代替镀硬铬电镀层的研究现状

浏览次数: 日期:2015年5月5日

  镀硬铬也称耐磨铬,镀铬层具有高硬度和低摩擦因数的特点,机械零部件镀硬铬后可以提高其抗磨损能力,延长使用寿命[1]。但电镀硬铬工艺会导致严重的环境污染,如:镀铬工艺使用的铬酸溶液,会产生含铬酸雾和废水,而且还有其他一些缺点:硬度随温度的升高降低;镀层中存在微裂纹;电镀沉积速度慢等。合金镀层与组成他的单金属镀层相比,合金镀层有可能更平整、光亮、结晶细致。合金镀层中组分及比例选择合适,则该合金镀层就有可能比组成他们的单金属镀层更耐磨和抗腐蚀。非晶态材料是近20年来快速发展的一种新材料,因其薄膜镀层具有优良的高耐蚀性、高机械强度等特点,受到人们的广泛关注。复合镀层是一种金属基的复合材料,由于固体微粒的嵌入,使原有的薄膜性能发生显著变化,从而扩展了它在不同领域的应用[2]。开发优良的合金镀层、非晶镀层和复合镀层可以替代硬铬镀层。
  1 电沉积二元合金
  1.1 Ni-W
  Ni-W合金镀层中W的含量(质量分数)超过44%时,能获得非晶态镀层。得到的Ni-W合金具有较高的熔点与硬度,较好的耐热性、耐磨性和耐蚀性,可以作为替代铬镀层。镀层中W含量随着镀液中W的含量的提高而提高,最后趋于一定值;镀液温度对镀层的结构有显著影响,温度高于50℃,才能获得非晶镀层;电流密度高,也对形成非晶镀层有利;pH对镀层结构有显著影响,pH=5~7时,可获得非晶镀层,PH<4或PH>8,只能得到晶态镀层;Ni-W非晶镀层具有较好的热稳定性,在400℃以下可保持非晶态结构。加入2-丁炔-1,4-二醇时,能得到完整且光亮的Ni-W镀层,但是2-丁炔-1,4-二醇能减少镀层中W的含量并且影响电流密度和电流效率。2-丁炔-1,4-二醇的加入有利于反应的进行从而降低电流效率[3]。
  研究钢基体上的Ni-16%W在700℃和800℃的氧化过程,在氧化之前,镀层是由过饱和W、Fe、Mo、Si等元素和晶格常数为3.782的纳米Ni颗粒组成。在氧化过程中,随着氧元素的扩散,在最外层NiO层次内部为(NiO+NWiO4)的混合物,在氧化层的下面还是由过饱和(W,Fe,O)和Ni的晶粒组成,基层的上面由富Fe的Ni-W-Fe沉积物组成。影响氧化的因素有Ni2+、O2-、基层中元素的扩散,Ni-Fe-W相的形态和Ni的纳米晶程度[4]。由于基体的结构与性质不同,其上的Ni-W非晶态镀层中的成分、形貌、耐蚀性也不相同,其中Ni基合金和不锈钢基体上的Ni-W非晶态镀层具有良好的表面特性和耐蚀性,而A3钢基体上的镀层则存在大量的裂纹,防护性较差。
  为此可以在这两种基体材料上先预先镀上一层暗镍。
  1.2 Ni-Co
  金属镍的硬度较低,耐磨性差,如果掺入一定量的金属钴,形成Ni-Co合金,除保留镍镀层的物理化学性能外,还有两大优点:1)可使硬度明显提高,且高温下仍能保持较高的硬度;2)化学稳定性更好,尤其是热稳定性和高温耐磨损性能得到很大的提升[6]。分别研究在碳钢上电沉积Ni-Co合金镀层加不加糖精的情况。在不加入糖精的时候,电流密度的提高会促进Ni-Co合金电沉积的晶粒,生成粗晶,进一步分析可知,这是由迁移电阻的降低和离子表面扩散速度以及阻止在其他活性点上的电化学吸附等因素造成。在镀槽中加入糖精可以进一步细化Ni-Co合金镀层的晶粒,分析表明糖精提高电荷迁移电阻,降低离子的表面扩散速度并且有利于在新的活性位置生长晶体,因而阻碍晶粒的生长。糖精阻碍晶粒的锥形生长,易使镀覆表面光滑[7]。Ni-Co合金的电沉积机理与Ni-Zn、Ni-Fe合金一样,属于异常共沉积。镀层中钴含量随镀液中钴盐浓度的增大而升高,而且镀液中的钴盐浓度稍有增加,镀层中的钴含量就增加较多。如果Ni-Co合金中钴含量过高,会引起镀层内应力的增大,从而影响镀层性能。随着阴极电流密度的增大,合金镀层中钴含量有所下降。随镀液温度的升高,镀层中钴含量上升,还可降低镀层的内应力,但温度太高,会加快金属离子的水解,从而恶化镀层的质量[8-9]。
  Ni-Co合金镀层晶体结构随着镀层中钴含量的增大而发生由面心立方(fcc)向密排六方(hcp)的转变。在干摩擦条件下,面心立方结构的Ni-Co合金镀层具有较高的摩擦因数和较差的耐磨性。相比之下,密配六方结构的合金镀层起到了一定的减摩和抗磨作用,其摩擦因数降低至1/3左右,磨损率降低1个数量级以上[10]。
  1.3 Co-W
  Co-W合金刷镀层的厚度随着施镀电压的升高而升高,但电压超过12V,镀层厚度增长速度变慢,镀层的硬度与施镀电压有关,当工作电压为12V,阳极运动速度为10m/min时,镀层的硬度值最高。Co-W合金刷镀层具有良好的热稳定性,镀层经高温回火后,由于Co3W的析出,会使硬度大幅度升高。Co-W合金刷镀层在500℃以下的加热条件下具有良好的抗氧化性能,即使是在700℃时其抗氧化性能也优于3Cr2W8V钢[11]。
  2 电沉积多元合金镀层
  2.1 Ni-W-B
  Ni-W或Ni-W-B非晶态合金镀层由于具有优良的耐蚀性和较高的硬度而引起了人们的广泛关注,近年来国内外已经有大量的研究文章报道了这类镀层的性能和研究结果。这2种镀层具有非常好的耐蚀性和较高的硬度,而且镀液的电流效率及分散能力远远高于镀铬。因此,这2种镀层有望发展成为比较好的代铬镀层[12]。下面重点总结一些Ni-W-B非晶态合金镀层一些性能和特点。
  Ni-W-B作为一种替代铬镀层是一种很有前途的镀层,Ni-W-B合金非晶态镀层中含31%W和1%B,维氏硬度最大可达900,基本达到镀硬铬的硬度要求,镀液400℃时,硬度基本不变化,当保温温度持续400℃时,非晶态的合金中产生Ni4W的小细晶。

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