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Ni-ZrO2纳米复合电镀工艺研究

放大字体  缩小字体发布日期:2012-08-29  浏览次数:787
核心提示:采用正交实验法,对铜表面电沉积镍基纳米ZrO2复合镀层的工艺进行了研究,观察了复合镀层的表面及截面形貌,并对其耐磨性能进行了测试分析。所涉及实验条件下的最优工艺为:阴极电流密度4A/dm2,镀液温度60℃,极间距为12cm。
 

Ni-ZrO2纳米复合电镀工艺研究

王琳1,孙本良1,许为2,王兴丽1,张雷1

(1.辽宁科技大学材料与冶金学院,鞍山114051;2.中冶焦耐工程技术有限公司环工所,鞍山114002)

[摘 要]采用正交实验法,对铜表面电沉积镍基纳米ZrO2复合镀层的工艺进行了研究,观察了复合镀层的表面及截面形貌,并对其耐磨性能进行了测试分析。所涉及实验条件下的最优工艺为:阴极电流密度4A/dm2,镀液温度60℃,极间距为12cm。采用此最优工艺条件,得到了晶粒细小,表面平整、光滑,显微组织致密、均匀的Ni-ZrO2纳米复合镀层,且复合镀层的显微硬度比纯镍镀层有明显提高。

[关键词] 纳米复合镀层;电镀工艺;显微硬度;耐磨性能

[中图分类号]TQ153.1   [文献标识码]A   [文章编号]1001-3660(2012)01-0067-03

在连铸生产中,结晶器是连铸机的关键部件,其质量对连铸的产量、质量有直接的影响。结晶器在连铸生产中会受到交变高低温作用、钢液的冲刷作用、保护渣的腐蚀作用及钢坯的磨损作用,这样恶劣的工作条件要求结晶器必须具有良好的高温强度、导热性、抵抗坯壳磨损的耐磨性能和抵抗保护渣侵蚀的耐腐蚀性能[1-2]。 复合电镀具有工艺简单、成本低、发展潜力大等优点,近年伴随着纳米技术、纳米材料的发展而发展起来的纳米复合镀技术,给复合镀技术注入了新的活力[3-5]。纳米材料由于具有一些独特的特性,如量子尺寸效应、表面和界面效应、宏观量子隧道效应、小尺寸效应等,因此呈现出特殊的性能,如低熔点、高比热容、高强度、高韧性、高塑性等。当镀层因复合微粒的尺度达到纳米量级而成为纳米复合镀层时,这些效应被赋予镀层,使其呈现出常规材料不具备的特殊的光学、电学、力学、催化等方面的特性,功能特性得到大幅度提升,从而提高其使用性能[6-9]。

为提高结晶器的使用寿命,可以在结晶器铜板表面共沉积镍和纳米固体微粒得到镍基复合镀层。文中利用复合电镀技术,在铜基体上电镀Ni-ZrO2纳米复合镀层,并对该复合电镀工艺、镀层的组织结构和性能进行了较系统的研究。

1 实验

1.1 Ni-ZrO2纳米复合电镀

基体材料为规格100mm×20mm×8mm的铜板,阳极材料为镍板(与阴极的面积比为2∶1),所用纳米ZrO2的粒径为30~50nm。复合电镀的实验装置见图1,工艺流程如下:打磨→抛光→化学溶剂除油→冷、热水冲洗→酸活化(除锈)→去离子水冲洗→施镀→去离子水冲洗→脱水晾干。

 


 

实验中选用的基础镀液为传统的瓦特镀液,该镀液具有价格低廉、操作简单、容易维护、沉积速度快等特点,组成为:硫酸镍300g/L,氯化镍50g/L,硼酸40g/L,十二烷基磺酸钠0.2g/L。

1.2 分析方法

1)采用HX-1000硬度计测量镀层的维氏硬度,所加载荷100g,加载时间为10~15s。每个镀件上测5个点的压痕硬度值,取平均值。

2)在万能磨抛机上进行耐磨性能测试。每个试样用一张600号砂纸抛磨,抛磨时间为5min,每分钟450r。抛磨完成后,取出试样,清洗干净并烘干,用精度为±0.1mg的电子天平称取质量。实验循环6次,每次循环完成后均取样称量,并计算磨损量。

3)用荷兰EDAX公司生产的JSM6480LV型场发射扫描电镜(SEM)观察镀层表面和截面的形貌及组织结构。观察前用无水乙醇或丙醇擦拭表面,以除去试样表面的油渍和灰尘。观察截面时,先将试样进行抛光,再用4%(质量分数)HNO3+酒精溶液进行侵蚀,之后扫描。

2 实验结果与讨论

2.1 工艺条件优化

为了获得制备Ni-ZrO2纳米复合镀层的最佳工艺条件,采用L9(34)正交表,以硬度作为指标,选取镀液温度、电流密度、极间距作为影响因素(这3个因素对镀层性能的影响较大)进行正交实验。实验中固定不变的工艺条件如下:镀液pH值为3.5,ZrO2添加量为8g/L,搅拌强度为中高速,电镀时间为10h。正交实验表及实验结果如表1和表2所示。

 


 

由表3中极差的大小顺序,排出因素的主次:C→B→A。最佳工艺条件为A3B3C1,即:镀液温度为60℃,阴极电流密度为4A/dm2,极间距为12cm。

2.2 复合镀层的形貌

采用最佳工艺条件制备纯镍镀层和Ni-ZrO2纳米复合镀层,对所得镀层进行硬度检测,并将镀层试样线切割为5mm×5mm×8mm的小件,对小件的表面和截面进行电镜扫描,SEM照片如图2所示。与纯镍镀层相比,纳米复合镀层不仅晶粒细小,表面平整、光滑,且显微组织致密均匀,其显微硬度(516HV)比纯镍镀层(218HV)提高了298HV。这是由于在复合电沉积过程中加入纳米颗粒,能增大阴极极化,降低金属成核反应的过电位,有利于新晶核的生成,并且其本身比表面积较大,表面活性较高,可以在一定程度上使沉积层晶粒的生长点增多,提高电镀层生长过程中的形核率。弥散分布在复合电镀层中的纳米颗粒能使晶粒的聚集和长大得到抑制,基质金属晶粒也能得到细化;同时由于纳米颗粒的存在使得基质金属的位错滑移发生阻碍或延迟,从而抑制塑性变形,强化复合镀层;此外,纳米颗粒本身所具有的高强度、高硬度以及其均匀分布在基质金属中所产生弥散强化效应,也能大大提高镀层的性能[10]。

 


 

图3是纳米复合镀层截面的SEM形貌图,可清晰地看到基体与镀层的界限,复合镀层与基体表面结合紧密,经过线切割后没有出现分层现象。此外还可看出,复合镀层的截面致密、均匀,无明显的孔洞、裂痕等缺陷。

 


 

图4为用能谱仪(EDS)在复合镀层表面进行能谱测试的结果,可知纳米复合镀层中Ni的质量分数为87.35%,Zr的质量分数为3.65%。

 


 

2.3 复合镀层耐磨性分析

对采用最佳工艺制备的纯镍镀层和纳米复合镀层小件进行磨损试验,图5给出了两种镀层的磨损量随时间的变化趋势。

 


 

从图5可以明显地看到,随着时间的延长,两种镀层的磨损量都增加,增加的趋势逐渐趋于缓和,纯镍镀层的磨损量明显大于纳米复合镀层,复合镀层的耐磨性约为纯镍镀层的2倍以上。

在磨损过程中,纯镍镀层表面承受正压力和切向摩擦力的反复作用,加之随着摩擦表面温度的不断升高,其性能不断下降,抵抗塑性变形的能力亦逐渐减弱,最终会产生严重的塑性变形,甚至局部脱落。

纳米复合镀层表现出良好的耐磨性,本质原因还是其组织性能更好。一方面,Ni与纳米颗粒之间结合得比较好,这种较好的结合可能是镍在纳米颗粒上多处生核的结果,从而使镀层的晶粒更加细小,加之嵌入镀层的纳米颗粒硬度较高、不易破坏,因此,纳米ZrO2的加入使镀层的耐磨性显著提高。另一方面,镀层中ZrO2的存在,使复合镀层的磨损机理发生改变,由普通镍镀层的粘着磨损变为磨粒磨损,ZrO2粒子在镀层表面形成突起,起到了承载作用,代替基质金属成为主要的承载相,在摩擦接触时,突起的ZrO2粒子先参与磨损;此外,纳米颗粒嵌入基质金属后,会阻碍位错的移动和晶格的畸变,于是复合镀层的强度高于基质金属,使含纳米ZrO2的复合镀层具有极好的耐磨性能。

3 结论

1)优化的纳米复合电镀工艺条件为:阴极电流密度4A/dm2,镀液温度60℃,极间距12cm。

2)与纯镍镀层相比,Ni-ZrO2纳米复合镀层晶粒细小,表面平整、光滑,显微组织致密均匀,且其显微硬度约为纯镍镀层的2倍以上。

3)Ni-ZrO2纳米复合镀层的耐磨性可达纯镍镀层的2倍以上。

[参考文献]略

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