Ni-P-TiB2陶瓷复合镀层的研究

rockston

二硼化钛(TiB2)是一种新型陶瓷材料，由于硬度高达2650HV，所以一直被认为是抗磨镀层的一种良好的可选材料。然而，常规的涂覆工艺却不能沉积出能适用于工业上使用，并具有足够机械强度、充分厚度的TiB2镀层。
/ ^$ ^; k2 Q+ ^4 m; y    本文通过实验研究获得性能优良Ni-P-TiB2陶瓷复合镀层的最佳工艺条件和复合镀层性能。
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( W. R' R3 J% c2 f. l3 t) \$ z    一、试验条件
    1．镀液组成
3 t; `3 ^" d$ [% R$ j% p& n6 ]+ v    镀液成分为：乙酸镍20g/L，甘氨酸10g/L，次亚磷酸钠16g/L，硫脲1mg/L，表面活性剂25mg/L，TiB22～9g/L，pH值5.0～5.5，温度83～85℃。
* M! V" E4 v% {( s' l# q, u2 d    2．TiB2颗粒的镀前处理
    TiB2微粒在镀覆前需进行清洗和活化处理，并用阴离子表面活性剂进行亲水处理。过程大体是用20％盐酸溶液除杂质，再用蒸馏水冲至中性，然后去除底部沉淀物，把TiB2微粒烘干。在研钵中将TiB2微粒与表面活化剂充分研磨30～60min后，将粉体倒入没有加人次亚磷酸钠的镀液中浸润3～4h，在浸润过程中要连续地搅拌，使TiB2微粒能与表面活性剂和镀液充分接触润湿并悬浮。
( `) }5 y4 c: z2 Y; n* m; E  \* V    二、试验结果分析

    1．微粒添加量的影响
    当微粒添加量较小时，镀层中TiB2共析量几乎与之呈直线增加；当TiB2添加量>5g/L时增加趋势逐渐平缓；TiB2添加量再增加时，TiB2共析量减小，同时，TiB2微粒的添加使复合镀层沉积速度减小(如图1所示)。

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    2．温度的影响
    镀液温度对沉积速度及TiB2共析量的影响如图2所示。当温度低于65℃时沉积速度几乎为零；在70～85℃之间沉积速度呈线性增加；而大于85℃时它的沉积速度骤降，这是由于温度太高致使体系处于不稳定状态，还原剂自分解反应加快而引起。在这种情况下TiB2在镀层中的重量也显著下降，但共析量却仍增大，得到的镀层表面粗糙且有瘤状物，是不合格的镀层。
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    3．搅拌速率的影响
    本试验采用机械搅拌的方式，并且采用问歇搅拌。图3是间歇时间与搅拌时间之比对沉积速度及TiB2共析量的影响，搅拌速度恒定为150r/min，搅拌时间均为30s。由图3可知，搅拌对共析量的影响有一个最佳值，这种现象完全符合Guglielmi的“两步吸附理论”。间歇时间逐渐增长，沉积速度略有下降，这是由于搅拌能使镀件上析出的H2气泡迅速脱离表面，使TiB2颗粒和基质金属能充分与镀件表面接触。

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    4．pH值对沉积速度及共析量的影响
    如图4所示，当pH<3时沉积速度几乎为零，随着pH值的增大沉积速度急速增大，pH值达到5.0时沉积速度曲线呈现平缓趋势，pH值大于6时Ni2+易水解而使镀液出现浑浊。

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    5．镀液中负载因子的影响
    为避免在短时间内镀液浓度变化过大，有必要限制在一定体积的镀液中放入镀件的数量。通常认为，在每升化学镀液中，同时浸入的镀件面积不应超过125cm2。随着负载因子的加大，沉积速率降低，当负载因子超过1dm2/L时镀层的沉积速度下降很快。
  s) Y; W7 M5 X  N! j! j7 F    6．表面活性剂的影响
    加入表面活性剂对镀层的组织成分影响很大，在很大程度上影响了镀层的硬度、耐磨性和镀层内应力，合理选用表面活性剂的种类和合理的添加量，在很大程度上影响了复合化学镀的成败及镀层的好坏。本试验选用的表面活性剂为合成高分子活性剂，经考察镀层组织及成分，发现高分子表面活性剂对本镀液比较适合，颗粒在溶液中分散状况好，镀层沉积速度快，镀层致密，结合强度好，硬度高，颗粒在镀层中分散均匀，镀层晶粒较细。高分子活性剂属于阴离子型高分子活性剂，它们在水中溶解时，随pH值不同，其离解状态也不同，溶解度和溶液的粘度也有变化。浓度不同，起分散作用的能力也不同。浓度低时，高分子表面活性剂的分子吸附在两个粒子上，将两个粒子连接在一起，而导致凝聚作用：浓度高时，高分子表面活性剂分子包围住粒子，可防止粒子凝聚，起分散作用。对于疏水性的固体粒子在水中分散时，使用阴离子高分子表面活性剂作分散剂最好，表面活性剂分子在固体颗粒上定向吸附后，分散离子带有电荷，形成双电层，使分散体趋于稳定。
9 W5 p# J5 Q8 V; d1 x+ ~7 E& k3 s    三、Ni-P-TiB2复合镀层性能
& _  O5 X- T+ ]5 {% k/ F2 R    1．镀层结合强度
    将镀件夹在台钳中，用粗齿锉刀锉镀层的边棱。锉刀与镀层表而约成45℃，由基体金属向镀层方向锉，镀层并没有揭起或脱落，表明Ni-P-TiB2复合镀层不会因TiB2作为分散相而使复合镀层附着性变坏，镀层具有良好的结合强度。热处理对镀层的结合强度的提高，是由于在400℃以上的热处理后，基质金属和基体相互扩散融合而加强了两者的结合强度。
- X) a9 A! c" B9 F8 M    2．镀层的硬度
    经过测定不同温度热处理的Ni-P-TiB2镀层的硬度，结果见图5。图5表明，在400℃下热处理后，可使Ni-P-TiB2的硬度达到最大。
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    3．镀层的耐磨性能
* A4 f. T9 D" y% @& J6 _    经磨损试验和观察Ni-P-TiB2复合镀层(400℃×1h)摩擦磨损表面SEM照片，证明Ni-P-TiB2镀层的耐磨性能是比较优越的。
& v9 u4 B+ z( \) T/ H8 |    四、结语
* L5 U* l5 l! e, D0 [    (1)采用合理的复合镀工艺可获得结合强度良好、硬度高、耐磨性能良好的Ni-P-TiB2镀层。
    (2)获得Ni-P-TiB2复合镀层的最佳工艺条件为：温度84℃，pH值5.3，TiB2微粒量6g/L，搅拌方式为间歇搅拌，间歇比1:7，负载因子1dm2/L。
    (3)Ni-P-TiB2复合镀层经400℃热处理后，明显提高了硬度，也能提高耐磨性能。
/ [3 Q, i+ C/ V' F& }5 K, d8 p; c    (4)TiB2微粒的憎水性比较强，所以在镀前微粒处理时，应有比较长的搅拌浸润时间。如果浸润时间太短，复合镀层中微粒的含量较低，甚至于微粒不能与镍磷共沉积，将直接影响镀层质量。