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Ni-P、(Ni-P)-SiC镀层的电沉积及其组织性能

邵光杰  
【摘要】: 电沉积Ni-P合金镀层具有优异的性能,因此近年来受到了广泛的重视。本文在研究成功具有工业生产价值的电沉积工艺的基础上,对电沉积Ni-P合金的初期沉积行为,组织结构,耐蚀及耐磨性能进行了系统的研究工作。同时,本论文对稀土元素在电沉积Ni-P合金过程中的作用进行了比较深入的探讨。本文提出了在离心力场中高速电沉积的方法,并对离心电沉积(Ni-P)-SiC复合镀层的影响因素及镀层性能进行了研究。 利用阴极极化曲线和循环伏安曲线方法研究了各种添加剂在Ni-P合金镀层电沉积过程中的电化学行为。通过对实验结果的综合分析,确定了镀液配方(其中含有FM添加剂作为主络合剂及2g/L的稀土氯化物)及工艺条件,可以获得质量良好的低磷、中磷和高磷镀层。 对电沉积Ni-P合金镀层的初期沉积行为进行了研究。发现电沉积Ni-P合金的初期沉积行为受到基体材料组织的影响。在退火态45钢表面,由于珠光体组织中含有渗碳体相且具有比较高的晶界密度,因而在沉积初期镀层优先在此处形核和生长;镀层在基体表面是以纳米尺度的晶粒聚集在一起形成的聚晶体形式存在的。随着施镀时间的延长,纳米晶聚晶体在横向二维生长的同时,在纳米晶聚晶体的表面上也进行着三维方向的新的一层聚晶体的生长;在调质态45钢表面,由于其具有比较高的晶界和缺陷密度,因此在沉积初期,纳米晶聚晶体的成核密度也较大,从而在二维方向聚晶体的尺度较小,镀层沉积初期表现为致密细小的鳞片状组织。 Ni-P合金镀层组织结构与镀层中P含量密切相关,随着镀层中磷含量的增加,镀层组织由纳米晶转变为非晶;通过X-ray,TEM观察分析了镀层在热处理过程中的晶化行为和晶化产物。Ni-10.6wt%P在晶化过程中有六角亚稳过渡相Ni_5P_2存在,当温度达到400℃时,晶化完全,其晶化过程为:Ni-10.6wt%P(非晶态)→Ni_5P_2亚稳相+Ni固溶体→Ni固溶体+Ni_3P;Ni-3.4wt%P镀层在热处理过程中有Ni_3P相沉淀析出,且随热处理温度的升高,镍晶粒逐渐长大。 对电沉积Ni-P合金镀层的耐蚀性能、镀层硬度及耐磨性能的研究结果表明:镀层的耐蚀性能与镀层的磷含量密切相关,在不同的腐蚀介质中,磷含量的影响表现出不同的规律。热处理后,镀层的耐蚀性能显著下降。在镀态下,低磷镀层较高磷的非晶镀层具有更高的硬度,其耐磨性能也显著高于高磷镀层。镀层经热处理后,由于Ni_3P的析出使镀层硬度得以提高;低磷镀层和高磷镀层在热处理后的耐磨性能 燕山大学工学博士学位论文 差别不大。电沉积NiP合金镀层的摩擦系数及磨损机理与所加载荷有关,随着载荷 增大,其磨损形式从轻微磨损,转变为氧化磨损,继续增大载荷,最后发展为粘着 磨损。 通过在镀液中添加一定量的稀土元素,研究了稀土元素对电沉积NIP合金镀液 和镀层性能的影响。结果表明:在电沉积Ni-P合金镀液中添加一定量的稀土化合 物能够提高 NiP合金镀液和镀层的性能,稀土添加量为 Zg/L时,镀层的耐蚀性能 最好。在镀液中添加一定量的稀土,并未使镀层的含P量升高,稀土也不共沉积 于NIP合金中。稀土元素改善电沉积NIP合金镀液和镀层性能的原因是由于稀土 离子在电极界面的特性吸附,增大了阴极极化。 自行研制了离心高速电沉积装置。用该装置进行了离心电沉积Ni-P及 阳iP)七 复合镀层的试验,研究了工艺参数对镀层成份及镀层性能的影响。研究 结果表明:用离心电沉积方法能够增大电沉积NIP合金的速度;影响镀层中磷含量 的因素主要有pH值、电流密度等。离心电沉积(NI卜SIC复合镀层中的a 含量 远大于常规电沉积;而且复合镀层中8 微粒分布均匀;镀层中8 含量随温度升 高而降低,随电流密度、镀液中a 含量及阴极旋转速度增大而增大;pH值对镀 层中出 含量影响不大;镀层硬度、耐磨性得到提高,复合镀层中 S i C含量越多, 复合镀层的硬度和耐磨性越好。


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