化学镀镍-磷-石墨烯复合镀层的显微硬度和物相结构

化学镀镍-磷-石墨烯复合镀层的显微硬度和物相结构

化学铬-磷层具有硬度高、耐腐蚀性好、耐腐蚀性好等特点。这是表面强化的重要方法。将Al石墨烯因具有表面效应和小尺寸效应,在镀液中易团聚,分散性差。表面活性剂在复合镀过程中具有润湿基体,降低粒子表面能和提高镀液稳定性的作用,因此目前主要通过在镀液中加表面活性剂来提高颗粒的分散性1实验1.1复合镀液的制备石墨烯由苏州恒球石墨烯科技有限公司提供,纯度大于95%,片层尺寸5～50μm,厚度3～8nm,层数6～10层,比表面积100～300m基体为40mm×20mm×3mm的45钢,经过砂纸打磨后,依次通过无水乙醇超声波除油5min,10%(质量分数)盐酸除锈3min,20%(质量分数)硫酸活化3min,最后置于化学镀液中进行复合镀。1.2精密工艺条件基础镀液组成为:NiSO1.3性能试验1.3.1显微硬度和厚度采用美国标乐MICROMET-6030自动显微硬度仪测量镍-磷-石墨烯复合镀层的显微硬度,采用努普压头,载荷0.98N,加载时间10s。采用时代TT260数字式覆层测厚仪测量复合镀层的厚度。镀层的显微硬度和厚度均测10个点,取平均值。1.3.2镀层的物相结构用德国BrukerD8AdvanceX射线衍射仪(XRD)分析镀层的物相结构。用NovaNanoSEM450扫描电子显微镜(SEM)观察镀层的表面形貌,并采用其附带的能谱仪(EDS)分析镀层中各元素的质量分数。2结果与讨论2.1显微硬度的测试以镀层的厚度和显微硬度为考核指标,选取表面活性剂种类、表面活性剂质量浓度和石墨烯质量浓度为因素,每个因素取3个水平,其他因素保持恒定,按L采用综合评分法对正交试验结果进行分析。因为镀层的厚度能够表征镀速,而且厚度的测量结果较精确,所以确定厚度的加权系数为0.6。显微硬度可在一定程度上反映镀层的耐磨性,但不够精确,故确定显微硬度的加权系数为0.4。根据表1,综合这两项指标,按以下规则评分:镀层厚度和显微硬度的极差(最大值与最小值之差)分别为15.0-10.2=4.8(μm)和501.1-365.2=135.9(HV),最小值分别为10.2μm和365.2HV,以指标的最小值为基准,镀层的厚度每增加0.048μm,显微硬度每增加1.359HV,则厚度和显微硬度的评分分别加1分,确定试验i(i取1、2、…、9)的镀层厚度x其中,t将表1中不同组合试验的厚度和显微硬度代入式(1)-(3),即得表1中的综合评分,表2所示为综合评分的均值和极差分析。由表2中各因素的极差得出各影响因素的主次顺序为:表面活性剂种类>表面活性剂质量浓度>石墨烯质量浓度。由综合评分的均值可知,采用60mg/L十二烷基苯磺酸钠作表面活性剂,石墨烯质量浓度为1.0g/L时,所得镍-磷-石墨烯复合镀层的综合评分最高,综合性能最好。2.2镀层组合对镀层性能的影响在上述试验的基础上,保持表面活性剂的总质量浓度为60mg/L不变,将表面活性剂SDBS、CTAB、APEO两两组合,研究不同组合对镀层性能的影响,结果见表3。由表3可知,SDBS与APEO按质量比1:1复配时,镀层厚度和显微硬度均最大,分别为15.2μm和576.4HV。两种表面活性剂混合时,由于理化特性相互影响,会产生增效或抵抗作用2.3镀层的对比分析对采用最优配比表面活性剂时所得镀层进行EDS分析,并与传统Ni-P镀层进行对比,结果见表4,其中的Fe元素可能来自于基体。由表4可知,与Ni-P镀层相比,Ni-P-石墨烯复合镀层中的Ni、P元素含量均下降,C元素含量则大幅升高,说明石墨烯已经复合到Ni-P基质镀层中。2.4石墨烯复合镀层的制备图1所示为Ni-P-石墨烯复合镀层的SEM照片。从图1可知,镀层表面由非晶胞状结构组成,非晶胞较小,非晶胞间有黑色物质(应该为石墨烯颗粒)夹杂。从高倍图可看到,石墨烯呈褶皱状嵌埋在基质镀层中,这有利于充分发挥其对复合镀层的弥散强化作用,进而改善复合镀层的结构。图2为Ni-P-石墨烯复合镀层的XRD谱。从图2可知,在2θ为40°～50°之间有一个“馒头”峰,说明复合镀层为非晶态结构。3复合镀层的制备(1)当采用60mg/L十二烷基苯磺酸钠作表面活性剂,石墨烯质量浓度为1.0g/L时,Ni-P-石墨烯复合镀层的厚度和显微硬度较高,综合性能较好。(2)将烷基酚聚氧乙烯醚与十二烷基苯磺酸钠按质量比为1:1复配时,化学