合鍍層與底材結(jié)合良好，符合相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。劃痕法測(cè)試的臨界載荷值表明，鋼底材上納米金剛石復(fù)合鍍層的臨界載荷Lc可以達(dá)到43N，與純鎳鍍層(45N)相比,臨界載荷稍有下降。可以認(rèn)為，納米金剛石的共沉積對(duì)復(fù)合鍍層同底材的結(jié)合強(qiáng)度影響不大，進(jìn)而為納米金剛石復(fù)合鍍層的實(shí)際應(yīng)用提供了一定的前提和保障。
3結(jié)論
(1)電沉積參數(shù)對(duì)納米金剛石的共沉積具有較大的影響。
在電流密度1.5~3.5A/dm2，鍍液pH值為3.5~4.5，攪拌速度為100~300r/min時(shí)能夠制備出同底材結(jié)合牢固,金剛石微粒彌散較均勻的高硬度納米復(fù)合鍍層。
(2)在電沉積的過(guò)程中納米金剛石顆粒大部分可保持在亞微米尺度，同時(shí)也發(fā)生了一定程度的團(tuán)聚。基質(zhì)Ni中金剛石粒子的含量與鍍面的機(jī)械俘獲粒子的能力有關(guān)。
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