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[摘要]：采用復合電鍍技術(shù)，在黃銅表面制備高硬度的Ni-P-α-Al2O3納米復合鍍層，研究了陰極電流密度、納米α-Al2O3添加量、鍍液pH值、鍍液溫度和電鍍時間對鍍層硬度的影響。結(jié)果表明：當鍍液溫度為45℃，陰極電流密度為4A/dm2，鍍液pH值為4.0，電鍍時間為40min，鍍液中納米α-Al2O3的質(zhì)量濃度為10g/L時，所得鍍層均勻、細致、平滑，經(jīng)適當熱處理后，顯微硬度可達到1 332HV。
[中圖分類號]TQ153.1 [文獻標識碼]A [文章編號]1001-3660(2012)01-0064-03
納米顆粒不但具有本身材質(zhì)的性質(zhì)，而且具有體積效應、表面效應以及一些奇異的光、電、磁等性質(zhì)，它的出現(xiàn)為復合鍍技術(shù)帶來了新的機遇[1]。納米復合鍍層的性能比一般復合鍍層更優(yōu)異，尤其是在工作溫度、耐蝕性、耐磨性等方面有很大提升[2]。目前對Ni-P和Ni-納米α-Al2O3鍍層的研究比較多，文中是在Ni-P合金鍍層的基礎上添加納米α-Al2O3，α-Al2O3能夠改善鍍層的硬度、耐磨性及耐蝕性，提高鍍層的整平度，降低孔隙率。這種復合鍍層具有良好的性能，可應用于化學工業(yè)、精密機械和汽車工業(yè)等領域。
1 實驗
1.1 實驗材料
試樣(陰極)采用黃銅片(H68)，尺寸20mm×30mm×0.5mm;陽極采用純度高于99.97%的鎳片，尺寸20mm×30mm×1mm。納米Al2O3微粒的純度高于98.35%，粒徑為30nm。
1.2 復合鍍層制備
自行設計的小型電鍍實驗裝置如圖1所示。
鍍液組成見表1。鍍前，先對納米α-Al2O3進行潤濕和分散，所用表面活性劑為十六烷基三甲基溴化銨，然后在KQ3200DE型數(shù)控超聲波清洗器中振蕩30min，超聲波有空化效應和機械剪切作用[3]，能有效分散納米α-Al2O3。電鍍時，采用CJ-882A大功率磁力攪拌器攪拌鍍液，使得納米顆粒較好地懸浮在鍍液中。
鍍層制備的工藝流程如下：砂紙打磨，去除氧化膜→堿性除油液中進行化學除油→硫酸和鹽酸組成的酸洗液中酸洗，除去殘留的氧化層→稀硫酸中活化處理→蒸餾水清洗干凈→電沉積。
1.3 硬度測試
復合鍍層顯微硬度用HX-1000TM型顯微硬度計進行測定，加載25g，加載時間為10s。每個試樣在中心半徑0.5mm范圍內(nèi)測試5次，取平均值。
2 各工藝條件對鍍層的影響
2.1 陰極電流密度和熱處理的影響
在鍍液pH值為4.0，溫度為45℃，納米α-Al2O3質(zhì)量濃度為10g/L，施鍍時間30min的工藝條件下，以陰極電流密度為變量來考察鍍層的外觀及硬度，結(jié)果見表2。
由表2可知，電流密度越大，鍍層與基體的結(jié)合越差，越容易起泡，電流密度很大時，甚至起皮脫落。當電流密度為4A/dm2時，鍍層質(zhì)量很好，故合適的陰極電流密度為4A/dm2。
根據(jù)文獻[4]，鍍層在250℃進行熱處理，延長時間可以提高顯微硬度，熱處理5h，顯微硬度可超過1 000HV。將上述電流密度為3A/dm2和4A/dm2獲得的鍍層在250℃熱處理5h，測得其顯微硬度分別為1 096HV和1 332HV。由此可知，鍍層經(jīng)250℃熱處理5h后，顯微硬度明顯增大。這是因為熱處理后，Ni-P合金鍍層由非晶轉(zhuǎn)化成Ni3P等晶相，晶相轉(zhuǎn)化過程中會造成晶格畸變，從而鍍層的塑變抗力增加，硬度得到提高。
2.2 納米α-Al2O3添加量的影響
在鍍液溫度為45℃，pH值為4.0，陰極電流密度為4A/dm2，施鍍時間為30min的工藝條件下，改變鍍液中納米α-Al2O3的質(zhì)量濃度，獲得鍍層，并將鍍層在250℃熱處理5h，之后測量顯微硬度，結(jié)果見圖2。
由圖2可知，隨著鍍液中納米α-Al2O3添加量的增加，鍍層顯微硬度逐漸增大，這表明鍍層中納米α-Al2O3的含量是隨之增加的。一方面，當納米微粒均勻彌散于鍍層中時，可使微粒周圍的位錯運動受到阻礙，變性更加困難，使得鍍層硬度增加;另一方面，納米α-Al2O3本身的硬度很高，這也可以增加鍍層的硬度。不過，納米α-Al2O3微粒的添加量會出現(xiàn)一個極值，到達這個極值后再增加，鍍層硬度不會再增大。這是因為納米微粒在鍍液中的含量較高時，一方面，微粒的無規(guī)則運動將對金屬陽離子的定向遷移造成阻礙作用，從而導致鍍層中納米α-Al2O3的含量增加緩慢[5];另一方面，會引起內(nèi)應力增加，從而導致鍍層粗糙、開裂或剝落。
2.3 鍍液pH值的影響
在鍍液陰極電流密度為4A/dm2，納米α-Al2O3質(zhì)量濃度為10g/L，溫度為45℃，施鍍時間為30min的工藝條件下，改變鍍液pH值獲得鍍層，并在250℃熱處理5h，考察鍍液pH值對鍍層硬度的影響，結(jié)果見圖3。
從圖3中可知，隨著鍍液pH值的增加，鍍層的顯微硬度先逐漸增大，然后逐漸減小。當pH值為4.0時，鍍層生長良好，表面均勻細致，質(zhì)量最好。這是由于α-Al2O3納米微粒將鍍液中的H+吸附于其表面，從而帶正電，在電場力作用下，“帶正電”的納米微粒向陰極定向移動，使共沉積得以進行，鍍液pH值越小，H+的濃度越高，越有利于納米微粒的電沉積。但如果H+的濃度過高，陰極析氫就很嚴重，陰極析氫會阻礙陰極表面的沉積，而且使鍍層中易形成微孔[6]。pH值過大時，H+的濃度降低，OH-的濃度增大，鍍液中的鎳離子與OH-形成不溶性鎳的氫氧化物固體微粒，因此鍍液中鎳離子的濃度降低，鍍層中的α-Al2O3微粒隨之增多，從而使得鍍層內(nèi)應力增大、粗糙或開裂。
2.4 鍍液溫度的影響
在鍍液中納米α-Al2O3的質(zhì)量濃度為10g/L，pH值為4.0，陰極電流密度為4A/dm2，施鍍時間30min的工藝條件下，改變溫度獲得鍍層，并在250℃熱處理5h，考察溫度對鍍層硬度的影響，結(jié)果見圖4。
由圖4可知，隨著鍍液溫度的升高，鍍層的顯微硬度增加，達到一定值后又有所降低。當溫度為45℃時，鍍層的顯微硬度最大。這是因為隨著鍍液溫度的升高，鍍液中納米微粒的能量增多，熱運動更加劇烈，動能增加，向陰極的定向移動速度加快，因此加快了共沉積速度，使得鍍層中納米微粒的含量增加，從而提高了鍍層的顯微硬度。但當溫度升高到一定值時，鍍液中納米微粒的能量過大，熱運動過于劇烈，電場力對納米微粒的作用減弱，使得納米微粒的沉積效率大大降低，不利于共沉積，因此復合鍍層的顯微硬度有所降低[5]。
2.5 電鍍時間的影響
在鍍液pH值為4.0，溫度為45℃，陰極電流密度為4A/dm2，納米α-Al2O3的質(zhì)量濃度為10g/L的條件下，改變電沉積時間獲得鍍層，并在250℃熱處理5h，考察電鍍時間對鍍層硬度的影響，結(jié)果見圖5。
由圖5可知，隨著電鍍時間的延長，鍍層硬度先增加，后減小，施鍍40min所得鍍層的質(zhì)量最好，硬度最高。電鍍時間延長，沉積到鍍層中的納米α-Al2O3增多，因此鍍液導電性能減弱，陰、陽極之間的電阻值增大，電壓也增大，從而溶液中帶電微粒遷移到陰極的速率加快，陰極沉積速率隨之加快，但過程紊亂、無序，所以鍍層內(nèi)應力增大，導致鍍層粗糙、開裂或剝落。
3 結(jié)論
1)Ni-P-α-Al2O3納米復合電鍍的最佳工藝條件如下：鍍液中α-Al2O3的質(zhì)量濃度為10g/L，pH值為4.0，陰極電流密度為4A/dm2，溫度為45℃，電鍍時間為40min。
2)鍍層經(jīng)過熱處理后從非晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)，顯微硬度增大，在250℃熱處理5h可達到1332HV。
[參考文獻]
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