Ni_SiC复合电镀工艺的优化及镀层结构表征

•5•Ni–SiC复合电镀工艺的优化及镀层结构表征郑华明，黄新民*，何素珍，林志平，单传丽（合肥工业大学，安徽合肥230009）摘要：利用电沉积法制备出Ni–SiC复合镀层，研究了阴极电流密度、温度、pH、搅拌速率、表面活性剂等工艺参数对镀层显微硬度和沉积速率的影响，通过正交试验得出了最佳工艺参数：阴极电流密度4A/dm2，SiC微粒悬浮量60g/L，温度40°C，pH2.5，搅拌速率300r/min。用SEM、XRD和TEM分析了镀层的表面形貌、组织结构及镀层中粒子的分布，结果表明：SiC微粒均匀分布于复合镀层中，镀层表面平整光滑，显微组织均匀、致密，其显微硬度也较纯镍镀层有显著提高。关键词：镍；碳化硅；复合电沉积；组织结构；表面形貌中图分类号：TQ153.2文献标志码：A文章编号：1004–227X(2009)06–0005–04OptimizationandstructuralcharacterizationofNi–SiCcompositeelectroplating//ZHENGHua-ming,HUANGXin-min*,HESu-zhen,LINZhi-pin,SHANChuan-liAbstract:ANi–SiCcompositedepositwaspreparedbyelectrodeposition.Theeffectsofcathodiccurrentdensity,temperature,pH,stirringrateandsurfactantsonthemicrohardnessanddepositionrateofNi–SiCcompositewerestudied.Theoptimalprocessparametersweredeterminedbyorthogonaltestasfollows:cathodiccurrentdensity4A/dm2,suspensionamountofSiC60g/L,temperature40°C,pH2.5,andstirringrate300r/min.ThesurfacemorphologyandmicrostructureofNi–SiCcompositedepositwereanalyzedbyXRDandSEM.ThedistributionofSiCparticlesindepositwasobservedbyTEM.TheresultsshowedthatSiCparticlesareuniformlydistributedinthecompositedeposit.TheNi–SiCcompositedepositfeaturessmoothness,compactmicrostructure,andgreatlyimprovedmicrohardnessascomparedwithpurenickeldeposit.Keywords:nickel;siliconcarbide;compositeelectro-deposition;microstructure;surfacemorphologyFirst-author’saddress:SchoolofMaterialScienceandEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China收稿日期：2008–10–06修回日期：2008–11–07作者简介：郑华明（1983–），男，浙江宁波人，在读硕士研究生，现主要从事Ni–W–P–SiC复合电镀的制备及其性能表征等方面的研究。通讯作者：黄新民，教授，(E-mail)[e-mail]。1前言复合电镀是通过电沉积法将一种或数种不溶性的固体颗粒，均匀地夹杂到金属镀层中形成特殊性能镀层的方法[1]。电镀Ni–SiC复合镀层是一种高硬度、耐磨性能好、抗氧化、耐腐蚀的复合镀层，被广泛应用于模具、量具、发动机气缸等零件[2-6]。本文通过控制SiC微粒悬浮量、阴极电流密度、温度、pH、搅拌速率等工艺参数，采用正交试验法探讨了不同工艺参数对复合镀层性能的影响，得出了最佳工艺方案，初步探索了表面活性剂OP-10对镀层性能的影响，并对镀层的组织和结构进行了表征。2实验2.1实验装置以500mL烧杯为镀槽，纯镍板为阳极，低碳钢板(3.0cm×2.0cm)为阴极，进行双面镀。采用DDZ-10A直流稳压电源控制电流密度，HHS电热数显恒温水浴锅加热控制槽液温度，JJ-1型定时电动搅拌器控制搅拌速率。2.2镀液组成及工艺基础镀液采用瓦特镀镍液，为减少影响因素，用分析纯试剂和蒸馏水配制，氨水调节pH。在镀液中加入少量表面活性剂OP-10作为分散剂，使微粒充分润湿且均匀分散于镀液中。试验前先用超声波将镀液搅拌30min，再磁力搅拌2h，使镀液各组分充分溶解。镀液成分及工艺条件如下：NiSO4·6H2O300g/LNiCl2·6H2O35g/LH3BO340g/L糖精1g/LOP-100.2~0.8g/LSiC(粒径2μm)20~80g/L阴极电流密度1~4A/dm2pH2.5~5.5Ni–SiC复合电镀工艺的优化及镀层结构表征•6•θ30~60°Cv(搅拌)200~500r/mint(电镀)30min采用闪镍镀液预镀，其组成为：硫酸镍200g/L，柠檬酸三钠220g/L，氯化铵10g/L，氯化钾5g/L，温度60°C，pH6.4~6.8，电流密度0.8~2.0A/dm2。工艺流程：打磨─水洗─碱洗除油─水洗─酸洗活化─水洗─蒸馏水洗─称重─用铜丝将试样装挂入槽─预镀3min─复合电镀─蒸馏水洗─吹干─称重。2.3复合镀层性能检测采用JEOLJSM-6490LV型场发射扫描电子显微镜(SEM)观测镀层表面形貌，利用能谱仪(EDS)测定镀层的成分，用H-800型透射电子显微镜(TEM)从微观上对镀层中的粒子含量及分布情况进行观测。采用Dmax/rb旋转阳极X射线衍射仪(XRD)表征镀层的组织结构。试验条件为铜靶，管压40kV，管流80mA，扫描速率6°/min。采用TG528B型电子分析天平精确称量试样施镀前后的质量，计算单位面积单位时间内的增重，从而计算沉积速率。采用MH-3型显微硬度计测量镀层的显微硬度，载荷200g，时间10s。3结果与讨论3.1影响共沉积因素的正交试验利用正交试验设计方法，将复合镀层显微硬度和沉积速率作为考察指标，采用L16(45)正交表对镀液中SiC微粒悬浮量、阴极电流密度、搅拌速率、温度、pH进行正交试验，固定表面活性剂OP-10添加量为0.6g/L，确定适宜的工艺条件参数，试验结果见表1。由各因素的极差值可知，根据显微硬度得出的较优水平为A3B4C1D2E1，各因素对镀层显微硬度的影响程度依次为阴极电流密度、搅拌速率、镀液中SiC微粒悬浮量、温度和pH；根据沉积速率得出的较优水平为A1B4C3D2E1，各因素对沉积速率的影响程度依次为阴极电流密度、镀液中SiC微粒悬浮量、pH、搅拌速率和温度。综合考虑镀层的表面质量、光泽度及结合强度，得出最优工艺水平组合A3B4C2D2E1，即阴极电流密度4A/dm2，SiC微粒悬浮量60g/L，温度40°C，pH2.5，搅拌速率300r/min。表1正交试验结果Table1Orthogonaltestresults试验号w(SiC)/(g/L)Jk/(A/dm2)v(搅拌)/(r/min)θ/°CpH显微硬度/HVv(沉积)/[g/(dm2·min)]1201200302.5402.00.31482202300403.5493.40.62203203400504.5544.60.70354204500605.5549.60.94855401500404.5349.60.24056402400305.5547.60.45957403300602.5587.50.70008404200503.5632.81.02559601300505.5306.70.170010602200604.5564.70.518511603500303.5677.40.588512604400402.5679.10.789013801400603.5368.90.192514802500502.5461.40.459015803300405.5584.10.696516804200304.5674.90.7745k1497.400356.800575.475532.500549.900k2529.375516.775526.550543.125515.625k3556.975598.400486.375533.450535.050k4522.325634.100517.675497.000509.500显微硬度R59.575277.389.10046.12536.4001k′0.6470.2290.5340.5660.6392k′0.6060.5150.5870.6070.567v(沉积)3k′0.5170.6720.5900.5590.5364k′0.5310.8840.5900.5690.559R′0.1300.6550.0560.0480.103Ni–SiC复合电镀工艺的优化及镀层结构表征•7•3.2表面活性剂对复合镀层的影响在复合镀层中，通过加入表面活性剂来改变分散微粒的表面状态，能促进基质金属与微粒的共沉积，表面活性剂在电极界面吸附，界面双层结构中介电常数大、自由能高的水分子会被自由能低、介电常数小而体积较大的有机分子所取代，微分电容显著降低[7]。选用对微粒有润湿、分散、除污等作用的OP-10表面活性剂。工艺条件为：阴极电流密度4A/dm2，SiC微粒悬浮量60g/L，温度40°C，pH2.5，搅拌速率300r/min。OP-10质量浓度对显微硬度和沉积速率的影响如图1所示，随着OP-10含量的增加，镀层的硬度先下降后上升，在OP-10含量为0.8g/L时，硬度达到最大值。OP-10促进了Ni金属与微粒的共沉积，是一种较好的共沉积促进剂，它能使微粒在镀液中分散悬浮，并使微粒表面电势升高，有利于阴极沉积[8]，从而使镀层中SiC微粒含量增加，提高了镀层的硬度(从600HV增至1000HV)，远大于纯镍镀层的硬度(210HV)。0.20.40.60.860070080090010001100显微硬度沉积速率ρ(OP-10)/(g/L)显微硬度/HV0.0650.0700.0750.0800.0850.0900.095v(沉积)/[g/(dm2·min)]图1OP-10质量浓度对复合镀层显微硬度和沉积速率的影响Figure1EffectofmassconcentrationofOP-10onmicrohardnessanddepositionrateofthecompositedeposit由图1可知，OP-10为0.6g/L时镀层的沉积速率最低，此时镀层的综合质量最佳。随着OP-10的增加，微粒复合量也随之增多，但基质金属对微粒的包裹有限，导致微粒与基质金属的结合不牢。结合图2的金相显微照片可知，在添加OP-10表面活性剂的复合电镀层中，复合沉积了一定量的SiC微粒，且SiC微粒均匀弥散分布于镍基体中，使镀层硬度明显提高。图2镀液中OP-10质量浓度为0.8g/L时所得镀层的表面形貌Figure2Surfacemorphologyofthedepositpreparedwith0.8g/LOP-10inbath3.3复合镀层的表面形貌图3a和b分别为纯Ni和Ni–SiC复合镀层的表面形貌，试样在由正交试验得出的最佳工艺条件下制备。(a)Ni(b)Ni–SiC图3纯Ni和Ni–SiC复合镀层的表面形貌Figure3SurfacemorphologiesofpurenickelandNi–SiCcompositedeposits由图3可见，无论是纯Ni镀层还是Ni–SiC复合镀层，都呈典型的胞状组织形态。与纯Ni镀层的表面胞状