(通化師范學院化學系,吉林通化134002) 摘要：電鍍Ni-W合金常使用檸檬酸或其鹽為絡合劑.文中采用極少應用的乙醇酸絡合劑制備了Ni-W合金鍍層,研究了鍍液組成和操作條件對鍍層組成及顯微硬度的影響.結果表明:鎢含量對鍍層顯微硬度起決定作用,而鍍液中Na2WO4濃度和電流密度會顯著影響鍍層中的鎢含量,進而影響鍍層的顯微硬度,鍍層的顯微硬度最高可達615HV.通過正交實驗得出適宜工藝條件為:NiSO4·6H2O 12g/L,Na2WO4·2H2O 48g/L,C2H4O3·2H2O60g/L,pH6.5,鍍液溫度70℃,電流密度1.8A/dm2. 關鍵詞：Ni-W合金;鎢含量;顯微硬度;乙醇酸 中圖分類號：O646文獻標志碼：A文章編號：1008-7974(2010)08-0026-05 作者簡介:王志濤(1980-),吉林梨樹人,碩士,通化師范學院化學系教師. 鉻鍍層外觀光亮、硬度高、摩擦系數低,具有優良的耐磨、耐腐蝕和耐高溫等性能,廣泛應用于耐磨損腐蝕和裝飾性領域.然而Cr(IV)是造成環境污染最嚴重和對人體健康危害最大的重金屬元素之一.因此,尋找新型的代鉻鍍層自然成為需要解決的一個重要課題.鎳鎢合金在工業上可用于軸承、汽缸、導輥、高溫玻璃模具、注塑用螺桿等表面,還可在許多醫療器件上作為鈦的代用品植入人體.其硬度和耐磨性可以和硬鉻鍍層相媲美,且對環境污染小,可做為代鉻鍍層使用,能夠規避鍍鉻過程中伴隨的六價鉻污染問題,具有很重要的應用價值.鎢不能從水溶液中單獨電沉積,但鍍液中存在鐵系金屬Fe、Ni等時,可以通過誘導共沉積作用以合金的形式沉積出來.Ni-W合金鍍液中的絡合劑通常采用檸檬酸(鹽)體系、酒石酸鹽體系、焦磷酸鹽體系、酸性體系和氨基磺酸鹽體系.本文采用乙醇酸絡合劑,通過正交實驗和對比實驗獲得了制備Ni-W合金鍍層合適的工藝參數,進而探討了鍍液組成和操作條件對鍍層組成和顯微硬度的影響及規律. 1·實驗部分 1.1主要儀器與試劑 主要儀器:DF1720SL10A型直流穩壓電源,HH·S11-2型電熱恒溫水浴,pHS-3C型精密pH計,MHV-2000型數字硬度儀,ZSXPrimusⅡ型X-射線熒光光譜儀(XRF). 主要試劑:硫酸鎳(NiSO4·6H2O)、鎢酸鈉(Na2WO4·2H2O)、乙醇酸(C2H4O3·2H2O). 1.2實驗方法 (1)配方優化.經過探索性實驗,初步確定影響Ni-W合金鍍層性能的幾個主要影響因素的變化范圍為:NiSO4·6H2O12-36g/L,Na2WO4·2H2O24-72g/L,C2H4O340-80g/L,pH5.5-7.5,鍍液溫度55℃-75℃,電流密度1.2-2.4A/dm2,添加劑適量.選擇六因素五水平進行乙醇酸絡合劑電沉積Ni-W合金鍍層正交實驗,優化其工藝參數. (2)鍍液配制.分別稱量所需藥品置于同一燒杯中,加適量水并用磁力攪拌器攪拌以加速溶解,待完全溶解后過濾至250mL容量瓶中,加蒸餾水定容后倒入鍍槽.加入適量氨水調節同時用PHS-3C型智能酸度計測定鍍液pH值. 2·實驗結果與討論 2.1正交試驗結果分析 在沉積穩定的前提下,為得到顯微硬度較高的合金鍍層,采用正交實驗表(L65)優化電沉積工藝參數,實驗指標為鍍層中的鎢含量和顯微硬度,如表1所示.
各因素的Ki、ki、R值見表2、3,Ki表示某因素第i水平狀態下所對應的指標值的總和,ki表示相應的算術平均值,R表示離差.一般來說,離差的大小反應某因素變化時對實驗指標的影響程度,故離差大,影響就大;離差小,影響就小.由表2、3的實驗結果可見,比較各因子四個水平數據平均值的離差,影響硬度的因素主次順序為A→B→F→D→C→E,硬度越大越好,故其有利水平為A1B3F4D3C3E3;影響鍍層鎢含量的因素主次順序為B→D→F→A→E→C,故其有利水平為B5D5F4A1E5C2.
根據單項指標的分析,對水平選取上有矛盾的因子,以主要指標的顯著水平為優選對象然后根據問題實際需要確定其水平.通過所選指標的顯著因素水平進行綜合評定,得出較好的組合為A1B3C2D3E3F4.即通過正交試驗并進行結果分析后得到乙醇酸絡合劑電鍍Ni-W合金較優工藝參數為:NiSO4·6H2O 12gL,Na2WO4·2H2O 48g/L,C2H4O3·2H2O 50g/L,pH6.5,鍍液溫度70℃,電流密度1.8A/dm2. 2.2工藝參數對鍍層組成和顯微硬度的影響 為了更加具體、細致地考察各工藝參數對鍍層組成及硬度的影響,需要進行單因素實驗.即利用最佳工藝參數組合,只對需要考察的因素進行水平改變,做出該因素對鍍層組成及顯微硬度影響的變化曲線. (1)硫酸鎳濃度的影響.圖1為硫酸鎳濃度對鍍層組成及顯微硬度的影響.從圖中可以看出,隨著硫酸鎳濃度的增加,鍍層中鎢的含量逐漸減少.這是因為增加硫酸鎳的濃度雖然有利于對鎢的誘導共沉積,但顯然鎳的沉積更容易一些,因而鍍層中鎢的含量呈下降趨勢.同時鍍層的顯微硬度隨鎢含量降低而逐漸減小.但硫酸鎳濃度較低時發現無法得到表面狀況良好的鍍層,且電流效率極低,沉積速度緩慢.
(2)鎢酸鈉濃度的影響.圖2為鎢酸鈉濃度對鍍層組成及顯微硬度的影響.從圖中可以看出,隨著鎢酸鈉濃度的增加,鍍層中鎢的含量明顯增大,但增大的趨勢逐漸變緩.在實驗過程中還發現隨鎢酸鈉濃度增大,沉積速率逐漸減小.鍍層的顯微硬度先增大而后減小,與文獻研究的結果相似.其原因是隨著鍍層中W含量的增大,晶格畸變度增大,位錯移動時阻力增大,從而使合金鍍層的顯微硬度增大.當Na2WO4·2H2O的濃度較高時,即便鍍層中W含量很高,但合金結構由晶態過渡到非晶態,原子呈無序分布,當鍍層局部體積發生塑性變形,原子容易發生滑動,實際抵抗不了塑性變形,所以硬度降低.
(3)乙醇酸濃度的影響.圖3為絡合劑乙醇酸濃度對鍍層組成及顯微硬度的影響.從圖中可以看出,隨著乙醇酸濃度增大,鍍層中鎢含量呈逐漸降低的趨勢,其原因可能是乙醇酸與Ni2+形成的簡單絡合物更容易沉積,造成鍍層中鎳含量升高,鎢含量相對降低.鍍層的顯微硬度隨乙醇酸濃度增大先逐漸上升,隨后明顯下降,說明絡合劑的使用量不宜過大.
(4)電流密度的影響.圖4為電流密度對鍍層組成及顯微硬度的影響.從圖中可以看出,隨著電流密度的增大,鍍層中鎢含量呈逐漸增大的趨勢,這和許多文獻報道的一致.其原因是較高的電流密度即較高的沉積過電位有利于鎢的還原和沉積,也有部分歸因于高電流密度易造成陰極界面溶液的pH升高,所產生的鎢羥基化合物一起共沉積于鍍層中,導致鍍層鎢含量的提高.鍍層的顯微硬度隨電流密度的增大在開始階段呈逐漸升高的趨勢,達到最大值后隨電流密度繼續增大反而開始逐漸降低.有學者用霍爾-佩奇經驗關系對該現象進行了解釋:隨著電流密度增大,晶粒細化,鍍層顯微硬度增大,此時符合正霍爾-佩奇關系;但隨著電流密度的進一步增大,晶粒進一步細化,鍍層顯微硬度反而減小,此時符合反霍爾-佩奇關系.
(5)pH值的影響.圖5為pH值對鍍層組成及顯微硬度的影響.從圖中可以看出,隨著pH增大,鍍層中的鎢含量略有上升.其主要原因可能是產生的鎢羥基化合物共沉積于鍍層中,造成鎢含量上升;盡管用以調節pH值的氨水用量增大,而銨根離子在O.Younes的研究中被認為會與鍍液中的絡合劑競爭與Ni2+的絡合,從而造成鍍層中鎢含量的下降.但相比之下,前者的作用更加明顯,因而鍍層中鎢的含量會有所上升.鍍層的顯微硬度隨pH值得增大先升高后降低,但變化幅度不大,說明pH值對鍍層顯微硬度影響不是十分明顯.實驗中發現鍍液pH過大沉積速率較快,鍍層表面發暗,周邊有毛刺,因此應使用中性偏酸性鍍液.
(6)溫度的影響.圖6為溫度對鍍層組成及顯微硬度的影響.從圖中可以看出,隨著溫度升高,鍍層中鎢的含量逐漸升高,說明溫度升高有利于金屬鎢的析出;但溫度超過70℃鎢含量開始下降,這可能是由較高溫度下鍍液的揮發引起體系的不穩定所造成的.隨著溫度上升,鍍層顯微硬度先升后降.在實驗過程中可以明顯地觀察到溫度較低時得到的鍍層表面較為光亮,與不銹鋼顏色相近,但鍍層較薄,說明溫度較低時沉積速率小.
3·結論 (1)本實驗中得到乙醇酸絡合劑電鍍Ni-W合金最佳工藝參數為:NiSO4·6H2O12g/L,Na2WO4·2H2O48g/L,C2H4O3·2H2O60g/L,pH6.5,鍍液溫度70℃,電流密度1.8A/dm2. (2)乙醇酸絡合劑電鍍Ni-W合金鍍層的顯微硬度最大為615HV,影響鍍層鎢含量和顯微硬度較大的因素為鍍液中鎢酸鈉的濃度及電流密度,影響最小的因素是鍍液pH值. |
