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1、电铸Ni2CeO2纳米复合材料的工艺研究孙 勇 薛玉君 李济顺 吴明远(河南科技大学)摘 要 用电铸法制备了Ni2CeO2纳米复合材料,考察了镀液中CeO2纳米颗粒浓度、阴极电流密度、镀液温度对纳米复合材料中CeO2含量及纳米复合材料显微硬度的影响,对纳米复合材料的表面形貌进行了分析。结果表明,制备Ni2CeO2纳米复合材料的最佳工艺条件为纳米颗粒添加量为40 g/L,阴极电流密度为4 A/dm2,镀液温度为55,pH值为3.8;在最佳工艺条件下可得到CeO2质量分数为8.5%的Ni2CeO2纳米复合材料,其表面光滑平整、组织均匀致密,且显微硬度HV达到598,较纯镍有显著提高。关键词 电铸;
2、纳米复合材料;CeO2;纳米颗粒中图分类号 TB331;TQ153.4 文献标志码 A 文章编号 1001-2249(2006)11-0730-03 纳米复合材料电铸技术是利用电化学原理,将纳米颗粒与欲沉积的金属离子在阴极表面实现共沉积,以形成具有某些特殊功能的纳米复合材料的工艺1。电铸技术与传统的复合材料制备方法(如溅射铸造、粉末冶金、原位反应技术等)相比,制备温度低(一般低于100)、设备简单、成本低,不存在严重的界面反应2,被广泛应用于机械、化工和模具等领域。稀土氧化物纳米颗粒不但具有纳米材料的尺寸效应、表面效应等,更因稀土元素具有独特的4f电子层结构、大的原子磁矩和很强的自旋轨道耦合等
3、特性,引起了广大学者的关注3。稀土氧化物能明显改善金属的抗高温氧化性、耐腐蚀性3 和摩擦磨损性能4等。电铸方法制备的Ni2La2O3纳米复合材料具有较高的显微硬度和良好的耐磨性能,复合材料中La2O3含量越高,其显微硬度就越高,耐磨性也就越好5。利用电沉积方法,可获得具有较高硬度,且耐磨性能、耐蚀性能和抗高温氧化性能优良的Ni2CeO2纳米复合材料6。但用电铸法制备含CeO2纳米颗粒的金属基复合材料工艺方面的研究报道还很少。本课题研究了电铸法制备Ni2CeO2纳米复合材料的工艺,着重分析了电铸工艺参数对纳米复合材料中CeO2含量及复合材料显微硬度的影响,并对复合材料表面形貌进行了分析。1 试验
4、设备与工艺基础镀液质量浓度组成:NiSO46H2O为300 g/L,NiCl2为10 g/L,H3BO4为40 g/L,C12H25SO4Na为0.2g/L。所选用试剂都为分析纯或化学纯,CeO2纳米颗粒直径为30 nm左右。试验工艺参数:在pH值恒定为318的条件下,CeO2纳米颗粒添加量为580 g/L,阴极电流密度为210 A/dm2,温度为2565,试验过程中搅拌强度以纳米颗粒可充分悬浮为准。为使纳米颗粒充分润湿且均匀分散于镀液中,试验前对镀液同时进行超声分散和磁力搅拌处理60 min。试验阴极采用不锈钢片,阳极为电解镍板,镍板纯度为99.99%,阴、阳极面积之比为23,极间距为30m
5、m。电源采用TPR3010H恒流稳压电源,配以78HW21恒温加热磁力搅拌器进行磁力搅拌。用JS M25610LV扫描电镜(SEM)对纳米复合材料进行表面形貌和成分分析。在HVS21000型数显显微硬度计上测定纳米复合材料显微硬度,载荷0.49 N,保持时间10 s,对每个试样的中央和4角边缘处进行测定,取其平均值。收稿日期:2006-06-30基金项目:清华大学摩擦学国家重点实验室开放基金资助项目(SKLT04203);河南科技大学重大科学前期预研专项(2004ZD003);河南省高校创新人才基金资助项目(2005-16)第一作者简介:孙勇,男,1982年出生,硕士研究生,河南科技大学机电学
6、院,河南洛阳(471003),电话:0379-64244080,E-mail:sunyong-2 王绍雄.铜和铜合金在电子工业中的新趋向.铜加工,1992(3):683 金子秀夫.新型合金材料.胡本芙译.北京:宇航工业出版社,1989.4 王隆寿.宝钢铬锆铜结晶器铜板的研制.冶金设备,1999,12(6):34365MotohisaM.Development Trends in New Copper forLead-frame.Journalof the Japan Copper and Brass Research Association,1990,29:18206 温宏权.高速列车用新型铜
7、合金接触线.材料导报,1998,12(1):25287 尹志民,高培庆,汪明朴,等.高速列车用大功率异卡牵引电动机铜合金导条和护环.中国发明专利,99101884.9.1999.8Kiyoushi I,Masakaxu A.Characterization of Cu2Al2O3Nano2scale Com2posite Synthesized by in Situ Reduction.Materials Transaction,1993,34(8):7187219 赵乃勤.粉末冶金真空热压法制备WC/Cu复合电阻焊电极.兵器材料科学与工程,1997(5):293210 刘金明,韩宝军.Al(
8、NO3)3分解温度对铜基复合材料性能的影响.中国有色工程,2005(12):2123(编辑:刘 卫)037复 合 材 料特种铸造及有色合金 2006年第26卷第11期2 结果与分析2.1 镀液中CeO2添加量的影响图1为CeO2纳米颗粒的添加量与纳米复合材料中CeO2含量、纳米复合材料显微硬度的关系,试验工艺条件为:电流密度4 A/dm2,温度45,添加量分别选取5,10,20,30,40,80 g/L。从图1可以看出,随着CeO2添加量的增加,纳米复合材料中CeO2含量逐渐增大。镀液中纳米颗粒浓度增大,在单位时间内通过搅拌作用被输送到阴极表面的颗粒数量就越多,颗粒进入沉积层的几率也就越大,即
9、纳米复合材料中CeO2的含量就越高。但是,镀液中CeO2纳米颗粒悬浮量超过40 g/L后,纳米复合材料中CeO2含量增加的幅度有所降低,且开始发生纳米颗粒团聚现象。一方面,在阴极表面吸附的纳米颗粒数量超过了基体金属的包容能力,在单位时间内沉积的基体金属无法再捕获并裹覆更多的纳米颗粒;另一方面,不导电的纳米颗粒团吸附在阴极表面,导致真实电流密度增大,引起过度析氢,阻碍了其他纳米颗粒吸附。图1 镀液中CeO2添加量对纳米复合材料中CeO2含量及复合材料显微硬度的影响从图1还可以看出,随着CeO2纳米颗粒添加量的增加,纳米复合材料显微硬度逐渐增大,在80 g/L时HV达到最大,为599,添加量从40
10、 g/L至80 g/L变化时,纳米复合材料显微硬度变化不大。纳米复合材料显微硬度与纳米复合材料中CeO2含量变化趋势大致相同。这主要是因为CeO2纳米颗粒与基体金属发生共沉积,在纳米复合材料中产生弥散强化效应,并且CeO2纳米颗粒均匀弥散分布于纳米复合材料中,可以起到阻碍晶粒中的位错滑移,从而增大纳米复合材料的硬度的作用。2.2 阴极电流密度的影响图2为阴极电流密度与纳米复合材料中CeO2含量、以及显微硬度的关系。试验工艺条件:CeO2添加量40 g/L,温度45,电流密度分别选取2,4,6,8,10 A/dm2。从图2可以看出,电流密度低于4 A/dm2时,纳米图2 阴极电流密度对纳米复合材
11、料中CeO2含量及复合材料显微硬度的影响复合材料中CeO2含量随着电流密度的增大而增大,在4 A/dm2时CeO2含量最高;当电流密度继续增大,则CeO2含量迅速降低。电流密度增大,阴极过电位也会相应增高,电场力增强,阴极对吸附着离子的纳米颗粒的静电引力增强,所以阴极电流密度增大对纳米颗粒和基体金属的共沉积有一定的促进作用。在电流密度为4 A/dm2时,CeO2在纳米复合材料中的含量达到峰值,当电流密度继续增大,则基体金属的沉积速率加快,这时基体金属的沉积速率超过纳米颗粒被输送到阴极附近并嵌入纳米复合材料中的速度,使得纳米复合材料中CeO2含量降低;此外,由于电流密度增大,可能导致阴极表面过度
12、析氢,妨碍纳米颗粒与基体金属的共沉积,这也是CeO2含量降低的原因之一。从图2还可以看出,纳米复合材料显微硬度随电流密度的增大而逐步减小,在2 A/dm2时其显微硬度最高,HV达到574,这与纳米复合材料中CeO2含量变化趋势不完全符合。电流密度越小,纳米复合材料晶粒越细、组织越致密。在电流密度为2 A/dm2时所得纳米复合材料与4 A/dm2时所得纳米复合材料相比较,前者表面平整,晶粒细小,后者虽然CeO2含量较高,但表面较前者更粗糙,晶粒粗大,导致前者显微硬度更高。因此,此时晶粒大小变化对纳米复合材料显微硬度的影响大于纳米复合材料中CeO2含量变化的影响。可见,纳米复合材料的晶粒大小和组织
13、结构也是对其显微硬度影响较大的因素。2.3 镀液温度的影响图3为镀液温度与纳米复合材料中CeO2含量、显微硬度的关系。试验工艺条件:CeO2添加量为40 g/L,电流密度为4 A/dm2,镀液温度分别选取25,35,45,55,65。从图3可以看出,随着镀液温度升高,纳米复合材料中CeO2含量呈现先增大后急剧减小的趋势,在温度为55 时,CeO2含量达到峰值。这主要是因为镀液温度升高,镀液粘度降低,使纳米颗粒更容易被传送到阴137电铸Ni2CeO2纳米复合材料的工艺研究 孙 勇等图3 镀液温度对纳米复合材料中CeO2含量及复合材料显微硬度的影响极表面,并且温度升高使镀液中离子热运动加强,纳米颗
14、粒平均动能增加,活性增强,可以提高纳米颗粒沉积速率。而温度过高时,镀液粘度大大降低,不利于纳米颗粒在镀液中的充分悬浮,纳米颗粒对阴极表面的粘附力下降;如若要使纳米颗粒充分悬浮,就必须采用更高的搅拌速度,因此必将对吸附在阴极表面的纳米颗粒造成更大的冲刷力;此外,温度升高,还会使阴极过电位降低,电场力减弱,这些都导致CeO2在纳米复合材料中的含量下降。从图3还可以看出,纳米复合材料显微硬度随温度升高呈现先急剧增大后减小的趋势,与CeO2含量的变化趋势大致相同。在55 时,纳米复合材料显微硬度最高,达到598。由上可以得出电铸Ni2CeO2纳米复合材料的最佳工艺条件为:CeO2纳米颗粒添加量为40
15、g/L,电流密度为4 A/dm2,镀液温度为55。在此工艺条件下可以得到CeO2含量为8.5%、显微硬度HV为598的纳米复合材料。其表面形貌(见图4)与纯镍材料的(见图5)相比较,表面更加平整、晶粒得到细化、组织更均匀致密,而且其显微硬度较之纯镍有明显提高。沉积过程中CeO2纳米颗粒在镀液中的无规则运动,减缓了沉积速率,使纳米复合材料更加平整,并且CeO2纳米颗粒夹杂于基体金属晶粒间,对晶粒生长起到限制作用。纳米颗粒具有比表面积大和高表面能的特点,可以增强阴极极化,纳米颗粒本身可形成晶核,提高沉积过程形核率,使纳米复合材料晶粒得到细化,组织致密。从图4还可以看出,在纳米复合材料中存在CeO2
16、纳米颗粒团聚现象,其主要原因是试验前超声分散预处理不充分,没有使纳米颗粒充分悬浮分散;在试验过程中,由于纳米颗粒的大比表面积和高表面能等特点可能再度引起纳米颗粒团聚,团聚的纳米颗粒团随基体金属共沉积进入纳米复合材料中。3 结论(1)确定了Ni2CeO2纳米复合材料的最佳电铸工艺条件为:纳米颗粒 添 加量 为40 g/L,电 流密 度 为图4 纳米复合材料SEM照片w(CeO2)=8.5%图5 纯镍SEM照片4 A/dm2,镀液温度为55,pH值3.8,充分悬浮搅拌。(2)在最佳工艺条件下得到的纳米复合材料,其CeO2质量分数为8.5%,表面光滑平整,组织均匀致密,显微硬度HV达到598,较纯镍
17、材料有显著提高。(3)CeO2纳米颗粒在电沉积过程中有细化晶粒的作用,使纳米复合材料晶粒细小,组织致密。参 考 文 献1 张文峰,朱荻,薛玉君,等.镍 2 碳化硅纳米复合电铸层的制备.特种铸造及有色合金,2004(5):9112 赵海军,刘磊,朱建华,等.复合电铸制备Ni2 石墨复合材料工艺及其沉积机理.复合材料学报,2005,22(3):92973 朱崇恩,董文魁,丁玉洁,等.稀土纳米复合氧化物的制备及应用.甘肃联合大学学报(自然科学版),2005,19(1):47494 李志勇,王宝,张汉谦.稀土氧化物对焊缝金属抗高温氧化腐蚀性能的影响.稀土,1999(2):57595 薛玉君,朱荻,靳广
18、虎,等.复合电铸Ni2La2O3纳米复合材料的组织结构和性能.中国机械工程,2004,15(17):1 5691 5726Qu N S,Zhu D,Chan K C.Fabrication of Ni2CeO2Nanocomposite byElectrodeposition.ScriptaMaterialia,2006,54(7):1 4211 425(编辑:刘 卫)沈阳市铸造协会迁址启事沈阳市铸造协会通讯地址变更如下:新地址:沈阳市铁西区贵和街1号晋斯佳苑3号楼邮 编:110025电 话:024-25611369传 真:024-25849902237特种铸造及有色合金 2006年第26卷第
19、11期CeO2,CuMatrix CompositesElectro2form ing Process of Ni2CeO2Nano2compositesSun Yong,XueYujun,Li J ishun,W u M ingyuan(Henan University of Science and Technology,Luoyang,China)2006,26(11)730732AbstractNi2CeO2nano2compositeswere prepared by an e2lectro2for ming method.Effects of CeO2particle concent
20、ra2tion in electrolyte,cathode current density and electrolytetemperature on CeO2content in the composites and the mi2cro2hardnessof the composites have been investigated,andthe surface morphology of the nano2composites has beenobserved.It is found that the optimized processing parame2ters for prepa
21、ring Ni2CeO2nano2composites can be ob2tained including CeO2particle concentration of 40 g/L,cathode current density of 4 A/dm2and electrolyte temper2ature of 55aswell as pH value of 3.8.The nano2com2posites containing 8.5%CeO2content were prepared withthe optimized processing parameters,which have s
22、moothsurface morphology and compact microstructure,and ex2hibit higher micro2hardness than those of the pure Ti,reaching 598 HV.KeyW ords:Electro2form i ng,Nano2composites,CeO2,Nano2particleEffects of Processing Techn iques on Corrosion Resist2ant of Pb2free Brass Yan J ing1,TangShengyu2,W ang Jun1,
23、Tao M ingda1,Zhao Zhen2,He Zhangli2ang1,Shen Bao luo1(1.Sichuan University,Chengdu,China;2.Sichuan LightNewMaterials Science and Tech2nology Co.,Ltd.,Chengdu,China)2006,26(11)733735Abstract Effects of different processing techniques on cor2rosion resistance of Pb2free brass have been investigated by
24、dezincification corrosion depth testing,potential tests,op2ticalmicroscope and SEM.The results show that dezincifi2cation corrosionresistance of cold2drawing Bi2brass isworse than that of hot2rolled Bi2brass and as2cast Bi2brassas a results ofphase distributed along cold2working di2rection and the i
25、ncrease of dislocation density and residualstress.The corrosion resistante of hot2rolled Bi2brass is e2quivalent to that of as2castBi2brass,which is attributed tothe dynamic recovery and recrystallization during hot2roll2ing process.The passivation phenomenon of the brass in3%NaCl solution can be ob
26、served due to the creation ofpassive film ofCu2O orCuCl2.Occurrence of pitting corro2sion in cold2drawn brass can be found after the polarizationmeasurement.Key W ords:Pb2free Brass,Bi,Cold2drawing,Hot2rolling,Dezincification,Electrochem ical CorrosionPropertyInfluences of Fe,Niand Cu on Corrosion R
27、esistance ofAXJ530 Magnesium Alloy W u Congbo,W ang Q ud2ong,Zhao Peng(Shanghai Jiaotong University,Shang2hai,China)2006,26(11)736738Abstract Effects of Fe,Ni and Cu on corrosion resistanceof AXJ530 magnesium alloy have been investigated by a5%NaCl slat spray testing and a 5%NaCl salt water im2mersi
28、on testing as well as in an electrochemical method.The effects of Fe and Cu contents less than 6.910-5onthe corrosion resistance of magnesium alloy can be al mostignored while the corrosion resistance of the magnesium al2loy is greatly deteriorated wit Ni content more than 310-6in both 5%NaCl salt w
29、ater immersion and the 5%NaCl salt spray environment.Fe or Cu addition can createsome alveolate pit in speci men surface of the AXJ530 mag2nesium alloy and Ni addition can create corrosive pitting.Effects of Fe and Ni on corrosive current density in polari2zation curves are very si milar to those of
30、 both in the 5%saltwater immersion testing and in the 5%NaCl salt spraytesting,however,the effectof Cu on corrosive current den2sity is almost ignored.Key W ords:Magnesium Alloy,Fe,Ni,Cu,Corro2sion,Polarization CurvesM icrostructure and Properties of Al2M g2Sc Alloy W eiHuakai1,HuFangyou1,Guan Rengu
31、o2(1.QingdaoBranch of Navy Aerospace Engineering University,Qingd2ao,China;2.Northeastern University,Shenyang,China)2006,26(11)739741AbstractAl25Mg2013Sc alloy plate with high comprehen2sive properties has been developed.Effects of Sc on micro2structure and properties of Al2Mg alloy were observed by
32、OM and SEM.The results show that 013%Sc addition cansignificantly refine as2cast structure in Al2Mg alloy so thatmajor dendritic structure can disappears in the microstruc2ture.Al25Mg2013Sc alloy is equivalent to 2Al2(LY12)al2loy in mechanical proerties but is higher than ones in cor2rosion resistan
33、ce in sea2water.So the Al25Mg2013Sc alloycan take place 2A12 alloy plate to be used as repairingma2terial for failure aluminum structure plate in the plane.Key W ords:Sc,Al2M g Alloy,M icristructure,Proper2ties,Plane StructureEffects of Processing Parameters on M echan ical Prop2erties ofW elding Joint forMagnesium Alloy in EACP(Equal Channel Angular Pressing)W ang Xunhong1,