镍基SiC纳米微粒复合电镀研究

王永丽，于 杰

(1.广东食品药品职业学院化妆品系，广东广州 510640;2.华南理工大学应用化学系，广东广州 510640)

引 言

最早出现且应用很广的镀镍工艺为瓦特镀镍液，在瓦特镀液中加入第二相固体微粒进行复合电镀，可得到具有更好的耐磨、耐腐蚀性等特殊功能的复合镀层。20世纪90年代后纳米微粒的出现，为复合电镀获得具有特殊功能的复合镀层提供了前所未有的机遇。以 Ni、Zn、Cr、Ni-P等为底层，以DNP(纳米金刚石)、SiC、Al2O3或石墨等微粒形成的复合镀层，具有优良的理学性能和耐腐蚀性能。如果将硬度为2500HV的碳化硅微粒和金属镍复合，得到的 Ni-SiC复合镀层硬度可达到600～700HV［1］。龚海华等［2-3］报道了脉冲电镀 Ni-SiC 纳米复合镀层的性能，镀层的耐磨性是纯镍镀层的4倍以上，耐腐蚀性比纯镍镀层提高5倍以上，孔隙率明显低于纯镍镀层。程森等［4］在A3钢板上制备微米和纳米SiC两种复合镀层的研究表明，SiC微粒在镀层中分布均匀，SiC复合镀层的硬度是纯镍层的3倍;微米SiC复合镀层的弹性模量比纯镍镀层提高了近5倍，而纳米SiC复合镀层则提高了15倍以上;SiC微粒的加入能够有效阻止镀层表面发生变形，纳米SiC微粒的作用更明显;复合镀层的耐磨性能与普通镍镀层相比有较大幅度的提高，在油润滑条件下磨损体积为普通镍镀层的1/8。这一研究把Ni-SiC微粒复合镀层应用于实际生产提供了理论基础［5］。

本论文以镍镀层中纳米微粒复合量为参考标准，通过正交试验，考察了ρ(SiC)、Jκ、pH和搅拌强度四个因素对Ni-SiC纳米微粒复合镀层中SiC复合量的影响，发现镀液中的SiC微粒质量浓度对复合量影响最大。并根据正交试验结果得出了最佳的工艺条件。

1 实验

1.1 实验装置及镀液配制

实验采用赫尔槽试验，并模拟工厂中的电镀设备，设计出容积为250mL的小型电镀工艺试验装置。通过空气搅拌使微粒分散，空气流量采用转子流量计测量。

1.2 赫尔槽试验步骤

1)取镀液250mL，加入赫尔槽中。

2)放入已洗净的2mm厚的镍板作为阳极，按下通气按钮，用温度计控温，加热镀液到50℃。

3)待镀液温度达到所需值后，接好电路，放入阴极(10cm×6cm×0.5mm的黄铜片)。

4)打开电源开关，调节电流旋钮使电流为所需值，进行电镀。

5)将试片洗净并吹干，进行分析检查。

6)将赫尔槽试验得到的结果进一步在模拟电镀工艺试验槽中进行验证，确定最佳工艺条件。

1.3 Ni-SiC纳米微粒复合镀液组成

Ni-SiC纳米微粒复合镀液组成为:280g/L硫酸镍，50g/L氯化镍，45g/L硼酸，5～30g/L SiC纳米微粒和适量添加剂。

1.4 电镀工艺流程

电镀工艺流程为:除油→水洗→酸洗→水洗→电镀→水洗→干燥。

1.5 正交试验设计

选取SiC纳米微粒质量浓度、阴极电流密度、镀液pH和空气流量作为正交试验的四个因素，每个因素取3个水平，评价标准为镀层中SiC纳米微粒质量分数(即复合量)。该正交试验的因素水平表见表1，可选用L9(34)正交表。

表1 正交试验因素水平表

1.6 镀层中纳米微粒复合量的测定

采用 INC300型扫描电镜仪(英国牛津 OXFORD公司)对镀层表面形貌进行分析，采用能谱仪测定镀层中Si元素的质量分数。

2 实验结果与讨论

2.1 正交试验结果分析

表2 为正交试验的设计及其结果。由表2可看到，SiC纳米微粒质量浓度、电流密度、pH和空气流量四个影响因素的极差分别为 5.84、0.78、1.56 和1.40。表明对Ni-SiC纳米微粒复合镀层中SiC复合量影响最大的因素是镀液中的SiC微粒，随镀液中SiC微粒的增加，镀层中SiC复合量先增加，后下降。其它因素虽也有一定影响，但影响程度较小。

表2 正交试验表L9(34)及实验结果分析

以镀层中w(SiC)复合量为参考标准，从正交试验结果可得出，最佳工艺条件为15g/L SiC纳米微粒;Jκ为 3A/dm2;pH 为 4.5;空气搅拌流量为0.3m3/h。

2.2 镀层扫描电镜和能谱分析

2.2.1 镀层扫描电镜分析

图1 为Ni-SiC纳米微粒复合镀层表面形貌照片。图1中(a)、(b)和(c)分别为正交试验中1号、9号和5号试验得到的复合镀层截面的扫描电镜照片，图1中黑点已通过能谱分析证明为SiC微粒。从图1可见，纳米微粒在镀层中的分布比较均匀，并随ρ(SiC)的增加而增加。虽然较大颗粒的粒径已达几百个纳米，发生了几倍团聚，但还是比较理想的。

图1 Ni-SiC纳米复合镀层截面形貌照片

图2 中(a)、(b)和(c)分别为正交试验中1号、9号和5号Ni-SiC纳米复合镀层表面扫描电镜照片。可见，复合镀层中SiC微粒的多寡使得复合镀层表面形貌发生了很大变化。图2(a)中SiC微粒很少，因此镀层形貌多呈现Watts基础镍的棱形结构;而图2(c)中SiC微粒复合量最高，几乎看不到Watts基础镍的原始结构。

图2 Ni-SiC纳米复合镀层表面形貌照片

2.2.2 镀层能谱分析

图3 为Ni-SiC纳米复合镀层能谱分析谱图。图3中(a)、(b)和(c)分别为正交试验1、9和5号试样得到的Ni-SiC纳米复合镀层的截面能谱图。从图3中可看到，Si的峰依次增高，复合镀层中Si的量依次增加，这证实了正交试验的结果。

图3 1、9和5号试片镀层的截面能谱图

选取正交试验5号试片得到的Ni-SiC纳米复合镀层中的黑点做能谱分析，如图4表明黑点处的Si质量分数达到42.2%，可证明图2中黑点即为SiC形成的图像。

图4 5号镀片截面上黑点处的能谱图

3 结论

1)以镀层中SiC纳米微粒复合量为参考标准，通过正交试验，考察了SiC纳米微粒质量浓度、电流密度、pH和搅拌空气流量四个因素对Ni-SiC纳米复合镀层SiC复合量的影响，发现镀液中的SiC微粒质量浓度对复合量影响最大。根据正交试验结果得出最佳的工艺条件为:ρ(SiC纳米微粒)为15g/L，Jκ为3A/dm2，pH 为4.5 及搅拌空气流量为0.3m3/h。

2)在最佳工艺条件下，对镀层进行了扫描电镜和能谱分析，验证了正交试验的结果。Ni-SiC纳米复合镀层能谱分析表明，黑点即为SiC，而镀层截面的扫描电镜照片表明，纳米微粒在镀层中均匀分布;镀层表面的扫描电镜照片表明，溶液中SiC微粒的质量浓度可影响Ni-SiC纳米复合镀层的表面形貌。

［1］白晓军.耐磨Ni/SiC复合镀层的研制及应用［J］.表面技术，1994，23(4):151-153.

［2］龚海华，靳惠明，张骥群，等.脉冲电镀Ni-SiC纳米复合镀层性能研究［J］.化学工程与装备，2011，40(1):32-33.

［3］郭崇武.纳米复合镀层的研究历程［J］.电镀与精饰，2012，34(6):25-29.

［4］程森，王昆林，赵高敏.Ni-SiC复合镀层组织和性能的研究［J］.表面技术，2002，31(4):1-4.

［5］Wun-Hsing Lee，Sen-Cheh Tang，Kung-Cheng Chung.Effect of direct current and pulse-plating on the co-deposition of nickel and nanomemter diamond power［J］.Surface and Coating Technology，1999，120-121:607-611.