ni－p－w－石墨復(fù)合鍍層工藝及性能研究

1、型崢等 N i ． P ． W _ 石墨復(fù)合鍍層工藝及性能研究 N i - P - W． 石 墨 復(fù)合 鍍層 工藝 及性 能 研 究 劉 崢 ， 夏金 虹：( 1 ． 桂林工學(xué)院材料與化學(xué)工程系， 廣西 桂林 5 4 1 0 0 4 ； 2 ． 桂林電子工業(yè)學(xué)院電子工程系， 廣西 桂林 5 4 1 0 0 4 )[ 摘 要 ]研 究了電流 密度 、 電沉積時(shí)間 、 鍍液 中石 墨含 量 、 鍍 液 中鎢酸鈉含 量 、 陽極類型等 因素

2、對(duì) 電沉 積 ‘ N i ． P - W一 石墨 復(fù)合鍍層 中石墨含量 、 鍍速 、 外觀 的影響 ， 確定 了復(fù)合鍍層 的最佳 工藝條件為 ： 以 N i 為陽極、 電沉積 時(shí)間為 0 ． 5 h 、 鍍 液 中石墨 的含 量是 2 0 g ／ L 、 鍍 液 中鎢酸鈉的含量是 l 0 g ／ L 、 電流密度是 2 A ／ d m 2 。并對(duì)鍍層 的形貌 、 耐蝕性 、 抗氧化性進(jìn)行 了測(cè)定 ． 結(jié)果表 明 ： 與N i - P _

3、 w 復(fù)合鍍層相 比， N i ． P ． W一 石、 圣復(fù)合鍍層有 良好的綜合性能 [ 關(guān)鍵詞 ] 石墨 ； 復(fù)合鍍 層 ； 性能 ； 工藝參數(shù) [ 中圖分類 號(hào)] T Q l 5 3 、 3[ 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A[ 文章編號(hào)] 1 0 0 1 — 3 6 6 0 ( 2 0 ( O } 0 1 — 0 0 5 0 — 0 3S t u d yo nTe c h n o l o g ya n dP r o p e r t yo fEl

4、e c t r o d e p o s i t e dNi — P． W — C C o mp o s i t eCo a t i n gL／ U Z h e n g， X ／ A J ／ n ． I l l D ，( 1 ． D e p a r t m e n to fMa t e r i a l sa n dC h e m i c a lE n g i n e e r i r g ， G u i l i nI n s t i

5、t u t eo fT e c h n o l o g y ， G u i l i n5 4 1 0 0 4 ， C h i n a ；2 ． D e p a r t me n to fE l e c t r o n i cI n f o r m a t i o nE n g i n e e r i n g ， G u i l i nI n s t i t u t eo fE l e c t r o n i cT e c h n o l

6、 o g y ， G u i l i n5 4 1 0 0 4 ， C h i n a )lA b s t r a c t JD i f e r e n tk i n d so ff a c t o r so ne f e c t so fN i ． P ． W． Cc o m p o s i t ec o a t i n gw e r es t u d i e db ye x p e r i m e n t ． T h eb e s

7、tt e ch n o l o g i c a lc o n d i t i o n so fN i - P - W- Cc o m p os i t ec o at i n gw e r ed e f i n e d ． C o m p a r i n gt h eN i ． P ． W． Cf i l mw i t hN i ． P ． W f i l m o nc o r r o s i o nr es i s t a n c

8、ea n do x i d a t i o nr e s i s t a n c ee t c ， t h ef o r me rh a sb e t t e rp r o p e r t i e s ．[ K e yw o r d s ] G r a p h i t e ； C o m p os i t ec o at i n g ； P r o p e r t y0 引言 復(fù)合材料 由于可 以充分發(fā)揮 多種 組成材 料的優(yōu)點(diǎn) ， 給

9、材 料 的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供極 大的 自由度 ， 因此具有 巨大 的開發(fā)與應(yīng)用 前 景。復(fù)合鍍層作 為復(fù)合 材料 中的一 支生力軍 ， 在 材料的表 面強(qiáng) 化 與表面改性 中起 著極 為重要的作用 J 。所謂復(fù)合 電沉積指 用電沉積 的方 法 ， 使金屬 與無機(jī)顆粒 、 有機(jī)顆?；蚪饘兕w粒共 同沉積 ， 以形成復(fù)合鍍層 的方法 。應(yīng) 用復(fù) 合電沉積 可獲得許 多特 殊功能 的復(fù)合鍍層 ， 如耐磨鍍 層 、 耐高溫鍍層 、 耐蝕 鍍層 以及 有

10、電接觸功能 的鍍層等 。另外 ， 具有如下獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn) ： 微粒 與基 質(zhì)金屬 的選 用范 圍寬 、 生產(chǎn)設(shè) 備簡(jiǎn)單 、 操作方 便 、 鍍層 厚度及組 分 含量在一定范 圍內(nèi)可隨意選擇 ， 易于控制 。因此 ， 復(fù)合電沉積技 術(shù)為改變或調(diào)節(jié)材料 的機(jī)械物 理和化學(xué) 性能 ， 提供 了極大 的可能性 和多樣性 ， 在機(jī)械 、 化工 、 航空 航天 、 汽車 、 卷煙 、 紡 織 、 水 電以及 電子工業(yè) 有著 廣泛 的應(yīng)用前景。我 國于

11、2 0 世紀(jì) 7 0 年代 開 始研究復(fù)合電沉積技 術(shù) 。由 電沉 積制得 的 N i ． W ． P三元合 金鍍 層的高溫耐蝕 性遠(yuǎn)優(yōu) 于 N i ． P 合金 鍍層 ， 鎢是 高熔 點(diǎn)金 屬 ，鎢的加入使鍍層的原子間結(jié)合力增強(qiáng) ， 熱穩(wěn) 定性 增強(qiáng) ， 而且還使 鍍層 的空 隙率降低 ， 致密度提高。另外 ， 在腐蝕過程 中含鎢 的致 密穩(wěn)定的鈍 化膜 的生 成 ， 使 得鍍 層 在高 溫 下 的耐 蝕性 明顯 提 高 ?。石墨是

12、一種常見的 固體潤(rùn) 滑劑 ， 它 可以與 N i 或 c u 等金 屬共沉 積而形成 復(fù)合鍍層 ， 這種鍍層具有 良好的潤(rùn)滑功能 ， 且可 在較大溫度范圍 內(nèi)工作 ， 還可 防止摩擦副 的兩種金屬直接接觸 ，從而減少或防止 了粘著磨損 ， 使磨損量大 大下降 j 。但至今 未 見有 N i ． P - W ． 石墨鍍層工藝研究報(bào)道 。文中研 究 電沉 積 N i ． W ． P ． 石 墨 復(fù)合 鍍層 ， 并 進(jìn) 行一 系列 實(shí) 驗(yàn) ，

13、 探 討了陽極 類型 ， 電沉積時(shí)間 ， 鍍 液中石 墨含量 ， 鍍液中鎢酸 鈉含量 以及 電流密度對(duì)鍍層性能的影響 ， ， 并測(cè)定 了復(fù)合鍍層的 性能 。1 實(shí)驗(yàn)部分 1 ． 1 主 要試 劑與 儀器 ( 1 ) 主 要試 劑 ： N i S O 4 · 6 H 2 O， N i C l z · 6 H 2 0 ， N a 2 W0 4 · 2 H 2 0 。H 3 B， N a I - 1 2 P

14、83; H 2 0， 石 墨 ， 均屬化學(xué)純 。( 2 ) 主要儀器 ： S G 1 7 3 1 型雙路直 流穩(wěn)壓穩(wěn) 流 電源 ( 江蘇洪澤 瑞特 電子有 限公 司) 、 T B ． 4 A型恒溫 磁力攪 拌器 ( 上 海理達(dá) 儀器 廠) 、 s x 一 2 5 ． 1 0 型箱形 高溫 電阻爐 ( 長(zhǎng)沙市 華光 機(jī)電廠 ) 、 A S M ． S X型掃描 電鏡 ( 日本島津 ) 、 C H I 6 6 0型 電化學(xué)工 作站 ( 上海

15、 辰華儀 器公司) 、 L S - P O P ( I l 1 ) 型激光粒度分析儀( 珠海 O M E C公司) 。[ 收稿 日期 ] 2 0 0 3 — 0 9 —1 9[ 作者簡(jiǎn)介 ] 劉崢( 1 9 6 2 一) ， 女 ， 江西人 ， 教授 ， 在職博士生 ， 主要從事功 能材料方面 的研究 。維普資訊 http://www.cqvip.com 劉崢等 N i ． P - W． 石墨復(fù)合鍍層工藝及性能研究 由表 2可知 ， 當(dāng)

16、電沉 積時(shí) 問為 1 ． 2 5 h時(shí) ， 鍍層 中石 墨含量 、鍍速 外觀綜 合性 能最好 。2 ． 1 ． 3 電流密度 的確 定 改變 電流 密度 的值 ， 按文 中工藝流程進(jìn)行復(fù)合 電沉積 ， 所得 數(shù)據(jù) 如表 3 所示 。由表 3 可知 ， 當(dāng) 電流密度 小 于 2 A ／ a m ~ 時(shí) ， 鍍 層中石墨含量呈遞增趨勢(shì) ， 當(dāng)電流 密度 大于 2 A ／ d i n 2 時(shí) ， 石 墨含量呈下降趨勢(shì) ， 所 以當(dāng)電流密度

17、為 2 A ／ d i n 2 時(shí) ， 鍍層 中石墨含 量 最大 。同理 ， 由表 3 可 知 ， 當(dāng)電流 密度 為 2 A ／ d i n ~ 時(shí) ， 鍍 速也 最 大 。一般來說 ， 電流 密度增 大 ， 陰極的過 電位會(huì) 相應(yīng)地提 高 ， 電 場(chǎng)力增加 ， 陰極對(duì)吸附著正離子的石墨 的靜 電引力增強(qiáng) ， 有利于 石墨 與其 基質(zhì) 的共 沉積 ， 另一方 面 ， 電流密度提 高， 基質(zhì) 金屬沉 積速度加快 ， 而使石墨的相對(duì)共 沉積

18、量有所 下降 ， 在實(shí)驗(yàn) 中 。開始時(shí)隨著電流密度的增加 ， 另一 種因素 占主導(dǎo)地位 ， 隨著 陰極 電流的繼續(xù)增大 ， 第二種因素逐漸 占主導(dǎo)地位 。而且 的析出量也逐漸增加 ， 進(jìn)一步妨礙石墨與基質(zhì)金屬共沉積 。表 3 最佳電流密度的確定 指 標(biāo) —石墨含量 ( ％)2 o ． 13 2 ． 43 3 ． 41 8 ． 31 4 ． 6鍍速／ ( g · c r n 一· h 一) 0 ． 6 3 91 ． 3

19、 l1 ． 6 51 ． 2 21 ． 0 5外觀 均勻光亮 均勻光亮 均 勻光亮 有脫皮現(xiàn)象 2 ． 1 ． 4 鍍 液中鎢酸鈉濃度的確定 改 變鍍液中 N ~W 0 4 · 2 I - I 2 0含量 ， 其它 工藝 條件 不變 ， 分別 進(jìn)行電沉積復(fù)合 電鍍 ， 結(jié)果 見表 4 。表 4 鍍液 中最佳鎢酸鈉含量的確定 由表 4 可知 ， 隨著鍍 液 中 N a 2 W O 4 · 2 H 2 O含量 的增 加

20、 ， 石墨 含量 和鍍 速都呈下 降趨勢(shì) ， 所 以鍍液 中 N a 2 W O 4 · 2 H 2 O含量不能 太高。這是因?yàn)楦鶕?jù) N e r r ~方程， 鎢酸鈉濃度的提高， 其陰極反 應(yīng)的 電極 電位越正 ， 這有 利于鎢 酸鈉與磷 和鎳共 沉積 。另 一方 面 ， 由于鐵族金屬在陰極沉積 ， 具 有較高的過電位 ， 即 H 2 易在陰 極析 出， 使得鍍液 中石墨微粒 很難 吸附在 陰極 上 ， 不易被 N i ． W

21、 ．P 合金帶入鍍層中 ， 故其含量 降低 。2 ． 1 ． 5 鍍液中石墨濃度的確定 其它工藝條件不變 ， 改變鍍液 中石墨的含量進(jìn)行試驗(yàn) ， 結(jié) 果 見 表5 。 表5 可 知 ， 隨著鍍 液 中石墨 含量 的增加 ， 鍍層 中石墨 的 裹 5 石墨含量的確定 含量和鍍速都增加 ， 但當(dāng)鍍液中石墨含量增至 6 e , ／ ~O m ] ， 又呈下 降趨勢(shì) ， 這 是因?yàn)?當(dāng)鍍液中石墨濃度越大 ， 則在單 位時(shí)間內(nèi)通過 攪拌等作用輸送

22、到 陰極表 面 的石 墨數(shù)量 也越 多， 石 墨進(jìn)入鍍 層 的幾率也越大 ， 但隨鍍液 中石墨 的含量進(jìn)一步增大 ， 鍍 液中石 墨 易發(fā)生 團(tuán)聚現(xiàn)象 ， 難 以沉積在陰極表 面。2 ． 2 復(fù)合鍍層性能測(cè)試 2 ． 2 ． 1 抗高溫氧化性 根據(jù) 1 ． 8的方 法 ， 在不 同的溫 度下 ， 分別測(cè) 定 N i ． Pw 鍍層 和 N i ． P - W- 石墨鍍層的增重率 ， 見圖 l 。由圖 l 可以看出 ， 在不 同氧化溫度

23、下 ， N i ． P _ w 鍍層 和 N i ． P - W- 石墨鍍 層隨著溫度 的升高 ，增重率增大 ， N i — P - W - 石 墨鍍層 在 7 0 0 ~ C 之前 增重 不 明顯 ， 7 0 0 ~ C以后鍍層 的質(zhì)量迅速增加 。N i - P - W 鍍層在 5 0 0 ℃之前 增重不 明顯 ， 5 0 0 ℃以后鍍層的質(zhì)量迅速增加 。5} 32霎 -O4 0 05 0 06 O 07 0 08 0 09 0 O溫

24、度 ／ ~ C圖 I 增重率與溫度的關(guān)系 2 ． 2 ． 2 耐蝕性測(cè)定 根據(jù) 1 ． 9 方法繪 制 出不 同腐蝕 介質(zhì)下 的陽極 極化 曲線 ( 圖略) ， 結(jié)果 表明 ： 在 1 5 ％l 3 介質(zhì) 中 ， N i ． P - W 復(fù)合鍍 層的耐蝕 性 優(yōu)于 N i ． P - W- 石墨鍍層 ， 而在 1 0 ％H C I 、 1 0 ％H 2 s o , 、 4 0 ％H 3 P O 4 酸 性介質(zhì)中 ， 兩鍍層 的腐蝕 程度

25、 差別 不大 。這 是因?yàn)?a一 的存在 對(duì)材料的腐蝕性表現(xiàn) 在兩個(gè) 方面 ： 一方 面 C l 一 直接 參加 了金屬 的 陽極溶解過程 ， 它對(duì)金屬的 陽極具有活 化作用 ， 因此 c 1 一 能加 快金屬腐蝕 ， 另一方 面， a‘ 能破 壞鈍 化膜 ， 使 試樣 發(fā)生點(diǎn) 蝕 。在 酸性 環(huán)境 中 ， N i 能保持鈍性 ， 生成 一系列 亞穩(wěn)態(tài) ， 故兩種 復(fù)合 鍍層性能相 當(dāng)， 而在 F e C I 3 介質(zhì) 中 ， 此 自鈍

26、化 膜難 以形 成 ， 加上 石墨為層 狀結(jié) 構(gòu) ， 有利 于 a一 的滲 透 。故 N i - P - W - 石 墨 鍍層 在 F e C l介質(zhì)中耐 蝕性 差。2 ． 2 ． 3 復(fù)合鍍 層的表面形貌 N i - P - W 鍍層和 N i - P - W - 石墨鍍層 的表面形 貌如圖 2 和圖 3 ?！?r I II l l圖2N i ． P - W鍍層的圖 3N i — P - W石里犀一電鏡掃描結(jié)果 鍍 的電鏡掃描 從圖