【導(dǎo)讀】程，是使普通的金屬材料表面獲得高硬度、高耐腐蝕等性能，最直接和最有效的方法。能，它的出現(xiàn)給復(fù)合電鍍技術(shù)帶來了新的發(fā)展方向。層工藝的影響因素進(jìn)行了研究，該實(shí)驗(yàn)以脈沖電源為施鍍電源，以硬度作為考察指標(biāo)，。由此最佳工藝條件下制備出的Ni—ZrO2納米復(fù)合鍍層硬度值高、耐蝕性。好、且組織結(jié)構(gòu)性能良好。人類的物質(zhì)文明推向一個(gè)新階段。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在美國(guó)每年因磨損而造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)4200億美元，相當(dāng)于其國(guó)民生。對(duì)金屬材料的保護(hù)應(yīng)用研究工作仍有相當(dāng)差距。據(jù)報(bào)道，中國(guó)石油工業(yè)的金屬腐蝕損失。料表面改性技術(shù)已成為材料科學(xué)領(lǐng)域中的熱點(diǎn)課題之一。納米材料以其優(yōu)異的物。外得到了普遍的重視。實(shí)踐證明，在鍍層中引入高度彌散的納米粒子，構(gòu)成所謂納米復(fù)。合鍍層，其表面電接觸特性會(huì)發(fā)生很大變化，并可按照設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)功能性的改進(jìn)。的制取，后者有助于進(jìn)一步發(fā)揮復(fù)合鍍層的最佳功能。一個(gè)氧化還原的過程，屬于電化學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)分支[5]。對(duì)這個(gè)過程的形象說法，就

　　

【正文】 ，它是電沉積過程中不可忽視的一個(gè)環(huán)節(jié)。 鍍液的配制 配制一種符合要求的鍍鎳溶液，對(duì)于保證穩(wěn)定生產(chǎn)，提高鎳層質(zhì)量，減少故障發(fā)生等有決定意義。通常，配制一種理想的鍍鎳溶液，應(yīng)符合以下要求： （ 1） 鍍液成分符合工藝配方范圍。 （ 2） 無各種有害鍍鎳的雜質(zhì)存在。 （ 3） 經(jīng)短時(shí)間電解處理后能及時(shí)正常生產(chǎn)等等。 因此，配制各種鍍鎳溶液絕不是一件簡(jiǎn)單的稱量和溶解的過程，必須引起足夠的重視，否則，在配槽過程中任何環(huán)節(jié)的粗心大意，往往會(huì)引起故障或原材料損失等，甚至延誤正常生產(chǎn)進(jìn)行 [26]。 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 第 25 頁(yè) 鍍液的配制工藝如下： 稱量藥品 → 溶解 → 加入分 散好的納米顆粒 → 鍍液。 在此工藝中，納米顆粒的分散至關(guān)重要。納米顆粒的分散方法很多，例如，添加表面活性劑，機(jī)械分散法，超聲波分散法以及各種方法的混用。本實(shí)驗(yàn)采用了添加表面活性劑與超聲波分散相結(jié)合的方法，使表面活性劑吸附在納米粒子表面從而降低納米粒子表面能，改善粒子的分散狀況。 先將納米顆粒用少量去離子水潤(rùn)濕并用超聲波攪拌 30 min， 分多次少量 加入表面活性劑并用超聲波分散 30 min， 再將 納米微粒混合液加入鍍液中，繼續(xù)用超聲波攪拌 1 h。 鍍前處理 當(dāng)金屬鍍件表面粗糙不平，或者有砂眼、裂紋 、氣孔之類的缺陷時(shí)，鍍液容易殘留在缺陷后，會(huì)使鍍層出現(xiàn)“黑斑”或泛“白點(diǎn)”，或由于殘留缺陷內(nèi)的酸腐蝕而放出氫氣，使鍍層鼓泡甚至脫落，而且粗糙或有缺陷的表面得不到光亮、光滑的鍍層，鍍件表面存留有塵埃、金屬加工粉末時(shí)，鍍層將會(huì)出現(xiàn)毛刺或結(jié)瘤，如果脫落會(huì)使鍍層產(chǎn)生小坑等。 實(shí)踐證明，鍍層出現(xiàn)的各種質(zhì)量問題及疵病，如鼓泡、麻點(diǎn)、花斑及局部無鍍層甚至鍍層脫落等現(xiàn)象，大多并非電鍍工藝造成的，而是鍍前處理不當(dāng)、不徹底造成的，與鍍前處理的質(zhì)量關(guān)系重大。因此，要獲得優(yōu)質(zhì)的鍍層，選擇合理可行的鍍前處理工藝，并認(rèn)真嚴(yán)格地 執(zhí)行操作是十分關(guān)鍵的問題 [27]。 整平是為了使 電鍍前的工件光滑平整，包括磨光、機(jī)械拋光、滾光、噴砂處理等。 1． 磨光 磨光是借助粘有磨料的特制磨光輪（或磨光帶）的高速旋轉(zhuǎn)，對(duì)工件表面切削的工程。由于施加在磨輪與工件之間的壓力，迫使具有鋒利棱邊和高硬度的磨料顆粒切削工件的表面，以磨去工件表面的各種宏觀缺陷，如腐蝕痕、劃痕、焊渣、砂眼等，是表面的 粗糙度值降低，提高工件平整和光亮度。 除了對(duì)個(gè)別圓形或形狀規(guī)則工件可用自動(dòng)磨光機(jī)外，一般仍以手工磨光為主，操作時(shí)應(yīng)根據(jù)工件的形狀，眼觀手動(dòng)，將工件表面磨 光到符合質(zhì)量的要求 [5]。 為了提高鍍層質(zhì)量 ， 在電鍍之前對(duì)基體表面用金相砂紙進(jìn)行適當(dāng)?shù)拇蚰ヌ幚怼? 2． 除油 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 第 26 頁(yè) 工件上的油脂一般可分為可皂化性油脂和非皂化行油脂兩大類。也可以說是分為動(dòng)植物油脂和礦物油兩大類。這些油脂都是有機(jī)化合物，大多數(shù)都是不溶解與水而溶于有機(jī)溶劑的 [27]。 有機(jī)溶劑除油是利用有機(jī)溶劑可將工件上的油溶解下來的原理除油。這種方法一般只適應(yīng)于形狀特殊的工件、特大件、少批量高精度件的除油 [28]。 本實(shí)驗(yàn)采用棉花蘸取適量的無水乙醇，在工件表面進(jìn)行擦拭，以清除表面的油污 [27]。直到工件表面全部被水潤(rùn)濕 [27]。 3． 浸蝕 浸蝕是將金屬工件浸入到酸、酸性鹽或緩蝕劑等溶液中，以除去金屬表面的氧化膜、氧化皮和銹蝕產(chǎn)物的工程。根據(jù)浸蝕方法的不同，可分為化學(xué)浸蝕和電化學(xué)浸蝕 [5]。 經(jīng)過浸蝕處理的工件表面處于活化狀態(tài) [27]。 使金屬的結(jié)晶組織呈現(xiàn)出來，從而保證鍍層與基質(zhì)金屬的緊密結(jié)合。 硫酸是三氧化硫的水合物，一般的濃硫酸其濃度為 98%，價(jià)格便宜，對(duì)水的穩(wěn)定性好，在浸蝕除銹中應(yīng)用廣泛。但高濃度并不能顯著提高硫酸溶液的浸蝕能力，提高溫度可增強(qiáng)其浸蝕能力，提高除銹速度和效率，但溫度太高會(huì)加速鋼鐵基體的腐蝕和增加析氫， 所以一般在不超過 60 ℃ 范圍內(nèi)使用 [5]。 本實(shí)驗(yàn)所采用的浸蝕溶液配方及工藝如 表 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 施鍍 將已經(jīng)過鍍前處理的銅片， 用粘貼絕緣膠布的方法遮蔽非鍍表面和固定電接觸點(diǎn)。將鍍件與陽極材料 放入 已調(diào)整好溫度及 pH 值得 電鍍?nèi)芤褐?。鍍件施鍍表面面向陽極，接通電源進(jìn)行電鍍，同時(shí)使用恒溫 水浴鍋 磁力攪拌器對(duì)鍍液進(jìn)行攪拌。 此過程要特別注意考察工藝條件的變化，如電流密度、溫度等。同時(shí)，要定期調(diào)整鍍液的 pH 值。 分析方法 鍍層硬度的測(cè)定 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 第 27 頁(yè) 鍍層的硬度是指鍍層對(duì)外力所引起的局部表面形變的抗性強(qiáng)度，即抵抗另一物體侵入的強(qiáng)度。 鍍層硬度的測(cè)定方法是將一個(gè)小鋼球或金剛錐在一定載荷下壓入試樣，載荷與印跡面積之比即為鍍層的顯微硬度值 [6]。 在該 試 驗(yàn)中測(cè)試鍍層的維 氏 硬度。載荷 100 kgf，加載時(shí)間 10～ 15 s，每個(gè)鍍件取上 、中、 下 三 個(gè)點(diǎn)的壓痕硬度值，再取平均值。 顯微硬度 計(jì)的主要部分是直立顯微鏡和一個(gè)與加壓裝置相連的金剛石正 方錐體，稱為維氏錐體。其相對(duì)斜面的交角為 136176。，壓跡為正方形 ,二對(duì)角線相等，見 圖。 取 一定的載荷 P，將維氏錐體壓入試樣，其單位面積壓跡上的壓力，即為顯微硬度值 [26]： 圖 2. 4 顯微硬度的壓跡 2 2sin2daPHV ? 因?yàn)椋? ??136a 所以： d PHV ? （ 2. 6） 式中： p ——載荷 d——壓跡對(duì)角線長(zhǎng)度平均值（毫米）。 把顯微鏡十字絲對(duì)準(zhǔn)壓跡凹坑，用目鏡測(cè)微器測(cè)量凹坑對(duì)角線長(zhǎng)度 [5]。 鍍層沉積速率的測(cè)定 鍍件 鍍前鍍后均精確稱量重量，根據(jù)增重計(jì)算單位面積單位時(shí)間內(nèi)的增重，推算出沉積速 率 ： tSMv ???? (mg/cm2h ) （ 2. 7） 式中： M? ——施鍍前后鍍件的增重 (mg) t? ——沉積時(shí)間 (h) S——鍍件的表面積 (cm2) α遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 第 28 頁(yè) 鍍層電化學(xué)腐蝕的測(cè)定 電解腐蝕試驗(yàn)原理是，把試樣放入電解液中，從外部通入電流，試樣做陽極，鍍層表面發(fā)生陽極反應(yīng)，尤其是鍍層空隙處發(fā)生溶解，從而促進(jìn)了表面 的電化學(xué)腐蝕，縮短了試驗(yàn)周期。測(cè)量線路如 圖 所示[6]。 陽極極化曲線用線性掃描方法測(cè)試。本試驗(yàn)采用 Autolab PGSTAT302電化 學(xué)分析儀測(cè)得體系的極化曲線。可以從極化曲線變化趨勢(shì)，定性地推斷金屬受腐蝕的情況。試樣處于相同的腐蝕介質(zhì)中，非剝蝕面用環(huán)氧樹脂密封，工作面經(jīng)無水乙醇除油，蒸餾水清洗 ， 在自然空氣中干燥，工 圖 2. 5 電解腐蝕試驗(yàn)線路 作面積約為 ，以飽和甘汞電極 (SCE)為參比電極，鉑電極為對(duì)電極。所有的測(cè)試均在室溫下完成。掃描范圍從 1~1 V，掃描速度為 V/s，待試樣表面在溶液中穩(wěn)定 8 min 后進(jìn)行線性掃描，借助于 Tafel 公式： ibaEE corr lg??? 應(yīng)用極化曲線外推法，求出鍍件的腐蝕電流密度 Icorr。 鍍層的表面形貌觀察 采用金相顯微鏡對(duì) 脈沖單金屬鎳 鍍層進(jìn)行表面形貌觀察。觀察前用無水乙醇或丙醇擦拭表面，以除去試樣表面的油漬和灰塵。觀察過程中，選用的放大倍率為 400 倍，采集的圖象應(yīng)在實(shí)驗(yàn)允許的條件下調(diào)至最清晰狀態(tài)。 23456 7+ 11——恒電勢(shì)儀； 2——陰極； 3——陽極； 4——參比電極； 5——帶螺釘?shù)?C 形鉗； 6——魯金毛細(xì)管； 7——電解槽 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 第 29 頁(yè) 3 納米復(fù)合電鍍工藝優(yōu)化 在生產(chǎn)斗爭(zhēng)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，為了實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低消耗，往往需要進(jìn)行試驗(yàn)，來尋找比較適合的生產(chǎn)條件。有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的讀者都知道實(shí)驗(yàn)安排得好，次數(shù)不多，就能獲得有用的信息，通過科學(xué)的分析，可以幫助特人們了解矛盾各方面的具體的地位以及矛盾的具體的相互關(guān)系，掌握內(nèi)在的規(guī)律，得到明確的結(jié)論。如果試驗(yàn)的計(jì)劃和安排不妥，往往次數(shù)很多，仍然捉摸不到其中的變化規(guī)律，得不到滿意的結(jié)論。因此，如何合理地安排試驗(yàn)，如何對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行科學(xué)的分析，就成為 人們十分關(guān)心的問題。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的推動(dòng)下，這方面的實(shí)踐和研究形成了統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)的一個(gè)重要分支 ——試驗(yàn)設(shè)計(jì)，并得到了廣泛的應(yīng)用 。 Ni—ZrO2納米復(fù)合電沉積過程中，合適的工藝參數(shù)是獲得高質(zhì)量復(fù)合鍍層的前提條件。為了探討各因素對(duì)納米復(fù)合鍍層質(zhì)量的影響，以選出最佳的電鍍工藝條件。本章在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以復(fù)合鍍層的硬度為指標(biāo)，采用四因素三水平，按 L9(34)正交實(shí)驗(yàn)對(duì)納米復(fù)合電鍍工藝進(jìn)行優(yōu)化。 正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì) 據(jù)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件及其可行性，這里控制鍍液 pH 值為 ～ 、溫度為 35～ 45 ℃及中 速攪拌條件下，用 L9(34)正交表對(duì)納米復(fù)合鍍層的硬度有較大影響的脈沖電流頻率、占空比及 ZrO2粒子加入量進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，其因素 水平表及正交表見 表 及 表 。 表 3. 1 L9(34)因素 ——水平表 水平 因 素 A 頻率 (Hz) B 占空比 (%) C ZrO2濃度（ g/L） 1 1000 40 7 2 1500 50 9 3 2021 60 11 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 第 30 頁(yè) 表 3. 2 L9(34)正交實(shí)驗(yàn)方案 序號(hào) 水 平 因 素 A 頻率（ Hz） B 占空比（ %） C ZrO2 濃度（ g/L） 1 1 1 1 2 1 2 2 3 1 3 3 4 2 1 2 5 2 2 3 6 2 3 1 7 3 1 3 8 3 2 1 9 3 3 2 計(jì)算對(duì)應(yīng)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，可得最后的正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，如表 所示。 表 3. 3 正交試驗(yàn)結(jié)果 序號(hào) 水 平 因素 A 頻率（ Hz） B 占空比（ %） C ZrO2濃度（ g/L） 硬度（ HV） 1 1000（ 1） 40（ 1） 7（ 1） 2 1000（ 1） 50（ 2） 9（ 2） 3 1000（ 1） 60（ 3） 11（ 3） 4 1500（ 2） 40（ 1） 9（ 2） 5 1500（ 2） 50（ 2） 11（ 3） 6 1500（ 2） 60（ 3） 7（ 1） 7 2021（ 3） 40（ 1） 11（ 3） 8 2021（ 3） 50（ 2） 7（ 1） 9 2021（ 3） 60（ 3） 9（ 2） K1 — K2 — K3 — k1 — k2 — k3 — R — 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 第 31 頁(yè) 試驗(yàn)結(jié)果的分析 由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，頻率取 1500 Hz 比 1000 Hz、 2021 Hz 好，這是因?yàn)轭l率是 1500 Hz 的三個(gè)試驗(yàn)的硬度，平均比 1000 Hz 的三個(gè)試驗(yàn)，以及 2021 Hz 的三個(gè)試驗(yàn)的硬度都高，我們把這個(gè)直觀經(jīng)驗(yàn)歸納成一般方法，就是比較因素的在各個(gè)水平下的平均硬度，找出該因素使硬度最高的水平來。 極差的大小反映了因素變化時(shí)試驗(yàn)指標(biāo)的變化幅度，所以因素的極差越大，就是因素對(duì)指標(biāo)的影響越大，它就越重要。有次可知， 頻率對(duì)硬度的影響最大，是主要因素，ZrO2粒子加入量 次之，占空比更次。即它們的主次順序是： 主 → 次 A C B 由于主要因素的水平的變化對(duì)指標(biāo)的影響較大，所以我們必須控制好它在最好水平，例如頻率的變化為 1000 Hz～ 1500 Hz～ 2021 Hz時(shí)，平均硬度的變化是 ～ ～，相差較大，所以必須取頻率為 1500 Hz， ZrO2粒子加入量 是第二重要的因素，而且濃度為 7 g/L 的硬度明顯比 9 g/L、 11 g/L 要高，所以也應(yīng)該取 濃度為 7 g/L，占空比是次要因素，且占空比為 60%獲得的硬度也比占空比為 40%和 50%獲得的硬度高，所以占空比 去 60%， 因此 A2B3C1是較好的生產(chǎn)條件。 為了更直觀起見，可用因素的水平作橫坐標(biāo)，平均硬度作縱坐標(biāo)，作出因素與指標(biāo)的關(guān)系圖。對(duì)于各因素，按照該因素?cái)?shù)量的大小順序用折線把各點(diǎn)連起來；如圖 所示。 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 第 32 頁(yè) 40 50 60 7 9 111601802002202401000 1500 2021___