表面活性剂对Ni-P-SiC化学复合镀层性能的影响

表面活性剂对Ni-P-SiC化学复合镀层性能的影响1前言化学复合镀是在化学镀的基础上发展起来的一种表面处理技术。在化学镀镀液中加入不溶性的固体微粒如SiC、Al2O3、Cr2O3、WC等,通过搅拌使固体微粒悬浮于溶液中,实现分散微粒与基质金属的共沉积,从而制备具有较高硬度、耐磨性、自润滑性、耐蚀性及特殊的装饰外观等功能性镀层[1,2]。这些是采用常规的单金属电镀或合金电镀难以得到的。故化学复合电镀在机械工业、船舶工业及电子工业中有极广泛的应用前景。影响化学复合镀的因素有络合剂的选择、SiC微粒的添加量、稳定剂、表面活性剂、温度、pH值和搅拌速度等[3,4]。在NiPSiC化学复合镀过程中,表面活性剂起润湿基体和微粒表面、提高悬浮液的稳定性等作用。表面活性剂对复合镀层性能影响较大。作者主要研究了3种不同表面活性剂及其不同组合方式对NiPSiC化学复合镀层的硬度和耐磨性能的影响,对制备性能优异的复合镀层具有十分重要的意义。2实验方法2.1镀液配方及工艺条件硫酸镍20～30g/L,次亚磷酸钠25～35g/L,络合剂10～20g/L,稳定剂0.5～1.5mg/L,表面活性剂10～100mg/L,SiC10～100g/L,pH值4～6,温度80～90℃,搅拌速度200～500r/min。2.2工艺流程冷轧钢片→打磨→化学除油→电解除油→化学复合镀→水洗→测试。2.3镀层性能测试(1)硬度采用71型显微硬度计测定镀层的硬度,每个试样取3个不同的位置测试,然后取平均值,载荷2N,加载时间10～15s。(2)耐磨性能采用PMⅠ型平磨机,载荷800g,经400次平磨,用分析天平称量试片平磨前后质量差Δm表示其耐磨性能。(3)结构用SIMENSD500型X射线衍射仪测定镀层结构。(4)成分用不锈钢薄片施镀1.5h,将镀层剥离干燥后,用美国BARID公司生产的ICPAES等离子发射光谱测定镀层中Ni、P、SiC的含量。3结果与讨论3.13种表面活性剂单独加入时对镀层性能的影响在镀液中分别加入不同浓度的3种表面活性剂(其中S1为季铵盐型阳离子表面活性剂、S2为磺酸盐型阴离子表面活性剂、S3为醚类非离子表面活性剂),它们对镀层硬度及耐磨性能的影响见图1和图2。由图1和图2可知,三种体系所得镀层的硬度均随表面活性剂用量的增大出现先增大后变小的现象。S1用量为60mg/L时镀层硬度最大为890HV,S2用量为60mg/L时镀层硬度最大为860HV,而S3用量为80mg/L时,镀层硬度最大为850HV。镀层的磨损量随表面活性剂用量的增大呈现先减小后变大的趋势,3种体系均在表面活性剂用量为60mg/L时磨损量达到最小值,对添加S1、S2表面活性剂的体系而言,硬度最大与磨损量最小时表面活性剂用量一致。对S3体系,硬度最大和磨损量最小时表面活性剂用量并不一致。这与分散微粒和基质金属在共沉积过程中受化学吸咐和流体力学等的影响有关。表面活性剂对镀液中固体颗粒起润湿、乳化和分散等作用[5]。其浓度较低时,对微粒润湿、分散作用不够充分,不利于分散微粒与基质金属的共沉积,而表面活性剂用量过大时,过多的表面活性剂分子会吸咐在基片表面,屏蔽部分催化活性点,影响自催化还原反应的顺利进行,只有其用量合适时,才有利于固体微粒与基质金属的共沉积,从而有利于镀层硬度和耐磨性能的提高。3.2表面活性剂的复配组合对镀层性能的影响在上述实验的基础上,确定表面活性剂的浓度为60mg/L,将S1、S2和S33种表面活性剂进行复配,研究不同组合方式对镀层性能的影响,实验结果见表1。由表1可知,S1与S2组合及其配比为1∶1时硬度最大为830HV,与单独添加时效果大体相当。而S1与S3组合,其配比为2∶1时硬度最大为950HV,比它们单独使用时有一定的提高。由表1还可知,S1与S2、S2与S3组合时,镀层磨损量与单独使用S1、S2、S3时大体相当,而S1与S3组合配比为1∶1时磨损量最小为0.8mg。这是因为两种表面活性剂混合时,彼此相互作用或形成络合物,产生静电作用或其他物理化学作用,因而产生增效作用或对抗作用[6]。要获得理想的复合镀层,要求SiC微粒能得到良好的润湿并在镀液中形成稳定的悬浮体系。S1与S2组合时,因其离解产物带相反电荷,吸咐在SiC表面时可能产生对抗作用,镀液的稳定性也不够好,故镀层性能不够理想。S3与S1、S2组合时,离子型表面活性剂的离解产物吸咐在SiC表面,因界面电荷而形成双电层,微粒因电荷相互排斥而不易凝聚;非离子表面活性剂因水合作用在SiC表面形成较厚的水化层,也可防止液滴的聚合,故悬浮液的稳定性较好。离子型表面活性剂对SiC的润湿效果较好,故镀层的性能较理想。相比而言,在镀液pH值较小的情况下,S1、S3组合产生的增效作用比S2、S3组合更明显,故采用S1与S3组合时,镀层的硬度和耐磨性最好。故选用S1、S3组合,且配比为2∶1。4复合镀层的成分及结构4.1镀层的成分镀液中分别添加S1、S2及S1和S3组合表面活性剂,所得镀层分别记为1号、2号和3号,其成分见表2。从表2可知:采用S1、S3组合,镀层中P和SiC的重量百分含量均大于单独使用S1、S3时所得的镀层。由表3可知,所得镀层的耐磨性能是电镀纯镍的5～6倍。4.2镀层的结构镀层在镀态下的X射线衍射结果见图3,图中2θ=45°处出现了“馒头包”衍射峰,说明镀层在镀态下为非晶态结构。5结论在一定镀液配方和工艺条件下,采用S1与S3以2∶1组合时,所得的NiPSiC复合镀层中P、SiC含量均大于单独使用S1、S3时所得镀层的相应含量,镀层属非晶态结构,硬度、耐磨性均优于单独使用S1、S3。故采用两种表面活性剂适当的组合,有利于制备性能优异的NiPSiC化学复合镀层。