论文实例：电沉积RE-Ni-W-P-SiC多功能复合材料镀层的理论研究与应用

1、论文实例：电沉积RE-Ni-W-P-SiC多功能复合材料镀层的理论研究与应用    根据热力学分析，计算并绘制了Ni-P-H2O系和Ni-C-H2O系E-pH图。结果表明，Ni与P能以Ni3P的形式在阴极上沉积。镀层中有Ni3C生成，C来源于加入镀液中的有机物和溶于水中的空气中的CO2。工艺条件试验结果表明，采用适宜的复合镀工艺，可得到一系列各种不同成分的复合材料镀层，其成分范围为：SiC530wt、Ni5060wt、W1025wt、P515wt、RE510wt。氯化稀土、氧化稀土和硫酸盐稀土的加入，有利于提高复合材料中W、P和SiC的含量。次亚磷酸钠的

2、添加量应适中，添加过多会降低镀层中W和SiC的含量，一般应控制在1015g/L之间。电流密度、温度和PH值对复合材料中的W、P和SiC含量影响较大，综合考虑它们的影响，Dk应为510A/dm2、pH应控制在6.06.5之间、温度应控制在5565之间。此外，Dk和PH对复合镀层的表面形貌影响也较大，Dk和PH高时，复合材料结晶粗；相反，DK和PH低时，结晶细。搅拌间歇时间对复合材料中的Ni、W、P含量影响不大，但对SiC含量的影响较大，搅拌时间长和间歇时间长都会降低复合材料中SiC的含量，所以，一般间歇时间为3min左右，搅拌时间45min。阴极过程试验结果显示，当镀液中加入SiC微粒和稀土后，

3、复合材料的阴极沉积电流密度增加，有利于Ni-W-P合金在阴极沉积，并形成Ni-W-P-SiC或RE-Ni-W-P-SiC复合材料。而在镀液中加入PTFE后，却降低复合材料镀层的阴极沉积电流密度。当稀土的添加量为79g/l时，复合材料镀层的阴极沉积电流密度增加并不明显；随着稀土添加量的增加，复合材料镀层的阴极沉积电流密度增加较明显，当添加量达到1113g/l时，镀层的阴极沉积电流密度增加达到最大值；若进一步增加稀土用量，则阴极沉积电流密度有所下降。SiC微粒与Ni-W-P合金共沉积的机理是：SiC微粒本身带负电荷，当加入到镀液中，它会吸附周围的正电荷，在流体动力学和电场力的作用下，迁移到阴极表面

4、形成弱吸附；其次，到达阴极表面的SiC微粒在静电场力的作用下脱去水化膜与阴极直接接触而形成强吸附；第三，吸附到阴极表面的SiC微粒被Ni-W-P合金捕获一起沉积到镀层中。RE-Ni-W-P-SiC复合镀层在不同浓度的硫酸、盐酸、磷酸和氯化铁等溶液中的腐蚀试验结果表明，以Ni-W-P合金为基体的复合材料镀层在镀态或热处理条件下在硫酸,磷酸,盐酸和氯化铁溶液中具有较好的耐蚀性,其耐蚀性优于316L不锈钢;Ni-W-P-SiC复合镀层在盐酸、硫酸和氯化铁溶液中的耐蚀性优于Ni-W-P合金镀层和RE-Ni-W-P-SiC复合镀层，而RE-Ni-W-P-SiC复合镀层在磷酸溶液中的耐蚀性又优于Ni-W-

5、P-SiC和Ni-W-P等镀层。RE-Ni-W-P-SiC复合镀层在硫酸和磷酸溶液中的腐蚀机理为缝隙腐蚀和晶间腐蚀，而在盐酸和氯化铁溶液中的腐蚀机理为点蚀和晶间腐蚀。复合材料镀层的硬度和耐磨性试验结果表明，随着加热温度的提高，复合材料镀层的硬度增加，在400时达峰值，加热温度继续升高，镀层硬度呈下降趋势；此外，阴阳极相互垂直所得复合镀层的硬度高于阴阳极相互平行的硬度；镀态时复合镀层的磨损率均最高，随着热处理温度的提高，磨损率呈下降趋势，在400时磨损率最低，耐磨性最好。继续升高温度，磨损率有所上升。另外，随着镀层中磷含量的增加，其耐磨性改善。在400热处理条件下，随着热处理时间的延长，复合镀层

6、的硬度和耐磨性增加，当热处理时间达到3小时时，镀层硬度和耐磨性达到最佳值；若继续延长时间，镀层的硬度和耐磨性将降低。随着镀液中SiC浓度的增加，RE-Ni-W-P-SiC复合材料镀层的硬度增加，同时镀层的耐磨性能也增强。镀液中钨酸钠浓度对RE-Ni-W-P-SiC多功能复合材料硬度及耐磨性的影响规律与镀液中SiC浓度对RE-Ni-W-P-SiC复合材料硬度及耐磨性的影响规律基本一致，即随着钨酸钠浓度的升高，RE-Ni-W-P-SiC复合镀层的硬度和耐磨性均提高。随着镀液中次亚磷酸钠浓度的升高，镀层的硬度和耐磨性均降低。RE-Ni-W-P-SiC复合材料镀层的组织与结构分析表明，复合镀层在镀态下

7、为非晶态，当热处理温度升到200时，镀层开始晶化并析出Ni3P相；当温度达到500时，镀层晶化完毕，产生新相g-(FeNi)。因此，整个镀层的显微结构随温度的变化过程是：非晶态混晶态晶态；稀土元素对复合镀层的显微组织无影响，但可以提高复合镀层中SiC微的含量；镀液中钨酸钠和柠檬酸的浓度对复合材料镀层的结构影响不大，复合材料中的磷含量是镀层非晶化的主要决定因素；镀液中钨酸钠和柠檬酸的浓度对复合材料镀层的表面形貌影响较大，当钨酸钠的浓度为90150g/L和      柠檬酸的浓度为150170g/L时，复合材料镀层表面颗粒细小，而且平整光滑。复合材

8、料镀层的抗高温氧化试验结果表明，在高温氧化过程中,纯镍镀层、Ni-W-P、Ni-W-P-SiC和RE-Ni-W-P-SiC复合镀层的氧化膜重量和氧化时间的关系,在氧化时间小于60min时，氧化膜的增长规律近似于直线方程；而在氧化时间大于60min后,它的增长规律可以用幂函数方程表示。四种镀层氧化速率的大小顺序是NiNi-W-PNi-W-P-SiCRE-Ni-W-P-SiC。在高温氧化过程中,Ni-W-P、Ni-W-P-SiC和RE-Ni-W-P-三种镀层的氧化膜重量随着氧化温度的升高而呈指数型增加。RE-Ni-W-P-SiC复合镀层与Ni-W-P合金层相比,它的高温抗氧化性能可以提高2-3倍。

9、镀层的截面形貌表明,经500下氧化，Ni-W-P合金已向基体扩散,与基体之间没有明显的分界线；Ni-W-P-SiC复合镀层与基体之间有分界线,但不明显；而RE-Ni-W-P-SiC复合镀层在此温度下有明显的分界线。经800下氧化后,除RE-Ni-W-P-SiC复合镀层与基体有明显分界线外,其它两种镀层均无分界线。Ni-W-P、Ni-W-P-SiC和RE-Ni-W-P-SiC三种镀层经800下氧化后的X-射线衍射图同样显示,RE-Ni-W-P-SiC复合镀层具有更好的抗高温氧化能力。对电沉积RE-Ni-W-P-SiC多功能复合材料进行了日处理5平方米的中试试验，结果表明，用该工艺处理的多种零部件

10、在磷化工、制糖和卷烟等工业中应用，其寿命明显高于国产零部件，接近或超过进口件的水平，并取得了一定的经济效益。关键词：电沉积，RE-Ni-W-P-SiC复合材料镀层，硬度与耐磨性，耐蚀性，抗高温氧化性，组织与结构，应用。AtractProceandbasictheoryofelectrodepositedRE-Ni-W-P-SiCmultifunctionalcompositecompositecoatinghavebeenstudied，includingsomecontentsasfollows：E-pHpatterofNi-P-H2OandNi-C-H2Osystemsweredrowno

11、utonthebasisofthermodynamicanalysis，andresultsshowthatNiandPcanco-depositonthecathodeintheformofNi3P；therearesomeNi3Cphasesinthecoating，andCcomesfromorganiccompoundwhichwasaddedinthebathandCO2intheairthatwasdiolvedinwater.ExperimentalresultsofproceparametersindicatethataseriesofRE-Ni-W-P-SiCcomposit

12、ecoatingswithdifferentcontentswereobtainedbymeaofaropriateparameters，andcomponentscopesofthecoatingsareSiC530wt，Ni5060wt，W1025wt，P515wtandRE510wt.ThecontentsofW，PandSiCinthecompositecoatingswereincreasedwhenchloride，oxideandsulfaterareearthwasaddedinthebathreectivelyortogether.Theadditionofsodiumhyp

13、ophohatemustbearopriate，ifaddedmuch，WandSiCcontentsinthecoatingsweredecreased，Sotheadditionofsodiumhypophohatemustbecontrolled1015g/l.Currentdeity，temperatureandpHvaluehavecoiderableeffectsonthecontentsofW，PandSiCinthecompositecoatings.Generally，currentdeity（Dk）mustbecontrolled510A/dm2，pH6.06.5andte

14、mperature5565oC.Besides，DkandpHhaveagreateffectonthesurfacemorphologiesofthecoatings，andthecompositecoatingsgetcoarsewhenDkandpHwerehigh，onthecontrary，thecompositesgainfinecrystalwhenDkandpHwerelow.TheagitatingintervaltimehaslittleeffectonNi，WandPcontents，whileithascoiderableeffectonSiCcontentinthed

15、eposits.ExteionofagitationandintervaltimewilldecreaseSiCcontentinthecomposites，sointervalandagitatingtimemustbecontrolled3miand45mireectively.CurvesofcathodicpolarizationdilaythatwhenSiCparticlesandrareearth（RE）wereaddedinthebath，cathodicdepositingcurrentdeityofthecompositesincreases，anditisprofitab

16、leforNi-W-Pcoatingtodepositinthecathode，formingNi-W-P-SiCandRE-Ni-W-P-SiCcomposites.Onthecontrary，theadditionofPTFEinthebathdecreasescathodicdepositingcurrentdeityofthecoatings.Thecurrentdeityincreasesalittlewhentheamountofrareearth（RE）is79g/l；however，thedeityincreasesgreatlywithincreasingamountofRE

17、，anditreachespeakvaluewhentheamountofREis1113g/l.ButiftheamountofREisraisedfurther，thecurrentdeitydecreases.MechanismofSiCparticlesandNi-W-Pcoatingco-depositionis:SiCparticlescarryaboutnegativeelectricchargeitself,andtheymayadsorbpositiveelectricchargearoundwhenSiCparticlesareaddedinthebath.Theymove

18、tothesurfaceofcathodeandformweakadsorptionundertheeffectsoffluiddynamicsandelectricfieldforce;secondly,SiCparticlesonthecathodicsurfacedehydrateundertheeffectoftheelectrostaticfieldforceandformstrongadsorptiothirdly,SiCparticlesadsorbedonthecathodicsurfacearecapturedbyNi-W-Pcoatinganddepositedinthecomposite.CorrosionexperimentsofRE-Ni-W-P-SiCcompositecoatinginH2SO4，HCl，H3PO4andFeCl3solutioshowthatthecompositecoatingsonthebaseofNi-W-PcoatingshavebettercorrosionresistanceinH2SO4，HCl，H3PO4andFeCl3solutioatas-depositedorheattreatment，andtheircorrosionresistanceissuperiortothatof316Ls