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摘要：采用復(fù)合電鍍方法，在鍍鎳液中加入粒徑為 5~10 μm 的銅微粒(晶粒粒徑為 52 nm)制備 Ni-Cu 復(fù)合鍍層，探討陰極電流密度、鍍液的 pH 值與溫度、攪拌速度、銅微粒含量和鎳離子濃度對 Ni-Cu 復(fù)合鍍層中銅微粒共析量的影響。結(jié)果表明，最佳鍍液組成和工藝參數(shù)如下：七水合硫酸鎳 250~300 g/L，六水合氯化鎳 30~60 g/L，硼酸 35~40 g/L，十二烷基硫酸鈉 0.05~0.1 g/L，pH 值 3.5~4.0，溫度 55~60 ℃，陰極電流密度 2~3 A/dm2，攪拌速度為 500~600 r/min，銅粉質(zhì)量濃度 8~9 g/L;鍍層致密且銅微粒分布均勻; Ni-Cu 復(fù)合鍍層中銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在5%~30%之間，其顯微硬度 HV0.2 在 450~750 之間，且隨鍍層中銅含量的增大而增大，表現(xiàn)出高硬度的特點。
關(guān)鍵詞：銅;鎳;復(fù)合電沉積;制備
中圖分類號：TQ153.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7207(2007)03?047406
復(fù)合電鍍是指用電鍍的方法，使金屬與無機顆粒、有機顆粒或金屬顆粒共同沉積，以形成復(fù)合鍍層的方法。運用復(fù)合電鍍，可以獲得許多具有特殊功能的復(fù)合材料鍍層，如耐磨鍍層、耐高溫鍍層、減磨鍍層、耐磨自潤滑鍍層、高溫耐磨鍍層、高溫自潤滑鍍層、耐腐蝕鍍層、分散強化鍍層、特殊裝飾性彩色鍍層等，它們在機械工業(yè)、航空工業(yè)、汽車工業(yè)以及電子工業(yè)與航天工業(yè)中有著廣闊的使用前景，可以勝任單金屬鍍層與合金鍍層無法勝任的場合。同時，除在水溶液中沉積復(fù)合鍍層外，還可以從非水溶液中沉積復(fù)合鍍層。我國于20世紀(jì)70年代開始研究復(fù)合電鍍技術(shù)，天津大學(xué)進行了鎳?金剛石復(fù)合鍍層工藝的研究;哈爾濱工業(yè)大學(xué)開展了 Ni-SiC、Fe-Al2O3、Fe-SiC 等復(fù)合鍍層的電鍍工藝研究;武漢材料保護研究所于 20世紀(jì) 70 年代末、80 年代初開展了鎳.氟化石墨和銅氟化石墨復(fù)合電鍍工藝的研究;天津大學(xué)開展了具有電接觸功能復(fù)合鍍電沉積工藝的研究[7]。
本實驗所用具有納米晶結(jié)構(gòu)的銅粉粒徑為5~10 μm[8]，具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性，較高的硬度，生產(chǎn)成本低。本文作者提出了在電鍍鎳溶液中加入銅微粒制備Ni-Cu復(fù)合沉積層的新方法，并就其影響因素進行研究。
1 實 驗
1.1 鍍液組成及工藝條件
鍍液采用普通鍍鎳電解液(硫酸鹽低氯化物型鍍鎳電解液)，鍍液組成及工藝條件如下：
NiSO4·6H2O，250~300 g/L; NiCl2·6H2O，30~60 g/L;H3BO3，35~40 g/L; C12H26SO4Na(十二烷基硫酸鈉)，0.05~0.10 g/L; pH 值，3~4; 溫度，45~60 ℃; 陰極電流密度，2~3A/dm2;Cu 粉，8 g/L;攪拌速度，500 r/min;電解時間，3~4 h。
其中，NiSO4·6H2O 和 NiCl2·6H2O 均為分析純試劑，而 C12H26SO4Na(十二烷基硫酸鈉)則為化學(xué)純試劑。各試劑的作用如下：硫酸鎳是鍍鎳電解液的主鹽，為電解提供鎳離子;氯化鎳中的氯離子為陽極活化劑，防止陽極鈍化，同時又為溶液提供鎳離子，增加溶液的電導(dǎo)率;H3BO3 是緩沖劑，用來調(diào)整電解液的 pH值;C12H26SO4Na(十二烷基硫酸鈉)為潤濕劑或稱針孔防止劑，能改善電解液對電極表面的潤濕性能，使氫氣不易吸附在電極表面上，從而減少或消除針孔的
發(fā)生。
1.2 實驗方法及裝置
電鍍槽為 500 mL 燒杯，內(nèi)置攪拌磁子，外部配置有 DF?101B 集熱式恒溫磁力攪拌器，陰極片為 0.2mm×58 mm×40 mm 的分析純銅片，其背面用 AB 膠封住，陽極為鎳塊。電鍍時，采用恒電流方法，攪拌方式為磁力攪拌。實驗裝置如圖 1 所示。
1.3 復(fù)合鍍層中銅粉含量及鍍層表面形貌的分析測試
掃描電子顯微鏡(SEM)是利用初級電子束轟擊材料表面產(chǎn)生的二次電子和背散射電子進行成像觀測微區(qū)表面形態(tài)，其附件——能量色散譜儀(EDS)可以探測樣品某一微區(qū)的化學(xué)成分。
將鍍層從陰極片上剝下，經(jīng)洗滌、干燥、稱量后，利用JSM-6360LV型掃描電鏡觀察復(fù)合鍍層的表面形貌及X射線能譜分析儀測試出銅粉的含量。
采用日本島津 HMV?2 型全自動顯微硬度計(數(shù)顯)，按 GB/T4342—91 測試金屬 Ni-Cu 復(fù)合鍍層樣品的顯微硬度，載荷為 200 g，保持 30 s，每個樣品測試
4 個點。
2 結(jié)果和討論
2.1 陰極電流密度對鍍層中銅含量的影響
圖 2 所示為陰極電流密度與鍍層中銅含量的關(guān)系。從圖 2 可知，當(dāng)陰極電流密度 J 小于 2A/dm2時，鍍層中銅含量隨著陰極電流密度的增加而增大;當(dāng)陰極電流密度 J 接近 2 A/dm2時，鍍層中銅含量最大;當(dāng)陰極電流密度 J 超過 2 A/dm2時，鍍層中銅含量基本上不隨電流密度的變化而變化，反而稍微有點下降。
在復(fù)合電鍍過程中，一方面，隨著陰極電流密度增大，基質(zhì)金屬的沉積速度提高，極限時間縮短，表明單位時間內(nèi)可能被嵌入的微粒數(shù)量越多;另一方面，陰極電流密度增大，陰極的過電位會相應(yīng)地增高，電場力增強，陰極對吸附了正離子的固體微粒的靜電引力增強，此時對微粒與基質(zhì)金屬的復(fù)合共沉積有一定的促進作用。然而，當(dāng)陰極電流密度太大時(本實驗中，大于 2 A/dm2)，微粒被輸送到陰極附近并被嵌入沉積層的速度落后于基質(zhì)金屬的沉積速度。此外，由于鑲嵌在陰極表面的微粒的導(dǎo)電能力較弱，遮蓋了部分陰極表面，從而使陰極實際面積減小而真實電流密度增大，進一步提高了陰極過電位，導(dǎo)致 H2析出量增加。這樣，不僅會妨害微粒在電極上的吸附，同時，析氫還可能沖刷掉未在陰極上嵌牢的部分微粒，進而影響到與基質(zhì)金屬的共沉積行為，使沉積層內(nèi)微粒的相對
含量下降。
2.2 鍍液溫度對鍍層中銅含量的影響
圖 3 所示為鍍液溫度與鍍層中銅含量的關(guān)系。從圖 3 可知，當(dāng)溫度在 40~45 ℃之間變化時，鍍層中的銅含量略有增加，但增幅不大;而當(dāng)溫度從 45 ℃上升至 55 ℃時，鍍層中的銅含量急劇增加，在 55 ℃達(dá)到最大值;但當(dāng)溫度超過 55 ℃后，鍍層中的銅含量又急劇下降。這是由于隨著溫度的升高，鍍液粘度下降，有利于顆粒的輸送，鍍液中離子的熱運動也隨溫度的升高而加強，同時使銅微粒的平均動能增加，所以，銅微粒在復(fù)合鍍層中的含量隨溫度上升而增加。但溫度過高會導(dǎo)致陰極過電位減少，還會減少銅微粒對陽離子的吸附力，從而不利于銅微粒嵌入鍍層。因此，銅微粒在復(fù)合鍍層中的含量隨溫度的繼續(xù)升高而下降。可見，55 ℃為本實驗溫度的最佳值。
