氯化物体系Cr-Ni-ZrO2复合电沉积研究

摘要

随着现代工业对材料表面性能要求的提高,多功能合金镀层的研究和应用日愈广泛。铬及其合金镀层不仅外观漂亮,还具有硬度高、耐磨性好、耐蚀性好等优点,已得到广泛的研究和应用。为了取代重污染的六价铬电镀,国内外学者致力于研究环保、低毒的三价铬体系电镀,但三价铬体系的电镀还存在镀液不稳定、镀层难增厚等问题。二氧化锆是一种具有高熔点、热膨胀系数大、导热系数小、耐磨性及耐腐蚀性能优良的无机非金属材料,已被广泛应用于各种领域。本文将纳米ZrO2粉末加入镀液中,通过复合电沉积使纳米ZrO2与铬、镍发生共沉积生成性能良好的Cr-Ni-ZrO2复合镀层。研究了在低电流密度区,低浓度的Ni2+对三价铬电沉积的影响。探讨了镀液中各成分及工艺条件对电沉积Cr-Ni-ZrO2复合镀层的影响。采用SEM、EDS及XRD分别测定了镀层的表面形貌、组成及组织结构,检测了镀层的结合力、耐蚀性、孔隙率和硬度等性能。研究结果和结论如下:
　　 (1)在低电流密度区,往三价铬镀液中加入低浓度的Ni2+,所得镀层外观明显好于不含Ni2+的镀液,电沉积25min,镀层厚度为0.46～0.93μm,基本上满足工业生产装饰铬的要求。三价铬电沉积的阴极极化曲线表明,三价铬镀液中低浓度Ni2+的存在,使Cr3+电沉积总反应的极化曲线位于更负的区域,说明Ni2+使Cr3+电沉积总反应的阴极极化增强,更有利于三价铬电沉积形成蓝膜,证明了往三价铬镀液中加Ni2+能够促进三价铬的电沉积。
　　 (2)通过单因素实验研究了镀液中各组分如辅助络合剂、主盐、纳米ZrO2等浓度对电沉积Cr-Ni-ZrO2复合镀层的影响,采用正交实验对镀液配方进行优化。研究了镀液温度、pH值、电流密度、电沉积时间和搅拌速率对电沉积Cr-Ni-ZrO2复合镀层的影响。在最佳工艺条件下,采用最优的镀液配方电沉积所得镀层,外观光亮,厚度达到8.50μm。SEM和EDS检测结果表明,镀层表面光滑细致,纳米ZrO2粒子均匀分散于镀层中,但不足的是有少许ZrO2粒子发生团聚。镀层中主要含有Cr、Ni、O和Zr四种元素,其质量分数分别为:82.6％、0.41％、9.34％、7.65％,纳米ZrO2与Cr、Ni实现了共沉积。
　　 (3)与Cr-Ni合金镀层的表面形貌相比,Cr-Ni-ZrO2复合镀层的表面较为平整、微裂纹减细。另外XRD检测结果表明所得Cr-Ni-ZrO2复合镀层为非晶态结构。结合力试验表明Cr-Ni-ZrO2复合镀层的与铜基体的结合力良好。孔隙率试验表明Cr-Ni-ZrO2复合镀层比Cr-Ni合金镀层的结晶更为致密,孔隙率减小。硬度测试表明,镀层中纳米ZrO2粒子的存在,使镀层硬度提高达664.6HV。对镀层的交流阻抗试验和Tafel试验表明,在酸性和碱性介质中,Cr-Ni-ZrO2复合镀层的耐蚀性能优于Cr-Ni合金镀层；在中性介质中,Cr-Ni合金镀层的耐蚀性能略优于Cr-Ni-Zr-O2复合镀层。
　　 (4)Cr3+电沉积的循环伏安曲线和阴极极化曲线表明,Cr3+电沉积还原反应有两个明显的反应平台,具体发生何反应还有待研究。镀液的阴极极化曲线表明,Cr3+镀液中的Ni2+主要用于促进Cr3+的电沉积,极少用于与Cr3+发生共沉积而生成Cr-Ni合金镀层；辅助络合剂B能够提高镀液的分散能力；添加剂A有利于镀层晶粒的细化,提高镀层光亮度；镀液中加入纳米ZrO2,使Cr3+电沉积的阴极极化增强,加快电沉积反应。