热喷涂用 Ni 包 FeS 粉末的化学镀法制备与研究
高海军，王引真，李方坡，潘蛟亮
中国表面工程
摘 要：为防止热喷涂过程中 FeS 的氧化烧损，采用化学镀方法对平均粒径为 31 μm（400 目）的 FeS 粉末进行化学镀镍，制备出了 FeS 粉末表面完整包覆镍的适合热喷涂的复合粉末。利用正交试验优化出了镀液最佳组分及镀覆的最佳工艺；同时分析了主要工艺条件对镀覆效果的影响；运用 XRD、SEM 和粉末剖面金相对样品进行形貌观察和分析表征。结果表明，溶液中的镍离子浓度、次磷酸钠浓度、温度以及 pH 值的增大，都会加快沉积速度；文中试验条件下，可在原始的 FeS 粉末颗粒表面包覆了一层致密均匀的镍层。
0 引 言
目前，摩擦引起的能量损耗与磨损所引起的材料消耗在经济上造成了巨大的损失[1]。面对摩擦和磨损，我们可以采用有效的润滑来控制。润滑可分为流体润滑和固体润滑，前者已广泛地应用在齿轮、滚动轴承等机械零部件中，但在真空、高温、接触面积大等的表面则表现出了很大的局限性，而后者在这些方面则表现出了相当的活力。在众多的固体润滑剂中，FeS 由于其与基体的良好的结合性能、优异的摩擦学性能以及低廉的成本，成了钢铁材料表面理想的润滑剂[2]。随着热喷涂技术的发展，成本低廉的 FeS 可以更加广泛的应用到各种金属、非金属以及复合材料上。但是由于热喷涂时温度高，直接喷涂 FeS 烧损严重。为此通过对 FeS 粉末表面改性处理，使其在喷涂过程中少受或者不受烧损。
粉体材料的表面改性方法有多种，如物理机械法、气相沉积法、共沉淀法、溶胶-凝胶法、化学镀法等[3~5]。其中, 化学镀法具有设备低廉、操作方便、工艺简单、包覆效果较好等优点，而成为常用的包覆方法[6]。近年来，国内外采用化学镀法制备镍包覆块体材料已经做了大量研究，并取得了一定的成就，对粉末的包覆虽也做了很多研究，但采用化学镀法制备镍包覆 FeS 的报道并不多见。
文中采用硫酸镍做主盐，次磷酸钠做还原剂，柠檬酸钠做络合剂，制备出了表面完整包覆镍的 FeS 粉末，并利用正交设计法，优化了镀液组成和镀覆工艺，并探讨了相关的主要影响因素。
1 试 验
1.1 试验原料及仪器
硫酸镍(AR)，次磷酸钠(AR)，柠檬酸钠(AR)，硝酸银(AR)，氢氧化钠(AR)，氯化亚锡(AR)，硫脲，硫化亚铁分析纯，无水乙醇(AR)，去离子水。行星式球摩机，恒温水浴锅(精度为 0.1 ℃)，JJ21 型精密增力电力搅拌器，ZK282A 型真空干燥箱，BS–210S 型电子分析天平，TDL240B 型台式离心机。
1.2 施镀
球磨好的平均粒径为 31 μm（400 目）的 FeS粉末经过无水乙醇除油、表面敏化活化之后即可以开始进行化学镀镍，镀液组成成分见表 1。
所需量的硫酸镍，次磷酸钠，柠檬酸钠等分别用少量去离子水溶解，把硫酸镍溶液加入柠檬酸钠溶液中；加硫脲；然后把次磷酸钠溶液加入到以上混合液中，用氢氧化钠溶液调镀液至所要求的体积和 pH 值。在以上过程中均需不断搅拌。将其放入恒温水浴中，待镀液达到预定温度后，把经过预处理的平均粒径为31 μm的FeS粉末加入到镀液中施镀，并不断搅拌。施镀 30 min 后取出，将粉末与镀液分离，粉体经去离子水洗涤并低温烘干后称重，按粉体相对增重（每克粉末样品镀后增加的质量）来衡量沉积效果。
1.3 正交设计试验
利用正交设计方法来选择化学镀镍的最佳配方。试验主要考察五个因素：硫酸镍、次磷酸钠、柠檬酸钠、温度、pH 值，每因素选取四水平，因素水平设计如表 2 所示。利用 L16(45)正交设计表格[7]，进行 5 因素 4 水平的实验设计，正交设计及试验结果见表 3。镀液总体积为 150 ml，粉末质量为1 g。
2 结果与讨论
2.1 正交设计试验结果
正交优化试验结果见表 3，从表 3 中可以看出，在文中试验条件下，设计化学镀镍的最佳配方为：硫酸镍 20 g/L，次磷酸钠 20 g/L，柠檬酸钠 18 g/L，温度 85 ℃，pH 值为 9.5。
2.2 各因素对沉积效率的影响
2.2.1 镍离子浓度对沉积效率的影响
试验在次磷酸钠（20 g/L），柠檬酸钠（18 g/L），温度 85 ℃，pH=9.5 的条件下进行了硫酸镍浓度的影响分析，见图 1。由图可见，粉末的相对增重质量随着镀液中硫酸镍浓度的增加而增大。硫酸镍浓度小于 20 g/L 时，适当增加镀液中硫酸镍的浓度，会加快反应速度，使金属镍粒子的沉积效率加大。当其浓度达到 20 g/L 后，粉末增重趋势减小。主要是由于增大主盐浓度会降低镀液的稳定性，过高的浓度会使大量的镍离子析出，导致镀液自然分解失效。
2.2.2 次磷酸钠浓度对沉积效率的影响
此试验在硫酸镍（20 g/L），柠檬酸钠（18 g/L），温度85 ℃，pH=9.5的条件下变化次磷酸酸钠浓度进行其对沉积效率的影响分析，分析结果见图2。试验表明，还原剂浓度对粉末的相对增重质量有较大影响。次磷酸钠浓度增加，沉积效率显著增大，但当达到25 g/L时，反而有所下降。这是因为其浓度过高不仅不能进一步增大镀速，还会导致化学镀反应过程中大量析氢[8]，使镀液稳定性大大下降，不能维持正常反应。
2.2.3 温度对沉积效率的影响
温度是影响化学镀反应的重要参数。试验在硫酸镍浓度为 20 g/L，次磷酸钠浓度为 20 g/L，柠檬酸钠浓度 18 g/L，pH 值为 9.5 的条件下进行了温度的影响分析，结果见图 3。当 T<70 ℃时，镀后粉末增重很小，随着溶液温度的升高，镍的沉积速率也增大，当 T>85 ℃，这种增长趋于平缓。这是由于化学镀反应是一个吸热的还原反应，当温度较低时，反应物在溶液中的扩散较慢，反应速度受反应物的扩散速度控制，因此沉积速度较慢；随着温度的升高，离子扩散加快，反应活性加强，此时温度的升高对反应速度有明显的影响；温度较高时，离子扩散速度很快，金属很快覆盖了 FeS 颗粒表面，这时反应以 FeS 颗粒表面金属层自催化作用为主，因此速度较快，同时速度增长也趋于平缓。
2.2.4 镀液 pH 值对沉积效率的影响
镀液 pH 值是影响镀速的另一个重要参数。为探讨其影响，实验在硫酸镍浓度 20 g/L，次磷酸钠浓度 20 g/L，柠檬酸钠浓度 18 g/L，温度 85 ℃的条件下进行溶液的 pH 值影响分析，见图 4。由图可知，当 pH<8.0 时，沉积效率很低，接近于零，这说明此时反应进行程度很少；随 pH 值的增加，沉积速度也迅速增加。但在试验中，如果 pH 值过高，会使镀液中产生大量的 Ni(OH)2沉淀，镀液稳定性大大下降。
2.3 镀后粉末组织形貌分析
图5 是最佳工艺条件下包覆粉末的截面金相显微照片，其中(a)图是镀前粉末金相，(b)图是镀后的粉末金相，由图可以看出，镀后粉末粒子周围均匀的包覆了一层金属镍。粒子周围的深灰色物质为Ni 合金层，包覆层较完整。
图 6 是镀后粉末的 X 射线衍射谱线，由图知，镀后粉末除原始组织外，还含有次磷酸钠做还原剂化学镀镍的典型组织，即镍磷合金。图 7 是粉末的 SEM 照片。其中图 7(a)是镀前粉末的 SEM 照片，图 7(b)和图 7(c)分别是镀后粉末的低倍和高倍的 SEM 照片。由图可以看出镀后样品颗粒表面大部分较完整的包覆上了一层镍合金层，不过由于镍及镍磷合金生长速度不均匀而出现了少量的突起，甚至少量粒子间由于镍及镍磷合金生长引起的搭接和游离的镍合金微粒吸附而形成了一些瘤状物。
3 结 论
(1) 根据正交试验，FeS 粉末化学镀镍的最佳工艺为：硫酸镍浓度为 20 g/L，次磷酸钠浓度为 20 g/L，柠檬酸钠浓度 18 g/L，温度 85 ℃，PH 值为 9.5；
 
(2) 在各影响因素中，硫酸镍浓度、次磷酸钠浓度、温度以及 PH 值的适当增大，都会加快沉积速度；
(3) 镀后粉末镶嵌晶相、XRD、SEM 表明，实验成功制得了表面包覆均匀、致密镍合金层的 Ni包覆 FeS 粉末，从而可以有效防止原始 FeS 粉末在喷涂过程中的氧化烧损。
参考文献：
[1] 张剑峰，周志芳．摩擦磨损与抗磨技术 [M]．天津：天津科技翻译出版公司，1993:2-4.
[2] 王超会，王典亮，王铀．硫化物自润滑涂层的制作方法及其前景展望 [J]. 热加工工艺，2005 (11):70-72.
[3] 武士德，王浩，王萍, 等. 表面包覆技术在陶瓷技术中的应用改性 [J]. 现代技术陶瓷，2000(4):18-21.
[4] 马千里，顾利霞. 复合微球的制备、性能及应用 [J].离子交换与吸附，2000，16(1): 88-96.
[5] Liang H，Ueno A，Shinoh ARA K. UV Protection effectiveness of plastic particles coated with titanium dioxide by rotational impact blending [J]. Chemical Engineering Research and Design，2000,78(A):49-54.
[6] 姜晓霞，沈伟. 化学镀理论及实践 [M]．北京:国防工业出版社，2000:3-107.
[7] 金良超. 正交设计与多指标分析 [M]. 北京:中国铁道出版社，1988:177-178.
[8] 蒋太祥，吴辉煌. 化学镀 Ni-P-B 合金溶液的稳定性及镀层结构的研究 [J]. 材料保护，2000 (04):1-4.
本站文章未经允许不得转载；如欲转载请注明出处，北京桑尧科技开发有限公司网址：http://www.sunspraying.com/
|
