李家明, 徐淑慶, 梁銘忠
(1.欽州學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院,廣西 欽州535000;2.欽州學(xué)院 海洋學(xué)院,廣西 欽州535000;3.欽州學(xué)院 資源與環(huán)境學(xué)院,廣西 欽州535000)
復(fù)合電鍍是基于電化學(xué)沉積原理,實(shí)現(xiàn)金屬離子與不溶性固體微粒共沉積的工藝過程。作為電鍍領(lǐng)域的新分支,復(fù)合電鍍逐漸成為研究熱點(diǎn)[1-3]。本文以電沉積Cu-SiC 復(fù)合鍍層為主題,并以沉積速率、復(fù)合鍍層的表面粗糙度和微觀形貌為考察指標(biāo),開展實(shí)驗(yàn)研究。
電沉積Cu-SiC復(fù)合鍍層在自行研制的實(shí)驗(yàn)裝置中進(jìn)行。陽極采用磷銅板,陰極采用不銹鋼板。鍍液組成及工藝條件為:CuSO4·5H2O 200g/L,H2SO460g/L,Cl—80 mg/L,整平劑0.05~0.30 g/L,電流密度0.02~0.22A/cm2,溫度30℃。電沉積過程中,采用機(jī)械方式攪拌鍍液,攪拌速率控制在6r/s。
(1)沉積速率
采用增重法計(jì)算沉積速率[4],公式為:
式中:v為沉積速率,mg/(mm2·h);Δm為增重,mg;S為復(fù)合鍍層的表面積,mm2;t為電鍍時(shí)間,h。
(2)表面粗糙度
采用Taylor Hobson 25型表面粗糙度儀測定復(fù)合鍍層的表面粗糙度,測定多次,取平均值。
(3)微觀形貌
借助KYKY 2800B 型掃描電子顯微鏡觀察復(fù)合鍍層的微觀形貌。
對電沉積Cu-SiC復(fù)合鍍層而言,雖然電流密度與沉積速率之間并非存在確切的定量關(guān)系,但兩者仍可維持定性變化規(guī)律[5]。圖1和圖2分別為沉積速率與電流密度及整平劑的質(zhì)量濃度的關(guān)系。由圖1和圖2可知:增加電流密度和整平劑的質(zhì)量濃度,沉積速率出現(xiàn)不同幅度的改變。結(jié)合電沉積機(jī)制不難對此做出解釋,電流密度增加,電極反應(yīng)過程及電結(jié)晶過程均加快,沉積速率自然提高。同樣,整平劑的質(zhì)量濃度增加,反應(yīng)離子在陰極表面的吸附速率加快,吸附量也增大,從而加速陰極還原反應(yīng)進(jìn)程,提高沉積速率。
圖1 沉積速率與電流密度的關(guān)系
圖2 沉積速率與整平劑的質(zhì)量濃度的關(guān)系
圖3和圖4分別為Cu-SiC 復(fù)合鍍層的表面粗糙度與電流密度及整平劑的質(zhì)量濃度的關(guān)系。由圖3和圖4可知:隨著電流密度的增加,復(fù)合鍍層的表面粗糙度先減小后增大;而隨著整平劑的質(zhì)量濃度的增加,復(fù)合鍍層的表面粗糙度先趨于穩(wěn)定后增大。原因在于,電流密度通過影響電化學(xué)極化過程及電結(jié)晶過程進(jìn)而改變復(fù)合鍍層的表面狀況。電流密度較低時(shí),電極過程及電結(jié)晶過程進(jìn)展緩慢且較平穩(wěn),有利于獲得良好的表面狀況,復(fù)合鍍層的表面粗糙度相對較低;電流密度較高時(shí),較快的電極過程及電結(jié)晶過程引發(fā)某些不良反應(yīng),粗化了復(fù)合鍍層的表面狀況,使表面粗糙度增大。整平劑的質(zhì)量濃度在合理范圍內(nèi)同樣對電化學(xué)極化過程和電結(jié)晶過程起促進(jìn)作用,自然也有利于降低復(fù)合鍍層的表面粗糙度。但當(dāng)其質(zhì)量濃度較高時(shí),可能在電沉積過程中發(fā)生分解,造成復(fù)合鍍層中夾雜分解產(chǎn)物,進(jìn)而影響表面粗糙度。
圖3 表面粗糙度與電流密度的關(guān)系
圖4 表面粗糙度與整平劑的質(zhì)量濃度的關(guān)系
圖5和圖6分別為電流密度及整平劑的質(zhì)量濃度對Cu-SiC復(fù)合鍍層微觀形貌的影響。由圖5和圖6可知:電流密度和整平劑的質(zhì)量濃度對復(fù)合鍍層微觀形貌的影響均較為明顯。分析認(rèn)為,適當(dāng)增加電流密度和整平劑的質(zhì)量濃度,均有助于促進(jìn)電結(jié)晶過程,間接發(fā)揮細(xì)化晶粒、致密組織結(jié)構(gòu)的作用。但超出特定范圍,可能破壞電極過程固有的平衡狀態(tài),反而使復(fù)合鍍層的微觀組織變得疏松。
圖6 整平劑的質(zhì)量濃度對復(fù)合鍍層微觀形貌的影響
以電沉積Cu-SiC復(fù)合鍍層為主題,開展實(shí)驗(yàn)研究。分別考察了電流密度和整平劑的質(zhì)量濃度對沉積速率、Cu-SiC復(fù)合鍍層的表面粗糙度及微觀形貌的影響。得出結(jié)論:電流密度和整平劑的質(zhì)量濃度處于合理范圍內(nèi),均有助于提高沉積速率并改善復(fù)合鍍層的表面狀況和形貌質(zhì)量;而偏低或偏高,所發(fā)揮的效果均不盡理想。
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