磁場下化學(xué)復(fù)合鍍鎳-磷-金剛石鍍層性能的研究

侯俊英,劉肖林,趙　陽，陶金泓，王　豪

（青島科技大學(xué) 機電工程學(xué)院，山東青島 266061）

化學(xué)鍍是開始于上世紀40年代，成熟于上世紀80年代的一種表面處理工藝[1]，而我國化學(xué)鍍專利申請則是在2009年后有了較快的增長?；瘜W(xué)鍍無需外加電源，均鍍性極好，并且有很高的硬度、耐磨性和耐蝕性，因此在航空發(fā)動機、模具精修、汽車電子等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。

化學(xué)復(fù)合鍍是通過向鍍液中加入具有特殊性能的惰性微粒使之與基質(zhì)金屬共沉積從而制備出具有特殊性能鍍層的一種工藝[2]。金剛石粒子由于具有高硬度、高耐磨性、耐高溫高壓、低摩擦系數(shù)[3]等優(yōu)點逐漸成為了研究熱點。

試驗在傳統(tǒng)化學(xué)鍍基礎(chǔ)上加入粒度為0～0.5微米的金剛石粒子作為復(fù)合粒子[4]進行化學(xué)復(fù)合鍍，同時在鍍覆過程中加入磁場，通過改變磁場強度獲得不同性能的復(fù)合鍍層。

1　試驗方法

1.1　銅基體前處理

銅基體前處理[5]：切取銅片→打磨→水洗→堿洗→水洗→活化→水洗→引鍍→復(fù)合鍍。打磨是依次用由粗到細的金相砂紙進行打磨，水洗是用去離子水沖洗2min，堿洗是用濃度為60g/L的氫氧化鈉，碳酸鈉，磷酸三鈉混合溶液在60～80℃的水浴中加熱30min?；罨瘯r用體積分數(shù)50%的硝酸溶液浸泡20s，最后進行引鍍和復(fù)合鍍。

1.2　引鍍

銅基體不具備表面催化活性，無法使次亞磷酸鈉催化出活化氫，所以無法自催化沉積，試驗采用引鍍法使鐵釘與銅基體接觸共同浸入復(fù)合鍍液60s，待銅片表面鍍覆一層Ni－P合金后取下鐵釘讓銅片繼續(xù)鍍覆。

1.3　復(fù)合鍍

試驗中磁場由通電螺線管產(chǎn)生，磁場強度分別為 1.6mT、2.6mT、3.6mT，溫度為(85±1)℃，鍍液pH=4.8～5.0，鍍覆時間為 2h，鍍液進行機械攪拌[6]。鍍液配方和試驗試劑如表1所示，試驗方案如表2所示。

2　結(jié)果分析與討論

2.1　鍍層厚度和表面形貌

圖1顯示了不同磁場強度、不同金剛石含量下試樣a～i的鍍層截面微觀形貌。

如試樣a～c和d～f所示，鍍層厚度隨著磁場強度的增大而增加。這是因為當(dāng)磁場強度增加時會促進次亞磷酸鈉還原出更多活化氫[7]，使得鎳離子的還原速率增加，從而增大了鍍層厚度。當(dāng)金剛石粒子添加量為6g/L時（試樣g～i），鍍層厚度隨磁場強度增大而減小，這是因為雖然磁場強度增大，活化氫的數(shù)量增多，但是此時懸浮的粒子數(shù)量過多，屏蔽了一部分銅基體表面的活化點，削弱了磁場強度的促進作用，使得鎳-磷-金剛石共沉積的速率減小。

圖 2展示的是磁場強度為 1.6mT、2.6mT、3.6mT(金剛石粒子4g/L)時的鍍層表面形貌。由圖可知，圖2d中小顆粒金剛石粒子團聚清晰可見，也會有稍大金剛石粒子團聚在的磷胞狀物周圍，可能是它被基體表面所吸附[8]，然后被不斷沉積的鎳磷原子鑲嵌在了鍍層內(nèi)所致。圖2e跟圖2d相比較發(fā)現(xiàn)金剛石粒子分散更為均勻，并且團聚的金剛石粒子更小。圖2f磁場強度進一步增大，出現(xiàn)了較大尺寸的金剛石粒子團聚顆粒，可能是金剛石粒子的沉積量較多，攪拌不均勻所造成的，但團聚顆粒分散更加均勻。

表1　鍍液配方及試驗試劑

表2　試驗方案

2.2　鍍層耐磨性能分析

擁有最小摩擦系數(shù)且鍍層在試驗條件下沒被磨破的鍍層只有金剛石粒子添加量為4g/L時，圖3 中曲線 d、e、f分別是試樣 d、e、f 的摩擦系數(shù)隨時間變化的曲線。分析圖3中三組復(fù)合鍍層摩擦系數(shù)變化趨勢可知，曲線e、f相差明顯，3.6mT時得到的復(fù)合鍍層摩擦系數(shù)明顯低于2.6mT時得到的鍍層，說明進行復(fù)合鍍時，3.6mT時得到的鍍層耐磨性優(yōu)于2.6mT，因為隨著磁場強度的增大，化學(xué)復(fù)合鍍過程中鎳離子的沉積更加有取向性更加致密，金剛石粒子沉積更加牢固，使鍍層在受到摩擦?xí)r復(fù)合粒子不易脫落[9]，另外金剛石粒子的低摩擦系數(shù)也使鍍層耐磨性得到提高。曲線d(1.6 mT)、e(2.6 mT)相差不明顯，但1.6mT時得到的鍍層耐磨性也不如3.6mT的鍍層。

2.3　Ni-P-金剛石復(fù)合鍍層與基體間的結(jié)合強度

對不同磁場強度下獲得的鍍層進行劃痕測試，鍍層結(jié)合力結(jié)果如圖4所示。

圖4a、b、c分別表示金剛石粒子含量為2 g/L、4g/L、6g/L時得到的不同磁場強度下的劃痕數(shù)據(jù)。當(dāng)金剛石粒子含量為2g/L、4g/L時，隨著磁場強度的增加，鍍層結(jié)合力先略微減小后大幅增大，趨勢一致，且圖4a中獲得的結(jié)合力[10]最大值為44.75N，這說明這種情況下磁場強度的增加有助于結(jié)合力提高，這是因為金剛石粒子含量適當(dāng)時，磁場可以較好地發(fā)揮促進作用，提供外在場能，有利于鎳離子獲得活化氫原子的電子而沉積。另外在磁場下制備鎳-磷-金剛石復(fù)合鍍層時，反應(yīng)體系中的鐵磁性鎳晶粒由于受到外磁場的誘導(dǎo)，會沿著磁場線方向成核和生長[11，12]，這也有助于結(jié)合力的提高。圖4c中，磁場強度最大時結(jié)合力反而最低，因為金剛石粒子在鍍液中屬于雜質(zhì)相，過多顆粒會降低鍍液性能和穩(wěn)定性，從而使得鍍層結(jié)合力變差。

圖1　不同磁場強度下鍍層的截面形貌

圖2　不同磁場強度下的鍍層表面形貌

2.4　Ni-P-金剛石復(fù)合鍍層硬度的分析

為了更直觀地呈現(xiàn)磁場強度對復(fù)合鍍層顯微硬度的影響，下面將9個試樣按金剛石粒子濃度分為三組，控制磁場強度為唯一變量，將所測硬度的平均值以柱狀圖的形式呈現(xiàn)，如圖5所示。

由圖5可以看出，雖然隨著磁場強度的增加，鍍層的顯微硬度先增大后減小，但是在不同的金剛石粒子濃度中，磁場對鍍層顯微硬度的影響程度卻不盡相同。很明顯，在金剛石粒子添加量為4g/L的鍍液中，磁場強度的促進作用最明顯；在金剛石粒子添加量為6g/L的鍍液中，磁場的促進作用次之；金剛石粒子添加量為2g/L的鍍液中最弱。造成這種現(xiàn)象的原因可能是，磁場對鍍層顯微硬度的影響主要是通過提高金剛石粒子的復(fù)合量與抑制金剛石粒子的團聚來實現(xiàn)的[13]。在金剛石粒子添加量為2g/L的鍍液中，雖然金剛石粒子團聚傾向較小但是粒子復(fù)合量也少，所以磁場在金剛石粒子添加量為2g/L的鍍液中對鍍層顯微硬度提高不大。在金剛石粒子添加量為4g/L的鍍液中，金剛石粒子在鍍層中的復(fù)合量較金剛石粒子添加量為2g/L時顯著增加，且團聚程度不大，在這種條件下，磁場強度的促進作用較容易發(fā)揮到最大。在1.6mT的磁場強度下，由于磁場較弱，對金剛石粒子沉積的促進作用和對金剛石粒子團聚的抑制作用都不明顯，所以其顯微硬度值較低。而在2.6mT磁場強度下對于次亞磷酸鈉氧化的促進作用較為明顯，有效地促進了鎳、磷、金剛石粒子的共沉積，而且次亞磷酸鈉氧化所產(chǎn)生的氫原子少量結(jié)合而產(chǎn)生的部分氫氣，對反應(yīng)界面產(chǎn)生輕微的攪拌作用，有效地抑制了金剛石粒子的團聚，最終獲得了致密而均勻的復(fù)合鍍層，所以其顯微硬度最高。但當(dāng)磁場強度增大到3.6mT時，由于次亞磷酸鈉快速氧化所產(chǎn)生的氫原子大量結(jié)合形成氫氣溢出反應(yīng)界面，產(chǎn)生較強的攪拌作用，足以將吸附在界面上的鎳離子、次亞磷酸根離子、金剛石粒子沖刷下來，最終減少了鍍層的厚度和金剛石粒子的復(fù)合量，所以鍍層顯微硬度反而下降。

圖3　不同磁場強度對鍍層摩擦系數(shù)的影響

圖4　不同磁場強度下鍍層結(jié)合力

圖5　各磁場強度下鍍層硬度

3　結(jié)論

（1）金剛石粒子添加適量的情況下，磁場強度為3.6mT時得到的復(fù)合鍍層耐磨性明顯優(yōu)于1.6 mT、2.6mT時，并且隨磁場強度增大摩擦系數(shù)降低。

（2）金剛石粒子添加量分別為2g/L、4g/L時，隨著磁場強度的增大，復(fù)合鍍層與基體的結(jié)合強度也得到增強，說明磁場強度的改變對復(fù)合鍍層的結(jié)合力有一定的影響且在一定范圍內(nèi)成正比關(guān)系。

（3）磁場強度對鍍層硬度影響明顯，隨磁場強度增大鍍層硬度先增大后減小，金剛石粒子添加量為4g/L、磁場強度2.6mT時硬度最大。

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