超临界流体镍基金刚石复合电铸的实验研究

钱 蜜， 雷卫宁，， 刘维桥， 唐从顺， 姜 博

（1.常州大学 机械工程学院，江苏 常州213016；2.江苏技术师范学院 机械与汽车工程学院，江苏 常州213001）

0 前言

在溶液中加入一种或数种不溶性固体微粒，使其与金属离子共沉积形成复合电铸层，已成为制备具有特殊性能的金属基复合材料的重要方法之一［1］。

超临界CO2流体（SCF-CO2）是一种特殊的物理状态。它的密度与液体的相近，黏度与气体的相近，因而有着极好的流动性和传递性［2］。将超临界特性与传统的电铸技术相结合，开展SCF-CO2的电铸技术研究，是近些年发展起来的一个新的研究热点，受到国内外研究人员的高度关注［3-5］。本文在SCF-CO2条件下进行镍基金刚石复合电铸的实验研究，利用超临界流体环境极高的传质速率和良好的分散性，旨在解决金刚石微粒的团聚问题，使进入电铸层中的金刚石微粒更加均匀，强化其弥散效果，增强复合电铸层的表面质量和力学性能。

1 实验

1.1 实验方法

复合电铸的实验装置，如图1所示。实验所选用的阳极材料为2.5cm×2.5cm的纯镍，阴极材料为2cm×2cm的电解铜，两极板间距为1.8cm。复合电铸实验中，高压泵和恒温装置提供SCF-CO2电铸所需的工作压力和温度，磁力搅拌器提供形成超临界流体乳化液所需的外部条件。电解液组成为：NiSO4·6H2O 300g／L，NiCl260g／L，H3BO340g／L，表面活性剂1.25g／L。所用试剂均为分析纯。为使微米尺度的金刚石微粒充分润湿且均匀分散于电解液中，电铸前对金刚石微粒在电解液中进行预分散处理。试样制备的工艺条件为：阴极电流密度9A／dm2，温度45℃，压力10MPa，电铸时间60min，磁力搅拌强度420r／min，金刚石微粒的粒径分布范围为0.1～1.0μm。

图1 超临界流体电铸实验的装置示意图

1.2 性能检测

采用S-3400型扫描电子显微镜表征复合电铸层的显微组织。显微硬度用HXD-1000型数字显微硬度计测定，载荷2N，保持时间10s。每个样品测量5个点，取平均值。

2 结果与讨论

2.1 复合电铸层的微观组织

图2为复合电铸层的SEM图（2 000×）。由图2可知：在超临界环境下制备的镍基金刚石复合电铸层的形貌呈胞状均匀分布。镀层的生长遵循形核和长大的生长方式。晶粒的核心首先出现在基体的缺陷部位，尤其是凹凸不平处。因该处的自由能较高，形核较容易。当晶核长大并相互接触时，晶粒停止生长。在晶界处，因能量较高，容易形成新的晶核，并逐渐长大。随着镀液中微米金刚石的质量浓度的增加，镀层的晶粒逐渐变得细小。这是因为微米金刚石可以大幅提高镀层的形核率，促进晶粒的生长。随电镀时间的延长，镀层晶粒逐渐变细。在镀层表面可以看到白色微米级的金刚石微粒。普通镍基金刚石复合电铸层中金刚石微粒的分散性较差，晶胞也较大，并且有许多气孔［1］。这主要是因为超临界环境较低的黏度和较强的自扩散能力，起到了润湿剂和铺展的作用，并且细化了晶胞。同时超临界环境所形成的均一稳定的乳化状态将金刚石微粒包裹起来，强化金刚石微粒在阴极上的传输，还减少了微粒间的相互碰撞，抑制了金刚石微粒的团聚，提高了分散效果。因此，金刚石微粒在电铸层中分布均匀，如图3所示。

图2 复合电铸层的SEM图

图3 金刚石50g／L时复合镀层的断面图（400×）

2.2 复合电铸层的显微硬度

金刚石微粒的质量浓度对复合电铸层显微硬度的影响，如图4所示。由图4可知：随着金刚石微粒的质量浓度的增加，复合电铸层的显微硬度升高；在50～100g／L范围内呈现稳定趋势，显微硬度在9 000MPa左右；之后，显微硬度明显下降。与普通复合电铸层的显微硬度（3 507MPa）相比较，有了较大幅度的提高。这主要是因为金刚石微粒在沉积层中的良好分散，增加了大量的形核点，阻碍了基体金属镍晶粒的生长，同时阻碍了晶粒位错滑移产生的弥散强化效应，从而使微米复合电铸层的显微硬度高于纯镍电铸层的。随着质量浓度的继续增加，金刚石微粒在阴极上大量堆积，从而吸附于阴极表面，阻碍了镍在阴极上的沉积，导致镍沉积不均匀，金属晶格的缺陷增多，显微硬度下降。

图4 金刚石微粒对复合电铸层显微硬度的影响

压力对复合电铸层显微硬度的影响，如图5所示。由图5可知：压力在10～14MPa范围内，显微硬度无明显变化，均在9 000MPa左右；压力高于14MPa时，显微硬度明显下降；其中10MPa时显微硬度最高。这主要是因为SCF-CO2由临界点开始，随着压力的增大，密度不断增大，由气体向液体转化［2］。不同密度下的超临界环境的黏度和表面张力是不同的，吸附分散效果也不同。密度为0.6～0.7kg／cm3时的超临界流体与金刚石微粒有较好的吸附，更有利于金刚石微粒的分散，因此，显微硬度有较大幅度的提升［4-5］。

图5 压力对复合电铸层显微硬度的影响

3 结论

（1）与传统的复合电铸方法相比，SCF-CO2电铸制备的镍基金刚石微米复合电铸层组织均匀，金刚石微粒分散良好，无明显的团聚现象，其显微硬度达到9 100MPa。

（2）压力在10～14MPa时，SCF-CO2环境对金刚石微粒的分散效果良好，是开展镍基金刚石微米复合电铸研究的较好环境。

［1］王正，任晨星，徐向俊，等.金刚石复合镀层的研究［J］.腐蚀与防护，2001，22（7）：283-286.

［2］朱自强.超临界流体技术——原理和应用［M］.北京：化学工业出版社，2000.

［3］YOSHIDA H，SONE H，WAKABAYASHI H，etal.New electroplating method of nickel in emulsion of supercritical carbon dioxide and electroplating solution to enhance uniformity and hardness of plated film［J］.Thin Solid Films，2004，46（2）：194-199.

［4］雷卫宁，刘维桥，曲宁松，等.超临界电化学沉积技术的研究进展［J］.材料工程，2010（11）：83-87.

［5］王星星，雷卫宁.超临界条件下温度和压力对电铸镍的影响［J］.电镀与环保，2010，30（2）：14-16.