脈沖電沉積Ni-TiC復(fù)合鍍層的工藝研究

張春霞，王賀，張雅琴，耿樂樂，郭天霞，孫海靜

（沈陽理工大學(xué)，遼寧 沈陽 110159）

材料的服役時(shí)間和使用壽命是由其性能最薄弱的一環(huán)決定，這最薄弱的一環(huán)通常是材料的表面，采用電鍍技術(shù)可有效地改善材料的表面性能，提高零件的使用壽命和可靠性[1]。Ni鍍層具有良好的潤滑性、耐磨性、耐蝕性和抗氧化性等綜合性能[2-5]。TiC陶瓷屬于超硬工具材料，具有熔點(diǎn)高、硬度高、模量高、抗彎強(qiáng)度高以及化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)[6-8]。因此，Ni-TiC 復(fù)合鍍層具有廣泛的應(yīng)用前景。

脈沖電沉積技術(shù)具有操作溫度低、成本低、制備的涂層結(jié)構(gòu)致密、孔隙率低、易于獲得納米晶等優(yōu)點(diǎn)，因此得到了越來越廣泛的關(guān)注[9-11]。然而，目前國內(nèi)外對脈沖電沉積Ni-TiC復(fù)合鍍層的研究較少。因此，本文采用脈沖電沉積方法制備 Ni-TiC 復(fù)合鍍層，通過對不同工藝條件下得到復(fù)合鍍層的硬度、耐蝕性和耐磨性進(jìn)行觀察和分析，系統(tǒng)研究了電流密度、溫度以及鍍液中TiC顆粒質(zhì)量濃度對復(fù)合鍍層性能的影響，以提高復(fù)合鍍層的綜合性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 Ni-TiC 復(fù)合鍍層的制備

電鍍時(shí)采用雙脈沖電源提供電流，將電鍍液放在直徑150 mm 的圓形玻璃鍍槽中，通過水浴加熱來保持溫度，通過數(shù)顯直流恒速攪拌器對鍍液進(jìn)行攪拌。陽極為純鎳板，陰極為鋼基體。鍍液配方及工藝條件如表 1 所示。

1.2 Ni-TiC 復(fù)合鍍層性能測試

1.2.1 復(fù)合鍍層硬度測試

采用FM-300 顯微維氏硬度計(jì)測量鍍層硬度。

1.2.2 復(fù)合鍍層耐蝕性測試

采用CHI660E 型電化學(xué)工作站進(jìn)行電化學(xué)測試，研究鍍層耐蝕性能。使用三電極體系，其中工作電極為帶有復(fù)合鍍層的鋼試片，輔助電極為213型鉑電極，參比電極為217 型飽和甘汞電極，工作電極的面積統(tǒng)一為0.785 cm2，以3.5%NaCl 溶液為腐蝕介質(zhì)，在常溫（25±1℃）下進(jìn)行測試。

1.2.3 復(fù)合鍍層摩擦磨損性能測試

使用平面磨耗機(jī)（PMJ-Ⅱ）進(jìn)行5 min 平面磨損，先測好鐵片復(fù)合鍍層的重量，磨耗之后測得減重，通過對比在不同條件下形成的鍍層的磨損量來得出鐵片復(fù)合鍍層的耐磨性。

2 結(jié)果與討論

2.1 電流密度對復(fù)合鍍層性能的影響

按表1 的實(shí)驗(yàn)配方配制鍍液，其中溫度為45 ℃，TiC 顆粒質(zhì)量濃度為20 g·L-1，通過控制雙脈沖電源提供不同的電流密度（3～7 A·dm-2）進(jìn)行電鍍。

最近兩年來，亞洲以及歐美市場都開始企穩(wěn)，而且在過去幾年時(shí)間里，品牌們更傾向于開設(shè)自營專賣店，和開展線上銷售業(yè)務(wù)，這被認(rèn)為是不再那么需要展會(huì)的直接原因之一。

表1 鍍液配方及工藝

2.1.1 電流密度對復(fù)合鍍層顯微硬度的影響

不同電流密度下制備復(fù)合鍍層的硬度如表2 所示。由表2 可知，復(fù)合鍍層的顯微硬度隨電流密度的增大而增大。

表2 電流密度對Ni-TiC 復(fù)合鍍層硬度影響

2.1.2 電流密度對復(fù)合鍍層耐腐蝕性能的影響

不同電流密度下復(fù)合鍍層的動(dòng)電位極化曲線如圖1，擬合得到其腐蝕電位和腐蝕電流如表3 所示。結(jié)果顯示，隨著施鍍電流密度的增大，鍍層腐蝕電流密度先減小后增大，施鍍電流密度為4～5 A·dm-2時(shí)，腐蝕電位最大，腐蝕電流密度最小，說明此時(shí)耐蝕性最佳。

圖1 不同電流密度下復(fù)合鍍層的動(dòng)電位極化曲線

表3 不同電流密度下復(fù)合鍍層的腐蝕電位與腐蝕電流

不同電流密度下復(fù)合鍍層的Nyquist 圖如圖2所示。由圖2 可知，隨著施鍍電流密度增大，容抗弧半徑先增大后減小，I=4 A·dm-2時(shí)容抗弧的半徑最大，即此時(shí)復(fù)合鍍層的耐蝕性最好，與極化曲線得到的結(jié)果一致。

圖2 不同電流密度下復(fù)合電鍍層的Nyquist 圖

2.1.3 電流密度對復(fù)合鍍層的耐磨性能的影響

不同電流密度下制備的復(fù)合鍍層的耐磨性能如表4 所示。由表4 可知，電流密度在5～7 A·dm-2時(shí)，復(fù)合鍍層在平面磨耗機(jī)上的磨損率較低。

表4 不同電流密度下復(fù)合鍍層的磨損率

2.2 溫度對Ni-TiC 復(fù)合鍍層性能的影響

按表1 的實(shí)驗(yàn)配方配制鍍液，其中電流密度為5 A·dm-2，TiC 顆粒質(zhì)量濃度為20 g·L-1，通過控制鍍液中不同的溫度（35～55 ℃）進(jìn)行電鍍。

2.2.1 溫度對復(fù)合鍍層顯微硬度的影響

不同溫度下制備的復(fù)合鍍層的硬度如表5 所示。由表5 可以看出，隨著溫度增大，復(fù)合鍍層的硬度先增大后減小，45 ℃時(shí)硬度最高。

表5 溫度對Ni-TiC 復(fù)合鍍層硬度的影響

2.2.2 溫度對Ni-TiC 復(fù)合鍍層耐腐蝕性能的影響

不同溫度下制備的復(fù)合鍍層的動(dòng)電位極化曲線如圖3 所示，擬合得到其腐蝕電位和腐蝕電流如表6 所示。由表6 可知，鍍層耐蝕性能隨溫度的升高呈先增后減趨勢，45 ℃時(shí)，耐蝕性能達(dá)到最好。

圖3 不同溫度下復(fù)合鍍層的動(dòng)電位極化曲線

表6 不同溫度下復(fù)合鍍層的腐蝕電位與腐蝕電流

不同溫度下復(fù)合鍍層的Nyquist 圖見圖4。Nyquist 圖均表現(xiàn)出半圓弧的特征，容抗弧半徑隨溫度呈先增后減趨勢，45 ℃時(shí)半徑最大，即此時(shí)復(fù)合鍍層的耐蝕性最好，與極化曲線得到的結(jié)果一致。

圖4 不同溫度下復(fù)合鍍層的Nyquist 圖

2.2.3 溫度對復(fù)合鍍層的耐磨性能的影響

不同溫度下制備的復(fù)合鍍層的耐磨性能如表7。由表7 可知，復(fù)合鍍層的磨損率隨電鍍溫度增大先減后增，45 ℃時(shí)磨損率最低，耐磨性能最好。

表7 不同溫度下復(fù)合鍍層的磨損率

2.3 TiC 顆粒質(zhì)量濃度對復(fù)合鍍層性能的影響

按表1 的實(shí)驗(yàn)配方配制鍍液，其中溫度為45 ℃，電流密度為5A·dm-2，通過控制鍍液中不同的TiC 顆粒質(zhì)量濃度（15～35 g·L-1）進(jìn)行電鍍。

2.3.1 TiC 顆粒濃度對復(fù)合鍍層顯微硬度的影響

不同TiC 顆粒質(zhì)量濃度下制備的復(fù)合鍍層的硬度如表8 所示表。由表8 可以看出，隨著TiC 顆粒質(zhì)量濃度的增加，復(fù)合鍍層的顯微硬度逐漸升高，當(dāng)TiC 質(zhì)量濃度上升到30 g·L-1時(shí)，復(fù)合鍍層顯微硬度升高的趨勢開始平緩。

表8 鍍液中TiC 顆粒質(zhì)量濃度對復(fù)合鍍層硬度的影響

2.3.2 TiC 顆粒濃度對復(fù)合鍍層耐腐蝕性能的影響

不同TiC 顆粒質(zhì)量濃度下制備的復(fù)合鍍層的動(dòng)電位極化曲線如圖5 所示，擬合得到其腐蝕電位和腐蝕電流如表9 所示。

圖5 不同TiC 質(zhì)量濃度下復(fù)合鍍層的動(dòng)電位極化曲線

由圖5 和表9 可以看出，隨著鍍液中TiC 顆粒質(zhì)量濃度的增加，復(fù)合鍍層的腐蝕電流呈先減后增趨勢，質(zhì)量濃度為20～25 g·L-1時(shí)，復(fù)合鍍層表現(xiàn)出最佳的耐蝕性能。

表9 不同TiC 質(zhì)量濃度下復(fù)合鍍層的腐蝕電位和腐蝕電流

不同TiC 顆粒質(zhì)量濃度下復(fù)合鍍層的Nyquist圖見圖6。由圖6 可知，Nyquist 圖均表現(xiàn)出半圓弧的特征，隨著TiC 顆粒質(zhì)量濃度的增加，容抗弧半徑先變大后減小，即復(fù)合鍍層的耐蝕性先增加后減小。當(dāng)TiC 顆粒質(zhì)量濃度為20 g·L-1時(shí)容抗弧半徑最大，耐蝕性也最好，與極化曲線得到的結(jié)果一致。

圖6 不同TiC 顆粒質(zhì)量濃度下復(fù)合鍍層的Nyquist 圖

2.3.3 TiC 顆粒濃度對復(fù)合鍍層的耐磨性能的影響

不同TiC 顆粒質(zhì)量濃度下制備的復(fù)合鍍層的耐磨性能如表10 所示。由表10 可知，隨著鍍液中TiC 顆粒質(zhì)量濃度的增加，鍍層的磨損率先減小后增大，在TiC 顆粒質(zhì)量濃度為20 g·L-1的時(shí)候，磨損率達(dá)到最低，耐磨性能最佳。

表10 不同的TiC 顆粒濃度對摩擦磨損性能的影響

4 結(jié) 論

1）利用脈沖電沉積法制備了Ni-TiC 復(fù)合鍍層。

2）選取施鍍電流密度參數(shù)為5 A·dm-2時(shí)復(fù)合鍍層耐蝕和耐磨性最好。

3）選取施鍍溫度為45 ℃時(shí)得到的復(fù)合鍍層硬度最高，耐蝕和耐磨性最好。

4）添加TiC 顆粒質(zhì)量濃度為20 g·L-1時(shí)復(fù)合鍍層耐蝕性和耐磨性最好。