0 引 言随着电沉积技术的发展和日趋成熟,复合镀层的研究已经成为国内外许多学者研究的热点[1 7]。复合镀技术是在镀液中加入不溶性固体颗粒(如Si3N4、TiN、AlN、SiC等),通过搅拌的方式使固体颗粒均匀分散于镀液中,然后应用电沉积或化学沉积的方式,实现固体颗粒与基质金属的共同沉积,从而制备出具有耐高温、耐磨、高硬度等特点的复合镀层[8,9]。影响电沉积Ni Si3N4复合镀层的主要因素很多,如:Si3N4的含量、阴极电流密度、表面活性剂、搅拌方式及速度等。在制备Ni Si3N4复合镀层的过程中,各种离子表面活性剂由于所带电荷不同,对基质金属和固体颗粒的共沉积有较大的影响。此外,表面活性剂还起着润湿、乳化、分散等作用[10]。因此,研究表面活性剂对电沉积Ni Si3N4复合镀层的影响具有十分重要的意义[11]。采用瓦特镀镍液,研究了2种不同表面活性剂及其不同组合对电沉积Ni Si3N4复合镀层的粒子含量和耐磨性的影响。
1 试验方法
1.1 试样及纳米Si3N4粉体试样基体为不锈钢,尺寸为20mm×30mm×1mm。纳米Si3N4粉体平均粒径为50nm,纯度大于99.9%。
1.2 镀液配方及工艺条件镀液组成及工艺条件见表1。
1.3 工艺流程不锈钢片→打磨→化学除油→电沉积复合镀层→水洗→测试
1.4 镀层性能测试1)纳米Si3N4含量的测定 在不锈钢试样上制备一定厚度的镀层后,将镀层剥下,经干燥称量后,用1:1的硝酸加热溶解,氨水 氯化铵缓冲溶液调pH值为10,以紫尿酸铵为指示剂,用标准的EDTA溶液滴定由黄色转变为紫红色即可。求出镀层中镍的含量,然后用差减法求得镀层中纳米Si3N4含量。
2)耐磨性能的测试 采用PM I型平磨机,载荷为800g,经400次平磨,用精度为0.1mg的天平测量试样磨损量m,以其作为耐磨性能的考核指标。3)组织形貌 用日本电子公司的JSM 6460LV型扫描电镜(SEM)对复合镀层微观组织形貌进行观察和分析。
2 试验结果与讨论
2.1 表面活性剂对复合镀层中粒子含量的影响在镀镍液中加入表面活性剂。其中,S1为聚乙烯醇(PVA)非离子表面活性剂,S2为十六烷基三甲溴化铵(CTAB)阳离子表面活性剂。在相同的实验条件下,改变表面活性剂的浓度,得到表面活性剂对复合镀层中粒子含量的影响见图1。
从图1可以看出:随着表面活性剂浓度的增加,复合镀层中纳米Si3N4粒子的含量先增加后减少。镀液中表面活性剂的浓度小于80mg L时,镀层中纳米Si3N4粒子的含量随着表面活性剂浓度的增加而增加。这是因为表面活性剂对镀液中的Si3N4粒子起润湿、乳化、分散等作用。由于表面活性剂浓度的增加,表面活性剂对镀液中Si3N4粒子的润湿、乳化、分散等作用随之增强,所以复合镀层中纳米Si3N4粒子的含量增加。当表面活性剂的浓度达到80mg L左右时,镀层中纳米Si3N4粒子的含量达到最大值。当镀液中表面活性剂的浓度大于80mg L时,过多的表面活性剂分子吸附在阴极表面,阻碍了基质金属和Si3N4粒子在阴极表面的沉积,故复合镀层中纳米Si3N4粒子的含量减少。从图1还可以看出:非离子表面活性剂对镀层中纳米Si3N4粒子的含量影响不大,而阳离子表面活性剂对镀层中Si3N4粒子的含量影响较大。当阳离子表面活性剂的浓度达到80mg L时,镀层中Si3N4粒子的含量达到11.4%。这是因为阳离子表面活性剂除了对镀液中Si3N4粒子的润湿、乳化、分散等作用外,还使Si3N4粒子表面带上正电荷,更加有利于Si3N4粒子与基质金属Ni的共沉积。
2.2 表面活性剂对复合镀层耐磨性的影响S1和S2两种表面活性剂对复合镀层耐磨性的影响见图2。从图2可以看出:随着表面活性剂浓度的增加,复合镀层的磨损量m先减小后增大。这是因为复合镀层的磨损量与镀层中纳米Si3N4粒子的含量有关。当表面活性剂的浓度小于80mg L时,镀层中纳米Si3N4粒子的含量随着表面活性剂的浓度的增加而增加,故复合镀层的磨损量m随之减小。当表面活性剂的浓度大于80mg L时,镀层中纳米Si3N4粒子的含量随着表面活性剂的浓度的增加而减少,故复合镀层的磨损量m随之增加。从图2还可以看出:用S1制备的复合镀层耐磨性较好。这是因为非离子表面活性剂具有优越的润滑和渗透性能,可以除去粒子表面的残余油污,增加微粒与基质金属的结合力,故能改善复合镀层的耐磨性能。
2.3 表面活性剂的复配组合对复合镀层的影响根据上述实验,确定出表面活性剂的最佳浓度为80mg L。将S1和S2进行复配,研究不同的复配组合对复合镀层的影响。实验结果见表2。
从表2可以看出:当S1和S2的配比为1:1时,镀层的磨损量最小为1.0mg。这是因为S1和S2混合时,彼此相互作用或形成络合物,产生增效作用或对抗作用,故镀层的磨损量最小。当S1和S2的配比为1:2时,镀层中Si3N4粒子含量最大为12.1%,镀层的磨损量为1.1mg。这是因为阳离子表面活性剂的离解产物吸附在Si3N4粒子表面,使其带正电荷。微粒间相同电荷相互排斥而不易团聚;非离子表面活性剂因水合作用,在Si3N4粒子表面形成水化层,使得悬浮液的稳定性较好,故复合镀层中Si3N4粒子的含量较多。综合以上数据,采用S1和S2的配比为1:2组合时,能获得较高的粒子含量和较好的耐磨性。
3 镀层的组织形貌为了比较表面活性剂对复合镀层的影响,在相同的实验条件下,采用未加表面活性剂及加入浓度为80mg L表面活性剂(S1和S2配比为1:2)2种工艺,制备Ni 纳米Si3N4复合镀层。并利用日本电子公司的JSM 6460LV型扫描电镜(SEM)对复合镀层的表面形貌进行观察,如图3所示。
从图3可以看出:在相同的条件下,加入表面活性剂的复合镀层中Si3N4粒子的含量明显多于未加表面活性剂的复合镀层。而且在加入表面活性剂的复合镀层的表面,粒子的分布比较均匀,粒子的尺寸也较小。这说明了表面活性剂对复合镀层有较大的影响。因此,在电沉积制备Ni Si3N4复合镀层的过程中,表面活性剂具有重要的作用。
4 结 论1)在电沉积制备Ni Si3N4复合镀层的过程中,表面活性剂具有十分重要的作用。2)非离子表面活性剂能增加微粒与基质金属的结合力,改善复合镀层的耐磨性能。阳离子表面活性剂有利于粒子和基质金属的共沉积,明显提高镀层中粒子的含量。3)非离子和阳离子表面活性剂的复配,可以获得粒子含量高、耐磨性能好的Ni 纳米Si3N4复合镀层。且非离子和阳离子表面活性剂的配比以1:2为宜。4)加入表面活性剂,镀层中纳米Si3N4含量增大,分布均匀性较未加入表面活性剂的好。
