電沉積銅基納米碳化硅復(fù)合鍍層實驗研究

張偉華, 趙 剛

(青島黃海學(xué)院, 山東 青島 266427)

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電沉積銅基納米碳化硅復(fù)合鍍層實驗研究

張偉華, 趙 剛

(青島黃海學(xué)院, 山東 青島 266427)

采用電沉積方法，制備銅基納米碳化硅復(fù)合鍍層。研究溶液攪拌方式或溶液中引入添加劑，對Cu-SiC納米微粒復(fù)合鍍層表面形貌和性能的影響。利用超聲攪拌制備的Cu-SiC納米微粒復(fù)合鍍層的表面形貌平整而且致密，與磁力攪拌所得鍍層相比顯微硬度提高約32 %，接近143HV，磨損質(zhì)量損失降低約33 %，每平方毫米為0.056mg。溶液中引入添加劑，制備的Cu-SiC納米微粒復(fù)合鍍層的表面形貌和性能無明顯改觀，但采用超聲波攪拌制備的Cu-SiC納米微粒復(fù)合鍍層的表面形貌和性能改觀較為明顯。添加劑發(fā)揮的作用與超聲攪拌引發(fā)的綜合作用疊加，促使復(fù)合鍍層的表面形貌和性能進(jìn)一步改善。

電沉積；Cu-SiC復(fù)合鍍層；納米SiC微粒；形貌；性能

引 言

顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合鍍層以金屬作為基相、以不溶或難熔固體顆粒作為增強(qiáng)相，通過金屬與顆粒共沉積制備而成。顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合鍍層不僅保持了基相和增強(qiáng)相各自的特性，同時還擁有基相和增強(qiáng)相共同作用造就的性能。正因顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合鍍層的綜合性能良好，并且在航空航天、汽車和高科技等領(lǐng)域呈現(xiàn)出美好的應(yīng)用前景，當(dāng)前，顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合鍍層的制備與研究成為熱點主題，吸引著相關(guān)學(xué)者開展研究[1-4]。

本文采用電沉積方法制備以銅作為基相、以納米碳化硅顆粒作為增強(qiáng)相的Cu-SiC納米微粒復(fù)合鍍層，并對其表面形貌和性能進(jìn)行研究。

1 Cu-SiC納米微粒復(fù)合鍍層的制備

以磷銅板(0.04%～0.06%磷)作為陽極，用滌綸袋包裹，經(jīng)過預(yù)處理的SUS 304不銹鋼板(50mm×30mm×1mm)作為陰極。制備Cu-SiC復(fù)合鍍層的過程在溶液中進(jìn)行，溶液成分為：250g/L CuSO4·5H2O、50g/L H2SO4，以平均粒徑約為70nm的SiC顆粒作為增強(qiáng)相，待溶液配好，再單獨添加納米SiC顆粒，質(zhì)量濃度為20g/L。納米SiC顆粒添加至溶液中，利用超聲波充分?jǐn)嚢桢円?，促使其在溶液中較均勻分散并且穩(wěn)定懸浮。

Cu-SiC復(fù)合鍍層制備過程中，溶液攪拌持續(xù)進(jìn)行。分別利用恒轉(zhuǎn)速(400r/min)磁子和恒功率(300W)超聲波攪拌溶液，恒轉(zhuǎn)速磁力攪拌由KMS-151B型磁力攪拌器產(chǎn)生，恒功率超聲波攪拌由SBL-72DT型超聲波發(fā)生器產(chǎn)生。溶液溫度通過KMS-151B型磁力攪拌器控制。Cu-SiC復(fù)合鍍層制備過程中，溶液恒溫，為30℃。加載的電流密度也為恒值，即3A/dm2。復(fù)合鍍層的δ均為30μm，經(jīng)過適當(dāng)處理后制備符合要求的試樣，進(jìn)行分析與檢測。

2 分析與檢測

利用JSM-6390LV型掃描電鏡觀察Cu-SiC復(fù)合鍍層的表面形貌。

利用HXD-1000TMC型顯微硬度計檢測Cu-SiC復(fù)合鍍層的顯微硬度。加載為0.49N，保載t為10s。每個試樣均隨機(jī)選取七個點檢測，舍棄最大值和最小值，剩余取平均值，作為檢測結(jié)果。

利用靜態(tài)浸泡腐蝕方法，以腐蝕導(dǎo)致的質(zhì)量損失作為指標(biāo)，并以腐蝕前后的形貌作為對照，檢測評價Cu-SiC復(fù)合鍍層的耐腐蝕性。腐蝕介質(zhì)為5%醋酸溶液，浸泡10天。Cu-SiC復(fù)合鍍層的質(zhì)量損失利用FA1104型電子天平稱量，質(zhì)量損失通過計算求得。相同試樣分三組，取平均值作為檢測結(jié)果。Cu-SiC復(fù)合鍍層腐蝕后的形貌利用JSM-6390LV型掃描電鏡觀察。

3 結(jié)果與討論

3.1 Cu-SiC復(fù)合鍍層表面形貌

研究發(fā)現(xiàn)，改變?nèi)芤簲嚢璺绞交蚴侨芤褐幸胩砑觿┝螂?，制備的Cu-SiC復(fù)合鍍層的表面形貌存在較為明顯差異，如圖1所示。僅利用磁力攪拌溶液制備的Cu-SiC復(fù)合鍍層，鍍層表面粗糙、致密性差，晶粒粗而且形狀不規(guī)整，如圖1(a)。原因可能是磁力攪拌難以有效抑制納米SiC顆粒團(tuán)聚，聚態(tài)顆粒團(tuán)在Cu-SiC復(fù)合鍍層形成過程中無法起到彌散強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化的作用[5]。溶液中加入添加劑，制備Cu-SiC復(fù)合鍍層的表面形貌有所改觀，見圖1(b)。但改觀不明顯，依然不理想。當(dāng)攪拌方式難以分散納米SiC顆粒時，添加劑的作用也得不到有效發(fā)揮。

采用超聲攪拌溶液，制備Cu-SiC復(fù)合鍍層的表面形貌如圖1(c)所示。由圖1(c)可以看出，采用超聲攪拌方式制備的Cu-SiC復(fù)合鍍層的表面平整，晶粒細(xì)，近似呈胞狀且較為規(guī)整。相比采用磁力攪拌方式制備的Cu-SiC復(fù)合鍍層的表面形貌，改觀較為明顯。據(jù)此推知，超聲波能夠有效抑制納米SiC顆粒聚合成團(tuán)，促使其分散懸浮并與基質(zhì)金屬銅共沉積，并且納米SiC顆粒影響了基質(zhì)金屬銅的電結(jié)晶過程[6]。具體表述為：1)超聲波攪拌能夠引發(fā)沖擊擾動和空化攪拌等效應(yīng)，促使納米SiC顆粒在溶液中較均勻分散并保持懸浮狀態(tài)，容易參與共沉積過程而鑲嵌彌散在基質(zhì)金屬銅中。彌散分布的納米SiC顆粒為基質(zhì)金屬銅結(jié)晶過程提供異質(zhì)形核點，起到異質(zhì)形核作用，引起形核增殖，促使晶粒細(xì)化[7]。2)超聲波攪拌引發(fā)的多種效應(yīng)綜合作用，有效改善傳質(zhì)狀況，提高陰極過電位，致使形核速率加快而晶粒生長速度減緩，同樣促使晶粒細(xì)化[8-9]。

利用超聲攪拌溶液的同時，溶液中再引入添加劑，制備的Cu-SiC復(fù)合鍍層的表面形貌如圖1(d)所示。對比圖1(c)，差異較為明顯。表1為復(fù)合鍍層中SiC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。結(jié)合表1分析，添加劑的作用與超聲攪拌引發(fā)的綜合作用疊加，促使納米SiC顆粒在溶液中更均勻分散并且更易彌散在基質(zhì)金屬銅中。因而制備的Cu-SiC復(fù)合鍍層中納米SiC顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對更高，納米SiC顆粒起到更為顯著的彌散強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化作用，Cu-SiC復(fù)合鍍層表面更加平整致密，晶粒排布也更緊湊。

圖1 Cu-SiC復(fù)合鍍層表面形貌

表1 Cu-SiC復(fù)合鍍層中納米SiC顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)

3.2 Cu-SiC復(fù)合鍍層顯微硬度

不同條件制備的Cu-SiC復(fù)合鍍層的顯微硬度測試結(jié)果見表2。

溶液中未引入添加劑，采用磁力攪拌制備的Cu-SiC復(fù)合鍍層的顯微硬度為108.4HV，超聲攪拌制備的Cu-SiC復(fù)合鍍層的顯微硬度為142.8HV，磁力攪拌所得Cu-SiC復(fù)合鍍層的顯微硬度與純銅鍍層的顯微硬度(102.6HV)接近，而超聲攪拌所得Cu-SiC復(fù)合鍍層的顯微硬度明顯高于純銅鍍層，約為其1.4倍。

超聲攪拌引發(fā)的綜合作用促使納米SiC顆粒鑲嵌彌散在基質(zhì)金屬銅中，彌散的納米SiC顆粒起到釘扎固結(jié)的作用，阻礙已形成晶核位錯移動同時限制晶界滑移，形成彌散強(qiáng)化。除此之外，納米SiC顆粒還起到細(xì)晶強(qiáng)化的作用，使基質(zhì)金屬銅的性能得以改善。納米SiC顆粒為硬質(zhì)填料，本身硬度較高。依據(jù)Hall-Petch理論[10]，超聲攪拌所得Cu-SiC復(fù)合鍍層的晶粒細(xì)、組織致密，因而顯微硬度相對較高。

溶液中引入添加劑，磁力攪拌制備的Cu-SiC復(fù)合鍍層的顯微硬度為112.3HV，相比溶液中未引入添加劑時制備的Cu-SiC復(fù)合鍍層的顯微硬度無明顯提高。但超聲攪拌制備的Cu-SiC復(fù)合鍍層的顯微硬度有較為明顯提高，提高幅度約為11%。

表2 Cu-SiC復(fù)合鍍層的顯微硬度(HV)

3.3 Cu-SiC復(fù)合鍍層耐腐蝕性

不同條件制備的Cu-SiC復(fù)合鍍層的耐腐蝕性測試結(jié)果見表3。

溶液中未添加添加劑，超聲攪拌制備的Cu-SiC復(fù)合鍍層的質(zhì)量損失為0.56g/dm2，明顯低于磁力攪拌制備的Cu-SiC復(fù)合鍍層的0.84g/dm2。據(jù)此表明，超聲攪拌制備的Cu-SiC復(fù)合鍍層的耐腐蝕性好。

表3 Cu-SiC復(fù)合鍍層的質(zhì)量損失(g/dm2)

圖2為Cu-SiC復(fù)合鍍層的表面形貌。圖2(a)為磁力攪拌制備的Cu-SiC復(fù)合鍍層腐蝕后的形貌，圖2(b)為超聲攪拌制備的Cu-SiC復(fù)合鍍層腐蝕后的形貌。對照可以看出，磁力攪拌制備的Cu-SiC復(fù)合鍍層腐蝕嚴(yán)重。腐蝕后表面極不平整，顯現(xiàn)大量凹坑，晶粒形態(tài)也因腐蝕而發(fā)生改變。超聲攪拌制備的Cu-SiC復(fù)合鍍層的腐蝕程度輕，腐蝕后表面依然顯得平整，凹坑少。分析認(rèn)為：超聲攪拌制備的Cu-SiC復(fù)合鍍層之所以表現(xiàn)出良好的耐腐蝕性，緣于其平整表面和致密組織對腐蝕介質(zhì)形成隔離效果，有效阻止腐蝕介質(zhì)滲透，阻礙腐蝕進(jìn)程[11-12]。

圖2 溶液中未加入添加劑制備的Cu-SiC復(fù)合鍍層腐蝕后的形貌

溶液中引入添加劑，磁力攪拌制備的Cu-SiC復(fù)合鍍層磨損質(zhì)量損失為0.81g/dm2，與未引入添加劑時磁力攪拌制備的Cu-SiC復(fù)合鍍層接近。但超聲攪拌制備的Cu-SiC復(fù)合鍍層相比未引入添加劑時制備的Cu-SiC復(fù)合鍍層質(zhì)量損失，降幅較為明顯，約為16%，加入添加劑的復(fù)合鍍層腐蝕形貌見圖3。磁力攪拌制備的Cu-SiC復(fù)合鍍層腐蝕后的形貌如圖3(a)所示，超聲攪拌制備的Cu-SiC復(fù)合鍍層腐蝕后的形貌如圖3(b)所示。將圖3(a)與圖2(a)對照，圖3(b)與圖2(b)對照，可以發(fā)現(xiàn)，添加劑對磁力攪拌制備的Cu-SiC復(fù)合鍍層的耐腐蝕性無明顯影響，但對超聲攪拌制備的Cu-SiC復(fù)合鍍層的耐腐蝕性有著較為明顯影響。添加劑發(fā)揮的作用與超聲攪拌引發(fā)的綜合作用疊加，促使超聲攪拌制備的Cu-SiC復(fù)合鍍層的耐腐蝕性進(jìn)一步改善。

圖3 溶液中加入添加劑制備的Cu-SiC復(fù)合鍍層腐蝕后的形貌

4 結(jié) 論

1)改變?nèi)芤簲嚢璺绞交蚴侨芤褐幸胩砑觿苽涞腃u-SiC復(fù)合鍍層的表面形貌和性能均存在差異。相比利用磁力攪拌制備的Cu-SiC復(fù)合鍍層，利用超聲攪拌制備的Cu-SiC復(fù)合鍍層的表面形貌平整而且致密，顯微硬度提高32%，接近143HV，質(zhì)量損失降低約33%，為0.56g/dm2。

2)添加劑對磁力攪拌制備的Cu-SiC復(fù)合鍍層的表面形貌和性能無明顯影響，但對超聲攪拌制備的Cu-SiC復(fù)合鍍層的表面形貌和性能有著較為明顯影響。

3)添加劑發(fā)揮的作用與超聲攪拌引發(fā)的綜合作用疊加，促使超聲攪拌制備的Cu-SiC復(fù)合鍍層的表面形貌和性能進(jìn)一步改善。

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Copper Based Nano-SiC Coating Prepared by Electrodeposition

ZHANG Weihua, ZHAO Gang

(Qingdao Huanghai University,Qingdao 266427,China)

Copper based nano-SiC composite coatings were prepared by electrodeposition.Effects of stirring method and additives in the electrolyte on the morphology and properties of Cu-SiC composite coatings were investigated.Cu-SiC composite coatings prepared by ultrasonic stirring method were smooth and compact.And compared with the coatings prepared by magnetic stirring method,hardness of coatings prepared by ultrasonic stirring method increased by about 32% to 143HV,while the wear mass loss decreased by about 33% to 0.056mg/mm2.Additive has no obvious influence on the morphology and property of Cu-SiC composite coating prepared by magnetic stirring.However,obvious improvement of the morphology and properties could be observed for the Cu-SiC composite coatings prepared by ultrasonic stirring method.The morphology and properties of Cu-SiC composite coating could be further improved by using additive and ultrasonic stirring together.

electrodeposition; Cu-SiC composite coating;nano SiC particle; morphology; property

2016-08-01

2016-08-29

TQ153.2

A

10.3969/j.issn.1001-3849.2016.11.003