新型Ni-Cu復(fù)合鍍層的制備

楚廣劉生長(zhǎng)

(中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410083)

摘要：采用復(fù)合電鍍方法，在鍍鎳液中加入粒徑為5~10μm的銅微粒(晶粒粒徑為52nm)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(duì)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250~300g/L，六水合氯化鎳30~60g/L，硼酸35~40g/L，十二烷基硫酸鈉0.05~0.1g/L，pH值3.5~4.0，溫度55~60℃，陰極電流密度2~3A/dm2，攪拌速度為500~600r/min，銅粉質(zhì)量濃度8~9g/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(diǎn)。

關(guān)鍵詞：銅;鎳;復(fù)合電沉積;制備

中圖分類號(hào)：TQ153.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-7207(2007)03?047406

復(fù)合電鍍是指用電鍍的方法，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。運(yùn)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(rùn)滑鍍層、高溫耐磨鍍層、高溫自潤(rùn)滑鍍層、耐腐蝕鍍層、分散強(qiáng)化鍍層、特殊裝飾性彩色鍍層等，它們?cè)跈C(jī)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(chǎng)合。同時(shí)，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(guó)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(jìn)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(hù)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(shí)驗(yàn)所用具有納米晶結(jié)構(gòu)的銅粉粒徑為5~10μm[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(jìn)行研究。

1實(shí)驗(yàn)

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，250~300g/L;NiCl2·6H2O，30~60g/L;H3BO3，35~40g/L;C12H26SO4Na(十二烷基硫酸鈉)，0.05~0.10g/L;pH值，3~4;溫度，45~60℃;陰極電流密度，2~3A/dm2;Cu粉，8g/L;攪拌速度，500r/min;電解時(shí)間，3~4h。

其中，NiSO4·6H2O和NiCl2·6H2O均為分析純?cè)噭鳦12H26SO4Na(十二烷基硫酸鈉)則為化學(xué)純?cè)噭?。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(yáng)極活化劑，防止陽(yáng)極鈍化，同時(shí)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(rùn)濕劑或稱針孔防止劑，能改善電解液對(duì)電極表面的潤(rùn)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(shí)驗(yàn)方法及裝置

電鍍槽為500mL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×58mm×40mm的分析純銅片，其背面用AB膠封住，陽(yáng)極為鎳塊。電鍍時(shí)，采用恒電流方法，攪拌方式為磁力攪拌。實(shí)驗(yàn)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(cè)試

掃描電子顯微鏡(SEM)是利用初級(jí)電子束轟擊材料表面產(chǎn)生的二次電子和背散射電子進(jìn)行成像觀測(cè)微區(qū)表面形態(tài)，其附件——能量色散譜儀(EDS)可以探測(cè)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(cè)試出銅粉的含量。

采用日本島津HMV?2型全自動(dòng)顯微硬度計(jì)(數(shù)顯)，按GB/T4342—91測(cè)試金屬Ni-Cu復(fù)合鍍層樣品的顯微硬度，載荷為200g，保持30s，每個(gè)樣品測(cè)試

4個(gè)點(diǎn)。

2結(jié)果和討論

2.1陰極電流密度對(duì)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(shí)，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2A/dm2時(shí)，鍍層中銅含量最大;當(dāng)陰極電流密度J超過2A/dm2時(shí)，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(diǎn)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(shí)間縮短，表明單位時(shí)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(huì)相應(yīng)地增高，電場(chǎng)力增強(qiáng)，陰極對(duì)吸附了正離子的固體微粒的靜電引力增強(qiáng)，此時(shí)對(duì)微粒與基質(zhì)金屬的復(fù)合共沉積有一定的促進(jìn)作用。然而，當(dāng)陰極電流密度太大時(shí)(本實(shí)驗(yàn)中，大于2A/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(shí)際面積減小而真實(shí)電流密度增大，進(jìn)一步提高了陰極過電位，導(dǎo)致H2析出量增加。這樣，不僅會(huì)妨害微粒在電極上的吸附，同時(shí)，析氫還可能沖刷掉未在陰極上嵌牢的部分微粒，進(jìn)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(duì)

含量下降。

2.2鍍液溫度對(duì)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(shí)，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(shí)，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(yùn)動(dòng)也隨溫度的升高而加強(qiáng)，同時(shí)使銅微粒的平均動(dòng)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(huì)導(dǎo)致陰極過電位減少，還會(huì)減少銅微粒對(duì)陽(yáng)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?？梢姡?5℃為本實(shí)驗(yàn)溫度的最佳值。

2.3pH值對(duì)鍍層中銅含量的影響