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代替鍍硬鉻電鍍層的研究現狀

瀏覽次數: 日期:2015年5月5日

  鍍硬鉻也稱耐磨鉻,鍍鉻層具有高硬度和低摩擦因數的特點,機械零部件鍍硬鉻后可以提高其抗磨損能力,延長使用壽命[1]。但電鍍硬鉻工藝會導致嚴重的環境污染,如:鍍鉻工藝使用的鉻酸溶液,會產生含鉻酸霧和廢水,而且還有其他一些缺點:硬度隨溫度的升高降低;鍍層中存在微裂紋;電鍍沉積速度慢等。合金鍍層與組成他的單金屬鍍層相比,合金鍍層有可能更平整、光亮、結晶細致。合金鍍層中組分及比例選擇合適,則該合金鍍層就有可能比組成他們的單金屬鍍層更耐磨和抗腐蝕。非晶態材料是近20年來快速發展的一種新材料,因其薄膜鍍層具有優良的高耐蝕性、高機械強度等特點,受到人們的廣泛關注。復合鍍層是一種金屬基的復合材料,由于固體微粒的嵌入,使原有的薄膜性能發生顯著變化,從而擴展了它在不同領域的應用[2]。開發優良的合金鍍層、非晶鍍層和復合鍍層可以替代硬鉻鍍層。
  1 電沉積二元合金
  1.1 Ni-W
  Ni-W合金鍍層中W的含量(質量分數)超過44%時,能獲得非晶態鍍層。得到的Ni-W合金具有較高的熔點與硬度,較好的耐熱性、耐磨性和耐蝕性,可以作為替代鉻鍍層。鍍層中W含量隨著鍍液中W的含量的提高而提高,最后趨于一定值;鍍液溫度對鍍層的結構有顯著影響,溫度高于50℃,才能獲得非晶鍍層;電流密度高,也對形成非晶鍍層有利;pH對鍍層結構有顯著影響,pH=5~7時,可獲得非晶鍍層,PH<4或PH>8,只能得到晶態鍍層;Ni-W非晶鍍層具有較好的熱穩定性,在400℃以下可保持非晶態結構。加入2-丁炔-1,4-二醇時,能得到完整且光亮的Ni-W鍍層,但是2-丁炔-1,4-二醇能減少鍍層中W的含量并且影響電流密度和電流效率。2-丁炔-1,4-二醇的加入有利于反應的進行從而降低電流效率[3]。
  研究鋼基體上的Ni-16%W在700℃和800℃的氧化過程,在氧化之前,鍍層是由過飽和W、Fe、Mo、Si等元素和晶格常數為3.782的納米Ni顆粒組成。在氧化過程中,隨著氧元素的擴散,在最外層NiO層次內部為(NiO+NWiO4)的混合物,在氧化層的下面還是由過飽和(W,Fe,O)和Ni的晶粒組成,基層的上面由富Fe的Ni-W-Fe沉積物組成。影響氧化的因素有Ni2+、O2-、基層中元素的擴散,Ni-Fe-W相的形態和Ni的納米晶程度[4]。由于基體的結構與性質不同,其上的Ni-W非晶態鍍層中的成分、形貌、耐蝕性也不相同,其中Ni基合金和不銹鋼基體上的Ni-W非晶態鍍層具有良好的表面特性和耐蝕性,而A3鋼基體上的鍍層則存在大量的裂紋,防護性較差。
  為此可以在這兩種基體材料上先預先鍍上一層暗鎳。
  1.2 Ni-Co
  金屬鎳的硬度較低,耐磨性差,如果摻入一定量的金屬鈷,形成Ni-Co合金,除保留鎳鍍層的物理化學性能外,還有兩大優點:1)可使硬度明顯提高,且高溫下仍能保持較高的硬度;2)化學穩定性更好,尤其是熱穩定性和高溫耐磨損性能得到很大的提升[6]。分別研究在碳鋼上電沉積Ni-Co合金鍍層加不加糖精的情況。在不加入糖精的時候,電流密度的提高會促進Ni-Co合金電沉積的晶粒,生成粗晶,進一步分析可知,這是由遷移電阻的降低和離子表面擴散速度以及阻止在其他活性點上的電化學吸附等因素造成。在鍍槽中加入糖精可以進一步細化Ni-Co合金鍍層的晶粒,分析表明糖精提高電荷遷移電阻,降低離子的表面擴散速度并且有利于在新的活性位置生長晶體,因而阻礙晶粒的生長。糖精阻礙晶粒的錐形生長,易使鍍覆表面光滑[7]。Ni-Co合金的電沉積機理與Ni-Zn、Ni-Fe合金一樣,屬于異常共沉積。鍍層中鈷含量隨鍍液中鈷鹽濃度的增大而升高,而且鍍液中的鈷鹽濃度稍有增加,鍍層中的鈷含量就增加較多。如果Ni-Co合金中鈷含量過高,會引起鍍層內應力的增大,從而影響鍍層性能。隨著陰極電流密度的增大,合金鍍層中鈷含量有所下降。隨鍍液溫度的升高,鍍層中鈷含量上升,還可降低鍍層的內應力,但溫度太高,會加快金屬離子的水解,從而惡化鍍層的質量[8-9]。
  Ni-Co合金鍍層晶體結構隨著鍍層中鈷含量的增大而發生由面心立方(fcc)向密排六方(hcp)的轉變。在干摩擦條件下,面心立方結構的Ni-Co合金鍍層具有較高的摩擦因數和較差的耐磨性。相比之下,密配六方結構的合金鍍層起到了一定的減摩和抗磨作用,其摩擦因數降低至1/3左右,磨損率降低1個數量級以上[10]。
  1.3 Co-W
  Co-W合金刷鍍層的厚度隨著施鍍電壓的升高而升高,但電壓超過12V,鍍層厚度增長速度變慢,鍍層的硬度與施鍍電壓有關,當工作電壓為12V,陽極運動速度為10m/min時,鍍層的硬度值最高。Co-W合金刷鍍層具有良好的熱穩定性,鍍層經高溫回火后,由于Co3W的析出,會使硬度大幅度升高。Co-W合金刷鍍層在500℃以下的加熱條件下具有良好的抗氧化性能,即使是在700℃時其抗氧化性能也優于3Cr2W8V鋼[11]。
  2 電沉積多元合金鍍層
  2.1 Ni-W-B
  Ni-W或Ni-W-B非晶態合金鍍層由于具有優良的耐蝕性和較高的硬度而引起了人們的廣泛關注,近年來國內外已經有大量的研究文章報道了這類鍍層的性能和研究結果。這2種鍍層具有非常好的耐蝕性和較高的硬度,而且鍍液的電流效率及分散能力遠遠高于鍍鉻。因此,這2種鍍層有望發展成為比較好的代鉻鍍層[12]。下面重點總結一些Ni-W-B非晶態合金鍍層一些性能和特點。
  Ni-W-B作為一種替代鉻鍍層是一種很有前途的鍍層,Ni-W-B合金非晶態鍍層中含31%W和1%B,維氏硬度最大可達900,基本達到鍍硬鉻的硬度要求,鍍液400℃時,硬度基本不變化,當保溫溫度持續400℃時,非晶態的合金中產生Ni4W的小細晶。

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