(Ni-Fe)-ZrO2复合镀层的制备及性能研究

姜吉琼，邓型深，李文妤

(桂林理工大学化学与生物工程学院，广西桂林 541004)

(Ni-Fe)-ZrO2复合镀层的制备及性能研究

姜吉琼，邓型深，李文妤

(桂林理工大学化学与生物工程学院，广西桂林 541004)

采用电沉积的方法在硫酸盐溶液中制备了(Ni-Fe)-ZrO2复合镀层。讨论了ZrO2微粒含量对复合镀层硬度的影响规律，对镀层物理化学性能进行了表征。结果表明:当ZrO2质量浓度为8g/L时镀层的硬度最高，复合镀层的耐蚀性明显提高，表面形貌测试明显看出有ZrO2微粒沉积在镀层中。

硬度;二氧化锆;耐蚀性;(Ni-Fe)-ZrO2复合镀层

引 言

ZrO2是一种具有高熔点、高沸点、导热系数小、热膨胀系数大、耐磨性及耐腐蚀性能优良的无机非金属材料，在陶瓷颜料、工程陶瓷、宝石业、压电元件、离子交换器及固体电解质等领域有着广泛的用途。近年来，在复合镀这一新兴领域也引起了广泛的重视［1］。国内很多研究者对添加 ZrO2的复合镀层进行了广泛的研究，并制备出性能优良的镀层［2-4］。本文尝试在 Ni-Fe合金镀液中加入纳米ZrO2微粒，探讨制备高耐蚀性复合镀层的电沉积工艺，并对复合镀层的综合性能进行表征。

1 实验部分

1.1 实验材料及设备

阴极材料为30mm×50mm的铁片，阳极为镍板。实验仪器HL-10ATM赫尔槽试验仪(武汉材料保护研究所)，DF-101集热式恒温加热磁力搅拌器(郑州长城科工贸有限公司)，KQ220DE型数控超声波清洗器(佛山市超声波有限公司)，CHI660C型电化学工作站(上海辰华仪器有限公司)，HXD-1000TMC自动转塔显微硬度仪(上海泰明光学仪器厂)，SGM-6812CK型真空气氛管式电阻炉(洛阳市西格马仪器制造有限公司)，JSM-6380LV扫描电子显微镜(日本电子株式会社)。

1.2 镀液组成及配制方法

(Ni-Fe)-ZrO2复合镀层镀液组成为:

170 ～ 240g/L NiSO4·6H2O;10 ～ 80g/L FeSO4·7H2O;20～30g/L NaCl;20～30g/L柠檬酸三钠;40g/L H3BO3;0.2～1.0g/L 十二烷基硫酸钠;4g/L糖精;1～10g/L ZrO2(d=50nm);1.5 ～3.0g/L 抗坏血酸(均为分析纯)。

溶液配制依次将 NiSO4·6H2O、NaCl、H3BO3和柠檬酸三钠溶解在加热的蒸馏水中，用烧杯单独溶解FeSO4·7H2O和抗坏血酸，搅拌溶解后混合上述溶液中，糖精用热水溶解后加入混合液，定容，十二烷基硫酸钠搅拌溶解待用。施镀时加入处理过的ZrO2，配制过程采用超声分散。

1.3 工艺流程

(Ni-Fe)-ZrO2复合电镀工艺流程为:打磨→水洗→化学除油→水洗→酸洗→水洗→电镀→水洗→电吹风吹干→性能检测。

1.4 二氧化锆预处理

为了除去二氧化锆微粒中的杂质，在施镀前需对二氧化锆进行预处理，采用10%HCl浸泡24h→蒸馏水清洗→超声波振荡30min→烘干。

1.5 正交试验因素水平设计

为了得到硬度较高的(Ni-Fe)-ZrO2复合镀层，结合前期的探索实验，采用正交试验法对Jκ、ZrO2微粒添加量、镀液pH和θ等4个因素各取3个水平，设定了工艺参数的水平范围，列于表1。本试验选用L9(34)正交设计方案进行，考察(Ni-Fe)-ZrO2复合镀层的硬度，通过直接观察、计算极差等方法对正交试验结果进行分析和判别。

表1 因素水平表

1.6 性能测试

1)耐蚀性测定。通过极化曲线测试对镀层的耐蚀性进行表征。实验采用三电极体系，铂电极为辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极，复合镀层为研究电极，用环氧树脂密封，工作面积为1cm2，3.5%的氯化钠溶液，扫描速度为0.001V/s。

2)硬度测定。利用HXD-1000TMC自动转塔显微硬度仪对(Ni-Fe)-ZrO2复合镀层的硬度进行检测。载荷为1.96N，保荷t为15s，分别在镀层的中下部取五个点进行测量，去除一个最高值和最低值后取平均值。

3)形貌表征。采用JSM26380LV型扫描电子显微镜在15kV下对样品的表面形貌进行观察。

2 结果与讨论

2.1 (Ni-Fe)-ZrO2复合电沉积工艺实验

根据正交试验因素水平表，选用L9(34)正交表进行实验，实验结果与极差分析见表2。由表2数据可知，获得较好沉积效果的(Ni-Fe)-ZrO2复合镀层的最佳工艺条件为8g/L ZrO2，Jκ为2A/dm2、pH为4，θ为50℃，其中对镀层硬度影响最大的因素为ZrO2的质量浓度，最小的因素为镀液的pH。按照上述优化工艺施镀，所得镀层的σ为1 230.7HV，优于正交试验的最优结果。

表2 实验方案及结果分析

2.2 镀层耐蚀性表征

2.2.1 ZrO2对镀层耐蚀性的影响

对Ni-Fe合金镀层和(Ni-Fe)-ZrO2复合镀层的耐蚀性测试结果如图1所示。从图1中可以看出，(Ni-Fe)-ZrO2复合镀层的自腐蚀电位相对Ni-Fe合金镀层正移了30mV;且计算结果表明，复合镀层的 Jcorr为 0.779 2mA/m2比 Ni-Fe合金镀层的1.296 mA/m2降低了一个数量级。由此可知，添加适量的纳米二氧化锆微粒可以使(Ni-Fe)-ZrO2复合镀层的耐蚀性显著提高。原因是纳米二氧化锆的加入，能在一定程度上细化基质晶粒，得到更加均匀、致密的镀层，使得孔隙率降低。

图1 (Ni-Fe)-ZrO2复合镀层的极化曲线

2.2.2 热处理温度对耐蚀性的影响

在最优工艺条件下制备(Ni-Fe)-ZrO2复合镀层三个样品进行热处理实验。θ分别为300、400和500℃，整个过程氩气保护，保温1h。热处理后，对三个样品进行耐蚀性测试，测试结果如图2所示。由图2可以看出，400℃热处理后样品的 Jcorr为0.724 3mA/m2，低于 300℃ (Jcorr为 1.681mA/m2)和500℃(Jcorr为1.014mA/m2)热处理的样品的腐蚀电流密度，表明适当的热处理可以提高镀层的耐腐蚀性能。分析原因是在热处理过程中镀层的微观结构发生了细微的变化，且施镀过程吸附在镀层表面的一些气泡被除去，从而使得镀层更加致密，耐蚀性得以提高。

图2 热处理后(Ni-Fe)-ZrO2复合镀层的极化曲线

2.3 镀层的表面形貌

采用扫描电子显微镜(SEM)对(Ni-Fe)-ZrO2复合镀层的表面形貌进行测试，结果如图3所示。由图3可以看出，所得镀层为块状，纳米微粒包覆在这些块状凸起中。同时也发现纳米微粒在镀层表面分布不是很均匀，这可能与镀液性能及分散工艺有关。

图3 (Ni-Fe)-ZrO2复合镀层的SEM照片

3 结论

1)正交试验结果表明，当Jκ为2A/dm2、pH为4、θ为50℃、ZrO2纳米微粒质量浓度为8g/L时，(Ni-Fe)-ZrO2复合镀层的硬度最高，达到1 000HV以上。

2)对(Ni-Fe)-ZrO2复合镀层的耐蚀性测试和硬度测试表明，二氧化锆微粒的加入，明显提高了镀层的耐蚀性和硬度。

3)对(Ni-Fe)-ZrO2复合镀层的表面形貌测试表明，二氧化锆微粒已经成功包覆于镀层中，但是在镀层中的分散不是很均匀，需要进一步优化分散工艺。

［1］舒绪刚，何湘柱，黄慧民，等.纳米ZrO2在复合镀中的应用［J］.机械工程材料，2008，32(3):1-4.

［2］李爱昌.(Ni-W)-ZrO2非晶复合镀层的制备及其性能［J］.材料保护，2000，33(7):11-12.

［3］杨防祖，马兆海，黄令，等.电沉积非晶态 Ni-W-B/ZrO2复合镀层及其结构与性能［J］.物理化学学报，2004，(12):1411-1416.

［4］舒霞，李云，吴玉程，等.Ni-W-ZrO2复合镀层的制备及耐腐蚀性能［J］.复合材料学报，2007，24(6):116-120.

Preparation and Properties of(Ni-Fe)-ZrO2Composite Coating

JIANG Ji-qiong，DENG Xing-shen，LI Wen-yu
(College of Chemistry and Bioengineering，Guilin University of Technology，Guilin 541004，China)

(Ni-Fe)-ZrO2composite coating was prepared by electroplating from sulphate electrolyte system.Effect of ZrO2content in the bath on the coating hardness was investigated，physical and chemical properties of the coating were determined.Results showed that ZrO2particles were successfully deposited in the composite coating.Under ZrO2content of 4g/L in the bath，the composite coating had the highest hardness with improved corrosion resistance.

hardness;zirconium dioxide;corrosion resistance;(Ni-Fe)-ZrO2composite coating

TQ153.2

A

1001-3849(2012)05-0036-03

2011-07-12

2011-09-16