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0 引 言隨著電沉積技術(shù)的發(fā)展和日趨成熟,復(fù)合鍍層的研究已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者研究的熱點(diǎn)[1 7]。復(fù)合鍍技術(shù)是在鍍液中加入不溶性固體顆粒(如Si3N4、TiN、AlN、SiC等),通過(guò)攪拌的方式使固體顆粒均勻分散于鍍液中,然后應(yīng)用電沉積或化學(xué)沉積的方式,實(shí)現(xiàn)固體顆粒與基質(zhì)金屬的共同沉積,從而制備出具有耐高溫、耐磨、高硬度等特點(diǎn)的復(fù)合鍍層[8,9]。影響電沉積Ni Si3N4復(fù)合鍍層的主要因素很多,如:Si3N4的含量、陰極電流密度、表面活性劑、攪拌方式及速度等。在制備Ni Si3N4復(fù)合鍍層的過(guò)程中,各種離子表面活性劑由于所帶電荷不同,對(duì)基質(zhì)金屬和固體顆粒的共沉積有較大的影響。此外,表面活性劑還起著潤(rùn)濕、乳化、分散等作用[10]。因此,研究表面活性劑對(duì)電沉積Ni Si3N4復(fù)合鍍層的影響具有十分重要的意義[11]。采用瓦特鍍鎳液,研究了2種不同表面活性劑及其不同組合對(duì)電沉積Ni Si3N4復(fù)合鍍層的粒子含量和耐磨性的影響。
1 試驗(yàn)方法
1.1 試樣及納米Si3N4粉體試樣基體為不銹鋼,尺寸為20mm×30mm×1mm。納米Si3N4粉體平均粒徑為50nm,純度大于99.9%。
1.2 鍍液配方及工藝條件鍍液組成及工藝條件見表1。
1.3 工藝流程不銹鋼片→打磨→化學(xué)除油→電沉積復(fù)合鍍層→水洗→測(cè)試
1.4 鍍層性能測(cè)試1)納米Si3N4含量的測(cè)定 在不銹鋼試樣上制備一定厚度的鍍層后,將鍍層剝下,經(jīng)干燥稱量后,用1:1的硝酸加熱溶解,氨水 氯化銨緩沖溶液調(diào)pH值為10,以紫尿酸銨為指示劑,用標(biāo)準(zhǔn)的EDTA溶液滴定由黃色轉(zhuǎn)變?yōu)樽霞t色即可。求出鍍層中鎳的含量,然后用差減法求得鍍層中納米Si3N4含量。
2)耐磨性能的測(cè)試 采用PM I型平磨機(jī),載荷為800g,經(jīng)400次平磨,用精度為0.1mg的天平測(cè)量試樣磨損量m,以其作為耐磨性能的考核指標(biāo)。3)組織形貌 用日本電子公司的JSM 6460LV型掃描電鏡(SEM)對(duì)復(fù)合鍍層微觀組織形貌進(jìn)行觀察和分析。
2 試驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1 表面活性劑對(duì)復(fù)合鍍層中粒子含量的影響在鍍鎳液中加入表面活性劑。其中,S1為聚乙烯醇(PVA)非離子表面活性劑,S2為十六烷基三甲溴化銨(CTAB)陽(yáng)離子表面活性劑。在相同的實(shí)驗(yàn)條件下,改變表面活性劑的濃度,得到表面活性劑對(duì)復(fù)合鍍層中粒子含量的影響見圖1。
從圖1可以看出:隨著表面活性劑濃度的增加,復(fù)合鍍層中納米Si3N4粒子的含量先增加后減少。鍍液中表面活性劑的濃度小于80mg L時(shí),鍍層中納米Si3N4粒子的含量隨著表面活性劑濃度的增加而增加。這是因?yàn)楸砻婊钚詣?duì)鍍液中的Si3N4粒子起潤(rùn)濕、乳化、分散等作用。由于表面活性劑濃度的增加,表面活性劑對(duì)鍍液中Si3N4粒子的潤(rùn)濕、乳化、分散等作用隨之增強(qiáng),所以復(fù)合鍍層中納米Si3N4粒子的含量增加。當(dāng)表面活性劑的濃度達(dá)到80mg L左右時(shí),鍍層中納米Si3N4粒子的含量達(dá)到最大值。當(dāng)鍍液中表面活性劑的濃度大于80mg L時(shí),過(guò)多的表面活性劑分子吸附在陰極表面,阻礙了基質(zhì)金屬和Si3N4粒子在陰極表面的沉積,故復(fù)合鍍層中納米Si3N4粒子的含量減少。從圖1還可以看出:非離子表面活性劑對(duì)鍍層中納米Si3N4粒子的含量影響不大,而陽(yáng)離子表面活性劑對(duì)鍍層中Si3N4粒子的含量影響較大。當(dāng)陽(yáng)離子表面活性劑的濃度達(dá)到80mg L時(shí),鍍層中Si3N4粒子的含量達(dá)到11.4%。這是因?yàn)殛?yáng)離子表面活性劑除了對(duì)鍍液中Si3N4粒子的潤(rùn)濕、乳化、分散等作用外,還使Si3N4粒子表面帶上正電荷,更加有利于Si3N4粒子與基質(zhì)金屬Ni的共沉積。
2.2 表面活性劑對(duì)復(fù)合鍍層耐磨性的影響S1和S2兩種表面活性劑對(duì)復(fù)合鍍層耐磨性的影響見圖2。從圖2可以看出:隨著表面活性劑濃度的增加,復(fù)合鍍層的磨損量m先減小后增大。這是因?yàn)閺?fù)合鍍層的磨損量與鍍層中納米Si3N4粒子的含量有關(guān)。當(dāng)表面活性劑的濃度小于80mg L時(shí),鍍層中納米Si3N4粒子的含量隨著表面活性劑的濃度的增加而增加,故復(fù)合鍍層的磨損量m隨之減小。當(dāng)表面活性劑的濃度大于80mg L時(shí),鍍層中納米Si3N4粒子的含量隨著表面活性劑的濃度的增加而減少,故復(fù)合鍍層的磨損量m隨之增加。從圖2還可以看出:用S1制備的復(fù)合鍍層耐磨性較好。這是因?yàn)榉请x子表面活性劑具有優(yōu)越的潤(rùn)滑和滲透性能,可以除去粒子表面的殘余油污,增加微粒與基質(zhì)金屬的結(jié)合力,故能改善復(fù)合鍍層的耐磨性能。
2.3 表面活性劑的復(fù)配組合對(duì)復(fù)合鍍層的影響根據(jù)上述實(shí)驗(yàn),確定出表面活性劑的最佳濃度為80mg L。將S1和S2進(jìn)行復(fù)配,研究不同的復(fù)配組合對(duì)復(fù)合鍍層的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。
從表2可以看出:當(dāng)S1和S2的配比為1:1時(shí),鍍層的磨損量最小為1.0mg。這是因?yàn)镾1和S2混合時(shí),彼此相互作用或形成絡(luò)合物,產(chǎn)生增效作用或?qū)棺饔?故鍍層的磨損量最小。當(dāng)S1和S2的配比為1:2時(shí),鍍層中Si3N4粒子含量最大為12.1%,鍍層的磨損量為1.1mg。這是因?yàn)殛?yáng)離子表面活性劑的離解產(chǎn)物吸附在Si3N4粒子表面,使其帶正電荷。微粒間相同電荷相互排斥而不易團(tuán)聚;非離子表面活性劑因水合作用,在Si3N4粒子表面形成水化層,使得懸浮液的穩(wěn)定性較好,故復(fù)合鍍層中Si3N4粒子的含量較多。綜合以上數(shù)據(jù),采用S1和S2的配比為1:2組合時(shí),能獲得較高的粒子含量和較好的耐磨性。
3 鍍層的組織形貌為了比較表面活性劑對(duì)復(fù)合鍍層的影響,在相同的實(shí)驗(yàn)條件下,采用未加表面活性劑及加入濃度為80mg L表面活性劑(S1和S2配比為1:2)2種工藝,制備Ni 納米Si3N4復(fù)合鍍層。并利用日本電子公司的JSM 6460LV型掃描電鏡(SEM)對(duì)復(fù)合鍍層的表面形貌進(jìn)行觀察,如圖3所示。
從圖3可以看出:在相同的條件下,加入表面活性劑的復(fù)合鍍層中Si3N4粒子的含量明顯多于未加表面活性劑的復(fù)合鍍層。而且在加入表面活性劑的復(fù)合鍍層的表面,粒子的分布比較均勻,粒子的尺寸也較小。這說(shuō)明了表面活性劑對(duì)復(fù)合鍍層有較大的影響。因此,在電沉積制備Ni Si3N4復(fù)合鍍層的過(guò)程中,表面活性劑具有重要的作用。
4 結(jié) 論1)在電沉積制備Ni Si3N4復(fù)合鍍層的過(guò)程中,表面活性劑具有十分重要的作用。2)非離子表面活性劑能增加微粒與基質(zhì)金屬的結(jié)合力,改善復(fù)合鍍層的耐磨性能。陽(yáng)離子表面活性劑有利于粒子和基質(zhì)金屬的共沉積,明顯提高鍍層中粒子的含量。3)非離子和陽(yáng)離子表面活性劑的復(fù)配,可以獲得粒子含量高、耐磨性能好的Ni 納米Si3N4復(fù)合鍍層。且非離子和陽(yáng)離子表面活性劑的配比以1:2為宜。4)加入表面活性劑,鍍層中納米Si3N4含量增大,分布均勻性較未加入表面活性劑的好。
