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1 前 言
化學(xué)復(fù)合鍍是在化學(xué)鍍的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種表面處理技術(shù)。在化學(xué)鍍鍍液中加入不溶性的固體微粒如SiC、Al2O3、Cr2O3、WC等,通過攪拌使固體微粒懸浮于溶液中,實(shí)現(xiàn)分散微粒與基質(zhì)金屬的共沉積,從而制備具有較高硬度、耐磨性、自潤(rùn)滑性、耐蝕性及特殊的裝飾外觀等功能性鍍層[1,2]。這些是采用常規(guī)的單金屬電鍍或合金電鍍難以得到的。故化學(xué)復(fù)合電鍍?cè)跈C(jī)械工業(yè)、船舶工業(yè)及電子工業(yè)中有極廣泛的應(yīng)用前景。影響化學(xué)復(fù)合鍍的因素有絡(luò)合劑的選擇、SiC微粒的添加量、穩(wěn)定劑、表面活性劑、溫度、pH值和攪拌速度等[3,4]。在Ni P SiC化學(xué)復(fù)合鍍過程中,表面活性劑起潤(rùn)濕基體和微粒表面、提高懸浮液的穩(wěn)定性等作用。表面活性劑對(duì)復(fù)合鍍層性能影響較大。作者主要研究了3種不同表面活性劑及其不同組合方式對(duì)Ni P SiC化學(xué)復(fù)合鍍層的硬度和耐磨性能的影響,對(duì)制備性能優(yōu)異的復(fù)合鍍層具有十分重要的意義。
2 實(shí)驗(yàn)方法
2.1 鍍液配方及工藝條件 硫酸鎳20～30g/L,次亞磷酸鈉25～35g/L,絡(luò)合劑10～20g/L,穩(wěn)定劑0.5～1.5mg/L,表面活性劑10～100mg/L,SiC10～100g/L,pH值4～6,溫度80～90℃,攪拌速度200～500r/min。
2.2 工藝流程冷軋鋼片→打磨→化學(xué)除油→電解除油→化學(xué)復(fù)合鍍→水洗→測(cè)試。
2.3 鍍層性能測(cè)試(1)硬度 采用71型顯微硬度計(jì)測(cè)定鍍層的硬度,每個(gè)試樣取3個(gè)不同的位置測(cè)試,然后取平均值,載荷2N,加載時(shí)間10～15s。(2)耐磨性能 采用PM Ⅰ型平磨機(jī),載荷800g,經(jīng)400次平磨,用分析天平稱量試片平磨前后質(zhì)量差Δm表示其耐磨性能。(3)結(jié)構(gòu) 用SIMENSD500型X 射線衍射儀測(cè)定鍍層結(jié)構(gòu)。(4)成分 用不銹鋼薄片施鍍1.5h,將鍍層剝離干燥后,用美國(guó)BARID公司生產(chǎn)的ICP AES等離子發(fā)射光譜測(cè)定鍍層中Ni、P、SiC的含量。
3 結(jié)果與討論
3.1 3種表面活性劑單獨(dú)加入時(shí)對(duì)鍍層性能的影響在鍍液中分別加入不同濃度的3種表面活性劑(其中S 1為季銨鹽型陽離子表面活性劑、S 2為磺酸鹽型陰離子表面活性劑、S 3為醚類非離子表面活性劑),它們對(duì)鍍層硬度及耐磨性能的影響見圖1和圖2。
由圖1和圖2可知,三種體系所得鍍層的硬度均隨表面活性劑用量的增大出現(xiàn)先增大后變小的現(xiàn)象。S 1用量為60mg/L時(shí)鍍層硬度最大為890HV,S 2用量為60mg/L時(shí)鍍層硬度最大為860HV,而S 3用量為80mg/L時(shí),鍍層硬度最大為850HV。鍍層的磨損量隨表面活性劑用量的增大呈現(xiàn)先減小后變大的趨勢(shì),3種體系均在表面活性劑用量為60mg/L時(shí)磨損量達(dá)到最小值,對(duì)添加S 1、S 2表面活性劑的體系而言,硬度最大與磨損量最小時(shí)表面活性劑用量一致。對(duì)S 3體系,硬度最大和磨損量最小時(shí)表面活性劑用量并不一致。這與分散微粒和基質(zhì)金屬在共沉積過程中受化學(xué)吸咐和流體力學(xué)等的影響有關(guān)。表面活性劑對(duì)鍍液中固體顆粒起潤(rùn)濕、乳化和分散等作用[5]。其濃度較低時(shí),對(duì)微粒潤(rùn)濕、分散作用不夠充分,不利于分散微粒與基質(zhì)金屬的共沉積,而表面活性劑用量過大時(shí),過多的表面活性劑分子會(huì)吸咐在基片表面,屏蔽部分催化活性點(diǎn),影響自催化還原反應(yīng)的順利進(jìn)行,只有其用量合適時(shí),才有利于固體微粒與基質(zhì)金屬的共沉積,從而有利于鍍層硬度和耐磨性能的提高。
3.2 表面活性劑的復(fù)配組合對(duì)鍍層性能的影響在上述實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,確定表面活性劑的濃度為60mg/L,將S 1、S 2和S 33種表面活性劑進(jìn)行復(fù)配,研究不同組合方式對(duì)鍍層性能的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。
由表1可知,S 1與S 2組合及其配比為1∶1時(shí)硬度最大為830HV,與單獨(dú)添加時(shí)效果大體相當(dāng)。而S 1與S 3組合,其配比為2∶1時(shí)硬度最大為950HV,比它們單獨(dú)使用時(shí)有一定的提高。由表1還可知,S 1與S 2、S 2與S 3組合時(shí),鍍層磨損量與單獨(dú)使用S 1、S 2、S 3時(shí)大體相當(dāng),而S 1與S 3組合配比為1∶1時(shí)磨損量最小為0.8mg。這是因?yàn)閮煞N表面活性劑混合時(shí),彼此相互作用或形成絡(luò)合物,產(chǎn)生靜電作用或其他物理化學(xué)作用,因而產(chǎn)生增效作用或?qū)棺饔肹6]。要獲得理想的復(fù)合鍍層,要求SiC微粒能得到良好的潤(rùn)濕并在鍍液中形成穩(wěn)定的懸浮體系。S 1與S 2組合時(shí),因其離解產(chǎn)物帶相反電荷,吸咐在SiC表面時(shí)可能產(chǎn)生對(duì)抗作用,鍍液的穩(wěn)定性也不夠好,故鍍層性能不夠理想。S 3與S 1、S 2組合時(shí),離子型表面活性劑的離解產(chǎn)物吸咐在SiC表面,因界面電荷而形成雙電層,微粒因電荷相互排斥而不易凝聚;非離子表面活性劑因水合作用在SiC表面形成較厚的水化層,也可防止液滴的聚合,故懸浮液的穩(wěn)定性較好。離子型表面活性劑對(duì)SiC的潤(rùn)濕效果較好,故鍍層的性能較理想。相比而言,在鍍液pH值較小的情況下,S 1、S 3組合產(chǎn)生的增效作用比S 2、S 3組合更明顯,故采用S 1與S 3組合時(shí),鍍層的硬度和耐磨性最好。故選用S 1、S 3組合,且配比為2∶1。
4 復(fù)合鍍層的成分及結(jié)構(gòu)
4.1 鍍層的成分鍍液中分別添加S 1、S 2及S 1和S 3組合表面活性劑,所得鍍層分別記為1號(hào)、2號(hào)和3號(hào),其成分見表2。從表2可知:采用S 1、S 3組合,鍍層中P和SiC的重量百分含量均大于單獨(dú)使用S 1、S 3時(shí)所得的鍍層。由表3可知,所得鍍層的耐磨性能是電鍍純鎳的5～6倍。
4.2 鍍層的結(jié)構(gòu)鍍層在鍍態(tài)下的X 射線衍射結(jié)果見圖3,圖中2θ=45°處出現(xiàn)了“饅頭包”衍射峰,說明鍍層在鍍態(tài)下為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。
5 結(jié) 論在一定鍍液配方和工藝條件下,采用S 1與S 3以2∶1組合時(shí),所得的Ni P SiC復(fù)合鍍層中P、SiC含量均大于單獨(dú)使用S 1、S 3時(shí)所得鍍層的相應(yīng)含量,鍍層屬非晶態(tài)結(jié)構(gòu),硬度、耐磨性均優(yōu)于單獨(dú)使用S 1、S 3。故采用兩種表面活性劑適當(dāng)?shù)慕M合,有利于制備性能優(yōu)異的Ni P SiC化學(xué)復(fù)合鍍層。
