电沉积Ni-SiC纳米复合镀层的显微组织分析.pdf

材料工程／２０１１年１２期—电沉积ＮｉＳｉＣ纳米复合镀层的显微组织分析—ＭｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＮｉＳｉＣＮａｎｏｃｏｍｐｏｓｉｔｅＣｏａｔｉｎｇｂｙＥ１ｅｃｔｒｏｄｅｐ０ｓｉｔｉ０ｎ吴化，陈涛，王庆辉（长春工业大学先进结构材料教育部重点实验室，长春１３００１２）—ＷＵＨｕａ。ＣＨＥＮＴａｏ。ＷＡＮＧＱｉｎｇｈｕｉ（ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＡｄｖａｎｃｅｄＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＭａｔｅｒｉａｌｓ（ＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ），ＣｈａｎｇｃｈｕｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ１３００１２，Ｃｈｉｎａ）摘要：采用超声波辅助脉冲电沉积复合镀技术在铜基表面制备Ｎｉ－ＳｉＣ纳米复合镀层。研究了超声波的施加和不同电极摆放方式对镀层显微组织和性能的影响。结果表明：超声波和第二相颗粒共同作用可以显著细化复合镀层显微组织，显微硬度可达到ＨＶ７６Ｏ；复合镀层镍衍射晶面（２００）和（２２０）峰位的变化，说明晶粒生长过程中的择优取向得到了抑制；在其他施镀条件相同时，与电极垂直摆放相比较，电极水平放置时复合镀层厚度减至为１２．Ｏｍ且显微硬度下降为ＨＶ３４３。分析原因是，电极水平摆放时第二相颗粒的自沉降作用覆盖阴极表面，阻碍镍的沉积，从而降低了复合镀层中ＳｉＣ的含量。—关键词：ＮｉＳｉＣ复合镀层；电极摆放；超声波；择优取向中图分类号：ＴＧ１７４．４４文献标识码：Ａ——文章编号：１。０１４３８１（２０１１）１２－００４８０５——Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅＮｉＳｉＣｎａｎｏｃｏｍｐｏｓｉｔｅｃｏａｔｉｎｇｓｗｅｒｅｅｌｅｃｔｒｏｄｅｐｏｓｉｔｅｄｏｎｃｏｐｐｅｒｓｕｂｓｔｒａｔｅａｉｄｅｄｗｉｔｈｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｕｌｔｒａｓｏｎｉｃａｎｄｔｈｅａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔｗａｙｏｆｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓｏｎｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｃｏａｔｉｎｇｓｗｅｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈａｔｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｃｏａｔｉｎｇｓｗｅｒｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｒｅｆｉｎｅｄｂｙｕｌｔｒａｓｏｎｉｃａｎｄｓｅｃｏｎｄａｒｙｐａｒｔｉｃｌｅｓ，ｔｈｅｍｉｃｒｏｈａｒｄｎｅｓｓｉｎｃｒｅａｓｅｄｔｏ—ＨＶ７６０，ａｎｄｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎｃｒｙｓｔａｌｐｌａｎｅｏｆｎｉｃｋｅｌ（２００）ａｎｄ（２２０）ｗａｓｖａｒｉｅｄ，ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｐｒｅｆｅｒｒｅｄｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｗａｓｉｎｈｉｂｉｔｅｄｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｇｒａｉｎｇｒｏｗｔｈ．Ｃｏｍｐａｒｅｄｔｏｔｈａｔｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓｗｅｒｅｐｌａｃｅｄｉｎｖｅｒｔｉｃａ１，ｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｔｈｅｃｏａｔｉｎｇｗａｓ１２．０ｕｍａｎｄｍｉｃｒｏｈａｒｄｎｅｓｓｗａｓＨＶ３４３．Ｔｈｉｓｗａｓａｔｔｒｉｂｕｔｅｄ—ｔｏｔｈｅｓｅｄｉｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆｓｅｃｏｎｄａｒｙｐａｒｔｉｃｌｅｓｃｏｖｅｒｅｄｃａｔｈｏｄｅｓｕｒｆａｃｅａｎｄｒｅｄｕｃｅｄｔｈｅｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｎｉｃｋｅｌ，ｗｈｅｎｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓｗｅｒｅｐｌａｃｅｄｉｎｈｏｒｉｚｏｎ．——Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＮｉＳｉＣｃｏｍｐｏｓｉｔｅｃｏａｔｉｎｇ；ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｐｌａｃｅｄ；ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ；ｐｒｅｆｅｒｒｅｄｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ复合电镀技术是材料表面强化的一种新手段，因其镀层具有的高硬度、耐磨性、自润滑性、耐蚀性、特殊的装饰外观以及电接触、电催化等功能而倍受人们的关注＿１］。复合电镀常用的基质金属有镍、铜、铬、铁等，主要的分散相有金属氧化物、碳化物、氮化物以及聚合物颗粒ｊ。其中研究较为广泛的是以金属镍为基质，—无机化合物颗粒作为强化相的复合镀层。其中ＮｉＳｉＣ复合镀层以优良的耐腐蚀和摩擦学性能被成功应用于汽车和航天工业等领域。纳米复合电镀技术是将不溶性的第二相纳米颗粒与基质金属共沉积，从而获得具有特殊功能纳米复合镀层的方法］。纳米材料以其优异的物理和化学性能给复合电镀技术带来了新的发展方向，国内外已经使用此技术制备出纳米晶复合镀层和纳米颗粒复合镀层。纳米复合电镀可以改善复合镀层的组织结构并显著提高镀层的质量］。在电沉积复合镀中，如何提高复合镀层中第二相颗粒的含量，进而提高复合镀层的性能，是研究人员一直关注的热点问题之一。本研究对样品制备常规工艺进行了改进，同时探索不同电极摆放方式对镀层显微组织和性能的影响。用ｘ射线衍射仪及透射电镜分析确定了纳米颗粒在复合镀层中的存在和分布，用扫描电镜观察了镀层的显微组织形貌及晶粒大小。１实验１．１实验方法实验采用瓦特镀镍溶液，镀液温度保持在（５Ｏ－＋－５２材料工程／２０１１年１２期镍的晶体点阵之中还会引起晶体结构的畸变。这些因素共同作用，使复合镀层得到了强化。３结论（１）超声波的施加所产生的空化作用，加之第二相颗粒纳米ＳｉＣ的弥散分布，可以显著细化电沉积复合镀层的显微组织；并打乱原有沉积层的生长方式，抑制晶粒的择优取向；复合镀层的显微硬度提高到ＨＶ７６０。（２）水平摆放电极与垂直摆放电极相比较，不利于高质量复合镀层的形成。原因为，第二相纳米ＳｉＣ的自沉降作用覆盖了阴极表面，影响了阴极的导电性能，Ⅱ金属镍的沉积量减少，复合镀层厚度从３３．０１Ｔｔ减小到１２．０ｍ；同时，还影响了镀层中ＳｉＣ的俘获量，最终导致复合镀层的显微硬度下降到ＨＶ３４３。［１］［２３［３］参考文献张艳丽，罗胜铁，刘大成．金属镍一碳化硅纳米复合电镀工艺研究—ＬＪ］．兵器材料科学与工程，２００７，３０（４）：５８６Ｏ．ＭＥＥＮＵＳＲＩＶＡＳＴＡＶＡ，ＷＩＩＩＩＡＭＶＫＧＲＩＰＳ，ＲＡＪＡＭＫＳ．—Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｅｌｅｃｔｒ０ｄｅｐｏｓｉｔｅｄＮｉＣｏＹＺＡｃｏｍｐｏｓｉｔｅｃｏａｔｉｎｇｓ［Ｊ］．ＡｐｐｌＥｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ，２００８，３８（５）：６６９６７７．ＥＷＡＲＵＤＮＩＫ，ＬＩＤＩＡＢＵＲＺＹＮＳＫＡ，ＬＵＫＡＳＺＤＯＩＡＳＩＮＳＫ１．ｅｔａ１．Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｐ。ｓｉｔｉｏｎｏｆｎｉｃｋｅｌ／ＳｉＣｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｉｎｔｈｅｐｒｅｓｅｎｃｅｏｆｃｅｔｙｌｔｒｉｍｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍｂｒｏｍｉｄｅ［Ｊ］．ＡｐｐｌｉｅｄＳｕｒｆａｃｅＳｃｉｅｎｃｅ，２Ｏ１０，２５６（２４）：７４］４７４２０．［４］ＢＥＮＥＡＬ，ＷＥＮＧＥＲＦ，ＰＯＮＴＨＩＡＵＸＰ，ｅｔａ１．Ｔｒｉｂｏｃｏｒｒｏｓｉｏｎ———ｂｅｈａｖｉｏｕｒｏｆＮｉＳｉＣｎａｎｏ－ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｃｏａｔｉｎｇｓｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｅｌｅｃｔｒｏｄｅｐ０ｓｉｔｉｃｌｎ＿Ｊ］．Ｗｅａｒ，２００９，２６６（３～４）：３９８～４０５．［５］ＧＹＦＴＯＵＰ，ＰＡＶＡＴＯＵＥＡ，ＳＰＹＲＥＩＩＩｓＮ．Ｅｆｆｅｃｔｏｆｐｕｌｓｅ—ｅ１ｅｃｔｒｏｄｅｐｏｓｉｔｉ０ｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｎｔｈｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＮｉ／ｎａｎｏＳｉＣ—ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ［Ｊ］．ＡｐｐｌｉｅｄＳｕｒｆａｃｅＳｃｉｅｎｃｅ，２００８，２５４（１８）：５９１０５９１６．—２６］李雪松，江中浩，吴化，等．脉冲电镀ＮｉＳｉＣ纳米复合镀层工艺与—微观形貌［Ｊ］．金属热处理，２００７，３２（８）：２１２４．—［７］ＨＵＦ，ＣＨＡＮＫＣ，ＺＨＯＵＪＥ．Ｅｆｆｅｃｔｓｏｆｄｕｔｙｃｙｃｌｅｏｎｅｌｅｃｔｒｏ—ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎｂｅｈａｖｉｏｕｒｏｆＮｉＳｉＣｐｃｏｍｐｏｓｉｔｅｃｏａｔｉｎｇｓ［Ｊ］．Ｓｕｒｆａｃｅ—Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００８，２４（３）：２０４２０８．—［８］ＣＨＡＮＧＩＭ，ＧＵＯＨＦ，ＡＮＭＺ．Ｅ１ｅｃｔｒｏｄｅｐｏｓｉｔｉ。ｎ。ｆＮｉＣｏ／ＡＩ２Ｏａｃｏｍｐｏｓｉｔｅｃｏａｔｉｎｇｂｙｐｕｌｓｅｒｅｖｅｒｓｅｍｅｔｈｏｄｕｎｄｅｒｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ—ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓＬｅｔｔｅｒｓ，２００８，６２（１９）：３３１３３３１５．［９］薛玉君，刘红彬，兰明明，等．超声条件下脉冲电沉积ＮｉＣｅＯ２纳米复合镀层的高温抗氧化性［Ｊ］．中国有色金属学报，２０ｉｏ，２０—（８）：１５９９１６０４．［１ｏ］张振华，郭忠诚．复合镀中纳米粉体分散的研究［Ｊ］．精细与专用化学品，２００７，ｌ５（２）：９～ｌ３．基金项目：吉林省基础研究发展计划项目（２０１００８８）——收稿日期：２０１０１２０７；修订日期：２Ｏ１１－０７１４作者简介：吴化（１９５７一），男，博士，教授，主要从事金属材料强韧化和金属表面改性处理方面的研究，联系地址：吉林省长春市延安大街２０５５—号长春工业大学材料科学与工程学院（１３００１２），Ｅｍａｉｌ：ｗｕｈｕａ＠ｍａｉｌ．ｃｅｕｔ．ｅｄｕ．ｅｎ米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米（上接第４７页）—［１４］ＨＵＹｏｎｇｊｕｎ，ＷＡＮＧＴｉａｎＸｔｌ，ＭＥＮＧＪｉ－ｌｏｎｇ，ｅｔａ１．Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ———ａｎｄｐｈａｓｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｂｅｈａｖｉｏｕｒｏｆｅｌｅｃｔｒｏｌｅｓｓＮｉＷ－Ｐｏｎａｌｕｍｉｎｉｕｍａｌｌｏｙ［Ｊ］．ＳｕｒｆａｃｅａｎｄＣｏａｔｉｎｇｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００６，２０１——（３４）：９８８９９２．Ｌ１５］ＴＩＥＮＳＨＩＨＫＡＮＧ，ＤＵＨＪＥＮＱＧＯＮＧ，ＣＨＥＮＹＵＮＧＩ．Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｔｈｅｒｍａｌｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｅｌｅｃｔｒｏｌｅｓｓ—ＮｉＰ～Ｗａｌｌｏｙｃｏａｔｉｎｇｓｄｕｒｉｎｇｃｙｃｌｅｔｅｓｔ＿Ｊ］．ＳｕｒｆａｃｅａｎｄＣｏａｔｉｎｇｓ—Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００４，１７７１７８：５３２～５３６．Ｌ１６］ＭＡＨＡＬＬＡＷＹＮＥ，ＢＡＫＫＡＲＡ，ＳＨＯＥＩＢＭ，ｅｔａ１．Ｅｌｅｃｔｒｏ—ｌｅｓｓＮｉＰｃｏａｔｉｎｇｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍａｇｎｅｓｉｕｍａｌｌｏｙｓ［Ｊ］．ＳｕｒｆａｃｅａｎｄＣｏａｔｉｎｇｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００８，２０２：５１５１５１５７．—Ｌ１７］ＫＲＩＳＨＮＡＮＫＨ，ＪＯＨＮＳ，ＳＲＩＮＩＶＡＳＡＮＫＮ，ｅｔａ１．Ａｎｏｖｅｒ—ａｌｌａｓｐｅｃｔｏｆｅｌｅｃｔｒｏｌｅｓｓＮｉＰｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎｓ［Ｊ］．ＭｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌａｎｄＭａｔｅｒｉａｌｓＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ，２００６，３７Ａ：１９１７１９２６．—Ｅｌ８］李志明，钱士强，王伟，等．热处理温度对电刷镀ＮｉＰ镀层组织的影响口］．金属学报，２０１０，４６（７）：８６７８７２．—［１９］林树智，黑祖昆．电沉积ＮｉＰ合金结构的研究［Ｊ］．物理学报，［２Ｏ］［２１］［２２］［２３］１９８４，３３（３）：３ｏＺ一３ｏ８．——刘宏，郭荣新，宗云，等．高磷含量ＮｉＷＰ镀层热处理晶粒尺寸及微应变的演变［Ｊ］．材料热处理学报，２０１０，３ｌ（７）：１２３１２８．—ＳＴＡＩＡＭＨ，ＣＡＳＴＩＬＩ０ＥＪ，ＰＵＣＨＩＥＳ，ｅｔａ１．Ｗｅａｒｐｅｒｆｏｒｍ—ａｎｃｅａｎｄｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｅｌｅｅｔｒｏｌｅｓｓＮｉＰｃｏａｔｉｎｇ［Ｊ］．Ｓｕｒｆａｃｅａｎｄ——ＣｏａｔｉｎｇｓＴｅｃｈｎｃｌｏｇｙ，１９９６，８６８７：５９８６０２．陈华辉，邢建东，李卫．耐磨材料应用手册［Ｍ］．北京：机械工业—出版社，２００６．３８４３．董世运，徐滨士，马世宁．纳米颗粒复合刷镀层性能研究及其强—化机制探讨［Ｊ］．中国表面工程，２００３，６０（３）：１７２１．基金项目：山东省自然科学基金资助项目（ＺＲ２０１１ＥＭＭ０１４）—收稿日期：２０１１－０３１１；修订日期：２０１１０９０１作者简介：刘宏（１９５９一），女，博士，教授，从事金属涂层技术及激光表—面改性研究，联系地址：山东济南市历城区工业南路１０３号２２号楼１—５０２（２５０１００），Ｅｍａｉｌ：ｂｏｎｇｓｈｕｏｘｉｎ＠１６３．ｃｏｒｎ