1、第 I 頁遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文脈沖電鍍NiZrO2納米復(fù)合鍍層工藝及性能研究摘要復(fù)合電鍍是用電鍍的方法使金屬與固體微粒共沉積來獲得所需鍍層的一種工藝過程，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。復(fù)合鍍層中納米粒子的加入，使復(fù)合鍍層顯示出了比一般材料更為優(yōu)異的物理和化學(xué)性能，它的出現(xiàn)給復(fù)合電鍍技術(shù)帶來了新的發(fā)展方向。本文對(duì)鎳基納米ZrO2復(fù)合鍍層的脈沖電沉積工藝進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，采用正交試驗(yàn)法對(duì)脈沖電沉積鎳基納米ZrO2復(fù)合鍍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)，。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電鍍最佳工藝參數(shù)為：脈沖頻率為1500Hz、

2、ZrO2粒子濃度為7g/L、占空比為60%。由此最佳工藝條件下制備出的NiZrO2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。關(guān)鍵詞：脈沖電鍍；納米ZrO2；鍍層硬度；耐蝕性 Process and properties of pulse electroplating Ni - ZrO2 nano composite platingAbstractComposite electroplating is electroplating method so that the metal and solid particle deposition to obtain a desired coa

3、ting a process, is that ordinary metal material surface to obtain high hardness, high corrosion resistance, the most direct and effective method.Composite coating of nanoparticles to join, so that the composite coatings show than the general materials for their excellent physical and chemical proper

4、ties, it appears to the composite plating technology has brought new development direction.In this paper, ZrO2 on nickel based nano composite coating by pulse electrodeposition process was studied, using orthogonal test method for pulse electrodeposition nickel based nano composite coating process o

5、f ZrO2 were studied, the experiment with pulse power supply for plating power supply, use a durometer hardness, and the scanning electron microscope on the coating structure the observation.The experimental results show that the optimum process parameters were: electroplating, pulse frequency is 150

6、0Hz, ZrO2 particle concentration is 7g / L, 60% duty cycle.The prepared under the optimum process conditions of Ni - ZrO2 composite coating hardness high, good corrosion resistance, and good organization structure.Keywords: pulse electroplating; nanometer ZrO2; hardness; corrosion resistance第 40 頁遼寧

7、科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文1緒論人類發(fā)展的歷史證明，材料是社會(huì)進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)和先導(dǎo)，是人類進(jìn)步的里程碑。縱觀人類利用材料的歷史，可以清楚地看到，每一種重要材料的發(fā)現(xiàn)和利用，都會(huì)把人類支配和改造自然的能力提高到一個(gè)新的水平，給社會(huì)生產(chǎn)力和人類生活帶來巨大的變化。當(dāng)前以信息、生命和材料三大學(xué)科為基礎(chǔ)的世界規(guī)模的新技術(shù)革命風(fēng)涌興起，它將人類的物質(zhì)文明推向一個(gè)新階段。在新材料研究、開發(fā)和應(yīng)用，在特種性能的充分發(fā)揮以及傳統(tǒng)材料的改性等諸多方面，材料科學(xué)都肩負(fù)著重要的歷史使命。近30年，科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展，特別是尖端科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，對(duì)材料性能提出越來越高、越來越嚴(yán)和越來越多的要求。在許多方面，傳統(tǒng)的單一材料

8、已不能滿足實(shí)際需要。這些都促進(jìn)了人們對(duì)材料的研究逐步擺脫過去單純靠經(jīng)驗(yàn)的摸索方法，而向著按預(yù)定性能設(shè)計(jì)新材料的研究方向發(fā)展1。人類社會(huì)的歷史是和冶金的發(fā)展有關(guān)的。人們從事生產(chǎn)活動(dòng)及生活中都離不開金屬材料。人類早在遠(yuǎn)古時(shí)代，就開始利用了金屬，不過那時(shí)是利用自然狀態(tài)存在的少數(shù)幾種金屬，如金、銀、銅及隕石鐵，后來才逐漸發(fā)現(xiàn)了從礦石中提取金屬的方法2。金屬材料在使用過程中往往是表面最先受到破壞，而磨損和腐蝕則是兩種最主要的破壞形式。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)民生產(chǎn)總值的6%。我國(guó)的金屬材料磨損和腐蝕的情況也十分嚴(yán)重，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)對(duì)金屬材料的保護(hù)應(yīng)用研

9、究工作仍有相當(dāng)差距。據(jù)報(bào)道，中國(guó)石油工業(yè)的金屬腐蝕損失每年約100億元人民幣，汽車工業(yè)和化學(xué)工業(yè)的金屬腐蝕損失均約為300億元人民幣3。因此，研究開發(fā)各種改善金屬材料表面性能的方法和技術(shù)以提高材料的使用壽命，即材料表面改性技術(shù)已成為材料科學(xué)領(lǐng)域中的熱點(diǎn)課題之一。要使普通的金屬材料表面獲得高硬度、高耐腐蝕等性能，復(fù)合電鍍是最直接和最有效的方法。納米材料以其優(yōu)異的物理和化學(xué)性能顯示出了比一般材料更為優(yōu)越的性能，它的出現(xiàn)給復(fù)合電鍍技術(shù)帶來了新的發(fā)展方向。而將納米顆粒應(yīng)用到復(fù)合電鍍中，獲得相應(yīng)的復(fù)合鍍層，這一技術(shù)在國(guó)內(nèi)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，

10、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)。例如將Ni包覆Si02納米粒子引入Ni+P/Cu鍍液中，SiO2含量為1 g/L時(shí)鍍層硬度可達(dá)600 HV，經(jīng)400 熱處理后，鍍層硬度可達(dá)900 HV；同樣引入Ni包覆Al2O3納米粒子、SiC納米粒子、金剛石粉納米粒子等，在Ni/Cu鍍層中，都能大幅度提高鍍層硬度，使其具有優(yōu)良的抗微動(dòng)摩擦性能4。納米粒子的引入和后工序加工工藝是納米電鍍的主要技術(shù)關(guān)鍵，前者保證復(fù)合鍍層的制取，后者有助于進(jìn)一步發(fā)揮復(fù)合鍍層的最佳功能。1.1電鍍基本知識(shí)1.1.1電鍍的基本概述電鍍是用電解的方法在金屬或其制品的表面上沉積一種金屬或合金層的過程。它

11、是一個(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，就是給金屬或非金屬穿上一件金屬“外衣”，此金屬“外衣”稱為電鍍層，在進(jìn)行電鍍時(shí)，將被鍍件與電源的負(fù)極相連，欲鍍覆的金屬板與電源正極相連，隨后，把它們一起放在電鍍液中，鍍液中含有欲鍍覆的金屬離子，當(dāng)接通電源時(shí)，就有電流通過，欲鍍的金屬便在陰極上沉積出來。因此，要進(jìn)行電鍍必須具備三個(gè)必要條件;電鍍?nèi)芤骸㈦姌O(陽極和陰極)以及形成有電流通過的閉合回路。復(fù)合電鍍是通過金屬電沉積的方法，將一種或數(shù)種不溶性的固體顆粒，均勻地夾雜到金屬鍍層中，形成一種特殊的鍍層。沉積的金屬或合金稱為復(fù)合鍍層的基質(zhì)，固體顆粒稱為分散劑。與普通電鍍相比，復(fù)

12、合電鍍要求沉積速度快，電流效率高，固體微粒在鍍液中應(yīng)有足夠好的懸浮狀態(tài)，有利于固體顆粒均勻地共沉積5。實(shí)際電鍍過程比上面的敘述要復(fù)雜得多，這可從下述幾個(gè)方面看出：（1） 從電源設(shè)備來說。早期多用蓄電池組和直流發(fā)電機(jī)等直流電源供電，現(xiàn)在為提高鍍層質(zhì)量，常采用周期換向電流、交直電流疊加和脈沖電流等供電方式。（2） 從施鍍的方法來說，為對(duì)于輕而薄的極小零件，則開始采用振動(dòng)鍍的方法。（3） 從操作的方式來說。以前多采用手工操作，勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低，現(xiàn)在逐步采用機(jī)械化和自動(dòng)化設(shè)備。比較先進(jìn)的是采用微機(jī)自動(dòng)控制，操作者遠(yuǎn)離鍍液，通過熒光屏來監(jiān)控電鍍現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行情況。而更先進(jìn)的電鍍生產(chǎn)線是在封閉的系統(tǒng)中自

13、動(dòng)連續(xù)進(jìn)行，大大減少了污染。（4） 從電鍍的品種來說。常用的單金屬電鍍有10多種，合金電鍍有20多種，而進(jìn)行過研究的合金鍍層則有250多種。這樣多的品種，使用的電解液是千差萬別的，因此，只有很好地控制工藝規(guī)范，才能得到合格的鍍層6。1.1.2復(fù)合鍍層的發(fā)展復(fù)合電鍍的開展已有半個(gè)多世紀(jì)。早在本世紀(jì)30年代，前蘇聯(lián)、美國(guó)等國(guó)家的學(xué)者就曾對(duì)復(fù)合電鍍技術(shù)進(jìn)行過研究。只是由于這種技術(shù)在當(dāng)時(shí)很不成熟，故未能及時(shí)引起人們的注意。自50年代初期開始，對(duì)復(fù)合電鍍做了進(jìn)一步研究。其目的是為了給飛行速度越來越高的飛機(jī)和宇航設(shè)備以及工作溫度越來越高的氣輪機(jī)部件，研制能耐高溫及在高溫下能保持足夠強(qiáng)度、耐磨損的鍍層和材料

14、7。隨著研究工作的不斷深入，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)明了多種制備復(fù)合鍍層的新工藝，制備出了多種類型的復(fù)合鍍層，找到了它們?cè)诤芏囝I(lǐng)域中的新用途。復(fù)合鍍層的發(fā)明初期，主要是以鎳、銅、鈷等單金屬為基質(zhì)金屬，以SiC、Al2O3、Cr3C2、SiO2等耐高溫的陶瓷粉末作為共沉積的夾雜物。隨著研究的深入，除陸續(xù)采用鐵、銀、鋅、鎘、金、鉻、錫、銦、鈀等單金屬作為基質(zhì)金屬外，還曾使用過銅鋅、銅錫、鎳鐵、錫鉛等合金8。用于復(fù)合電鍍的不溶性固體顆粒的種類也大大擴(kuò)展了。除原來使用過的氧化物、碳化物、氮化物之外，幾乎所有類型的陶瓷顆粒、各種金屬粉末、樹脂粉末以及石墨、MoS2、WS2、聚四氟乙烯、金剛石等均可作為共沉積的顆粒。就

15、固體顆粒大小來說，可以是直徑小于1 m的微粉，也可以是直徑大于1 cm的顆粒；既可以是長(zhǎng)度達(dá)到數(shù)米的各類纖維絲，也可以是長(zhǎng)度僅幾個(gè)微米的晶須9。過去，電鍍層的應(yīng)用主要是在防蝕與裝飾方面。單金屬與合金的功能鍍層，雖然也用了不少，但由于在鍍層品種的開發(fā)與工藝控制上遇到了困難，多年來功能鍍層的應(yīng)用進(jìn)展不快。隨著復(fù)合鍍層的出現(xiàn)，以及對(duì)它的性能和制造工藝的深入了解，功能鍍層得到了迅猛的發(fā)展8。復(fù)合電鍍已被認(rèn)為是當(dāng)前解決高溫腐蝕、高溫強(qiáng)度和磨損，以及某些特殊情況下的磨損等問題的一種很有前途的方法，是制取復(fù)合材料的一種先進(jìn)方法10,11。因此，世界各國(guó)競(jìng)相研究，近十幾年來發(fā)展很快，是比較活躍的技術(shù)領(lǐng)域之一。

16、盡管目前研究過的復(fù)合鍍層類型已經(jīng)很多，但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)材料提出了各式各樣的新要求，因而對(duì)復(fù)合鍍層新品種的開發(fā)，仍在不斷地進(jìn)行著。我國(guó)于上世紀(jì)70年代開始研究復(fù)合電沉積技術(shù)，在此以后的20多年中，天津大學(xué)、武漢材料保護(hù)研究所等單位都在進(jìn)行復(fù)合電鍍工藝及其共沉積理論方面的研究工作，并取得了不少成績(jī)。由天津大學(xué)研究成功的、以復(fù)合電鍍法制造低壓電器用電觸頭的新工藝，在多年前就已用于生產(chǎn)。由于它能節(jié)約大量金屬銀，因而工藝有很大的經(jīng)濟(jì)效益12。用復(fù)合電鍍技術(shù)制備各種小磨具(什錦銼、小磨頭)也早已進(jìn)行了小批量生產(chǎn)，在制造較大型有特殊用途的金剛石磨具，立方氮化硼磨具，金剛石鉆探用鉆頭，金剛石滾輪等方面

17、也得到了越來越多的應(yīng)用13,14。為了進(jìn)一步提高復(fù)合鍍層的性能，研究固體微粒共沉積機(jī)理，強(qiáng)化復(fù)合電鍍過程，曾在電鍍領(lǐng)域中用過的一些比較先進(jìn)的研究方法和手段幾乎都能用來研究復(fù)合鍍層。除了使用周期換向電流以及在超聲場(chǎng)中進(jìn)行電鍍等專用技術(shù)外，還可將研究金屬電沉積的各種電化學(xué)方法(伏安法、計(jì)時(shí)電流法、計(jì)時(shí)電位法、交流阻抗法等)和非電化學(xué)方法(光學(xué)顯微術(shù)、橢圓術(shù)、光反射法、X射線衍射法、掃描電鏡和電子探針、X光電子能譜、俄歇能譜、透射電鏡、質(zhì)譜、離子探針、放射顯影術(shù)等)用于研究復(fù)合鍍層15。而且非電化學(xué)研究方法對(duì)研究復(fù)合鍍層結(jié)構(gòu)和性能更具有特殊的重要意義。通過電鍍可以改變固體材料的表面特性。如，可以改善

18、外觀，提高耐蝕性能、抗磨損、減摩以及其他功能特性，因此，電鍍?cè)诠I(yè)上得到了廣泛的應(yīng)用。目前，電鍍廣泛用于機(jī)器制造工業(yè)、無線電電子工業(yè)、儀器儀表制造工業(yè)、國(guó)防工業(yè)（兵器、飛機(jī)、船舶、火箭及航天器等）、交通運(yùn)輸及輕紡工業(yè)等行業(yè)。僅機(jī)械產(chǎn)品中，需要電鍍的零件長(zhǎng)達(dá)70%80%。隨著我國(guó)社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，黑色金屬、有色金屬及非金屬材料零件的數(shù)量將會(huì)不斷增加，對(duì)表面性能的要求也越來越高，這勢(shì)必將給電鍍工業(yè)提出新的挑戰(zhàn)，同時(shí)也給電鍍行業(yè)帶來新的發(fā)展機(jī)遇6。1.1.3復(fù)合鍍層的分類金屬鍍層的分類方法主要有兩種：一是按鍍層的用途分類；二是按鍍層與基體金屬的電化學(xué)關(guān)系分類。1、 按鍍層的用途分類按鍍層的用途

19、，可將鍍層分為以下三大類:1 防腐性鍍層 防腐性鍍層可用來防止金屬零件的腐蝕。例如，一輛CA141型汽車上的零件受鍍面積可達(dá)10 m2 以上，這主要是為了防止金屬結(jié)構(gòu)件和緊固件的腐蝕。僅就防止金屬的腐蝕而言，據(jù)粗略估計(jì)，全世界鋼產(chǎn)量的1/3就是因?yàn)楦g而報(bào)廢，如果其中的2/3可以回收冶煉，那么也將有1/9無法使用。將金屬進(jìn)行電鍍，是防腐蝕的有效措施之一。通常，鍍鋅層、鍍鎘層和鍍錫層以及鋅基合金鍍層（ZnFe、ZnCo、ZnNi等）屬于此類鍍層。對(duì)于黑色金屬零件，在一般大氣條件下用鍍鋅層來保護(hù)，在海洋性氣候條件下，常用鍍鎘層來保護(hù)，對(duì)于接觸有機(jī)酸的黑色金屬零件，如食品容器，則可用錫鎘層來保護(hù)，它

20、不僅具有較強(qiáng)的防腐蝕能力，而且腐蝕產(chǎn)物對(duì)人體無害。在海洋氣候條件下，當(dāng)要求鍍層薄而抗蝕能力強(qiáng)時(shí)，可用錫鎘合金來代替鎘鍍層，而對(duì)鋼合金所制造的航海儀器，則使用銀鎘合金將更好些。2 防腐裝飾性鍍層 對(duì)很多金屬零件，既要求防腐蝕，又要求具有經(jīng)久不變的光澤外觀，這就要求施加防護(hù)裝飾性電鍍。因?yàn)閱我唤饘馘儗雍茈y同時(shí)滿足防護(hù)與裝飾雙重要求，所以，這種鍍層常采用多層電鍍，即首先在基體上鍍上“底”層，而后再鍍上“表”層，有時(shí)還要鍍“中間”層。例如，通常的銅/鎳/鉻多層電鍍即屬于此類。像日常所見的自行車、縫紉機(jī)、轎車的外露部件大都采用這種組合鍍層。3 功能性鍍層為了滿足工業(yè)生產(chǎn)或科學(xué)技術(shù)的一些特殊機(jī)械、物理性能

21、的需要，可提供各種各樣的功能性鍍層，現(xiàn)分析如下：（1） 耐磨和減摩鍍層耐磨鍍層是給零件鍍一層高硬度的金屬，以增加它的抗磨耗能力。在工業(yè)上對(duì)許多直軸或曲軸、壓印輥的輥面、發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸和活塞環(huán)、沖壓模具的內(nèi)腔、槍和炮管的內(nèi)腔等均鍍硬鉻，使它的顯微硬度高達(dá)1100 HV左右。減摩鍍層多用于滑動(dòng)接觸面，在這些接觸面上鍍上韌性金屬（減摩合金），它能起潤(rùn)滑作用，從而減少了滑動(dòng)摩擦。這種鍍層多用在軸瓦、軸套上，以延長(zhǎng)軸和軸瓦的使用壽命。作為減摩鍍層的金屬有錫、鉛錫合金、鉛銦合金、鉛錫銅及鉛銻錫三元合金等。（2） 熱加工用鍍層為了改善機(jī)械零件的表面物理性能，常常要進(jìn)行熱處理。但是對(duì)一個(gè)部件來說，并不是整個(gè)都需

22、要改變它原來的性質(zhì)，甚至某些部位性能改變后會(huì)帶來危害，那就要在熱處理之前，先把不需要改變性能的部位保護(hù)起來。例如，在工業(yè)生產(chǎn)中為了防止局部滲碳要鍍銅，防止局部滲氮要鍍錫，這是利用碳和氮在這些金屬中難以擴(kuò)散的特性來實(shí)現(xiàn)的。（3） 導(dǎo)電性鍍層在電器、無線電及通信設(shè)備中，大量使用提高表面導(dǎo)電性的鍍層。通常鍍的銅、銀、金等屬于此類鍍層。同時(shí)，若要求耐磨時(shí)，就要鍍銀銻合金、金鈷合金、金銻合金等。另外，在波導(dǎo)元件生產(chǎn)中，大多要鍍銀、金等。（4） 磁性鍍層在錄音機(jī)及電子計(jì)算機(jī)等設(shè)備中，所有的錄音帶、磁環(huán)線。磁鼓、磁盤等存儲(chǔ)裝置均需磁性材料。目前多用電鍍和化學(xué)鍍方法來制造磁性材料。在生產(chǎn)中，當(dāng)電鍍工藝條件改變

23、時(shí)，鍍層的磁特性也就相應(yīng)變化，故控制電鍍工藝條件，可以獲得滿意的磁特性。常用的磁性合金鍍層有鈷鎳、鎳鐵、鈷鎳磷、鈷磷、鈷鎢磷等，作為磁光記錄材料，有釓鈷、釤鈷鋱鐵鈷等。（5） 抗高溫氧化鍍層當(dāng)前在許多先進(jìn)技術(shù)部門中，需使用高熔點(diǎn)的金屬材料制造特殊用途的零件，但這些零件在高溫腐蝕介質(zhì)中容易氧化而損壞，例如，轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)腔、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子葉片、電子管及晶體管的管腳與插座等，常需要鍍鎳、鉻和鉻合金鍍層。在某些情況下，還使用復(fù)合鍍層，如，NiZrO2、NiAl2O3、CrTiO2、CrZrB2等以及Fe、Ni、Cr擴(kuò)散鍍層。（6） 修復(fù)性鍍層 一些重要機(jī)器零件被磨損以后，可以采用電鍍法進(jìn)行修復(fù)，如

24、汽車、拖拉機(jī)的曲軸、凸輪軸、齒輪、花鍵，紡織機(jī)的壓輥，深井泵軸等均可用電鍍硬鉻、鍍鐵（或復(fù)合鍍鐵）加以修復(fù)；印染、造紙、膠片行業(yè)的一些機(jī)件也可用鍍銅、鍍鉻來修復(fù)；印刷用的字摸或版摸則可用鍍鐵來修復(fù)。除上述外，為了防止硫酸和鉻酸的腐蝕，常需要電鍍鉛；為了增加反光能力，常電鍍鉻、銀、高錫青銅等；為了消光，可電鍍黑鎳或黑鉻鍍層。此類鍍層太多，這里不再一一贅述。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電鍍或電沉積方法還可用于制備一些高性能尖端材料薄膜，如超導(dǎo)氧化物薄膜、電致變色氧化物薄膜、金屬化合物半導(dǎo)體薄膜、形狀記憶合金薄膜、梯度材料薄膜等。2、 按鍍層/基體的電化學(xué)關(guān)系分類按照鍍層金屬和基體金屬（或合金）的電化學(xué)關(guān)系

25、，可把鍍層分為兩大類，即陽極鍍層和陰極鍍層。前者如鐵上鍍鋅，后者如鐵上鍍錫。這種分類對(duì)鍍層選擇和金屬組件的搭配是十分重要的。所謂陽極鍍層，就是當(dāng)鍍層與基體金屬構(gòu)成腐蝕微電池時(shí)，鍍層作為陽極而首先溶解。這種鍍層不僅能對(duì)基體起機(jī)械保護(hù)作用，而且能起電化學(xué)保護(hù)作用。為了防止金屬腐蝕，應(yīng)盡可能選用陽極鍍層。所謂陰極鍍層，就是鍍層與基體構(gòu)成腐蝕微電池時(shí)，鍍層為陰極。這種鍍層只能對(duì)基體金屬起機(jī)械保護(hù)作用。陰極鍍層只有當(dāng)它完整無缺時(shí)，才能對(duì)基體起機(jī)械保護(hù)作用，一旦鍍層被損傷以后，它不但保護(hù)不了基體，反而加速了基體的腐蝕7。1.1.4電鍍工業(yè)的發(fā)展概況及展望鍍銀最先是由意大利Brugnatelli教授于180

26、0年提出的。大約在1805年他又提出了電鍍金。到1840年，英國(guó)的Elkington提出了氰化鍍銀的第一個(gè)專利，并用于工業(yè)生產(chǎn)，這是電鍍工業(yè)的開始。電鍍合金已有160多年的歷史。早在1840年前后，有關(guān)電鍍合金的報(bào)道就陸續(xù)出現(xiàn)，最早得到的是電鍍貴金屬合金（如金合金、銀合金等，主要以裝飾為目的）和電鍍銅鋅合金、銅錫合金。由于影響電鍍合金工藝的因素很多，所以為了獲得具有特殊性能的合金鍍層，需要嚴(yán)格控制電解液的成分和工藝條件。對(duì)合金電沉積動(dòng)力學(xué)的研究比單金屬電沉積困難得多，因此，在開始相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)發(fā)展緩慢，合金鍍層未能廣泛地應(yīng)用到生產(chǎn)上。隨著科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，對(duì)各種材料表面提出了各種各樣的

27、新要求，合金鍍層又是有一般單金屬鍍層所不能具備的優(yōu)異性能，所以合金電沉積的研究越來越引起人們的重視。到目前為止，電沉積能得到的合金鍍層大約有250多種，但在生產(chǎn)中得到應(yīng)用的卻較少。我國(guó)電鍍工業(yè)是何時(shí)開始的無據(jù)可查，但是，其發(fā)展史大致分為三個(gè)階段：解放前為第一階段，解放后至改革開放前為第二階段，改革開放后至今為第三階段。解放前我國(guó)的電鍍工業(yè)幾乎是一個(gè)“空白”，少數(shù)沿海城市僅有的幾個(gè)電鍍作坊，其多數(shù)被外國(guó)資本家所控制，技術(shù)保密，生產(chǎn)落后，工人勞動(dòng)環(huán)境惡劣，只能做一些日用品。新中國(guó)成立之后，電鍍工業(yè)迅速發(fā)展起來。在大型的汽車和拖拉機(jī)制造廠、船舶廠、機(jī)車車輛廠、飛機(jī)、導(dǎo)彈和衛(wèi)星制造廠等都設(shè)有電鍍車間，

28、并且還新建了很多家專業(yè)電鍍廠。與此同時(shí)，還成立了相應(yīng)的研究所和設(shè)計(jì)室，在高等學(xué)校和專科學(xué)校也設(shè)立了相應(yīng)的專業(yè)。各個(gè)工業(yè)部都制訂了自己的行業(yè)電鍍標(biāo)準(zhǔn)，并成立了情報(bào)站和交流網(wǎng)，且有關(guān)省、市都成立了電鍍學(xué)會(huì)或協(xié)會(huì)。新中國(guó)成立以來，電鍍工業(yè)戰(zhàn)線上的工程技術(shù)人員、工人和干部。勇于開展技術(shù)革新和技術(shù)革命，使我國(guó)電鍍工業(yè)取得了很大成就。例如，我國(guó)自己設(shè)計(jì)并制造出了各種型號(hào)的自動(dòng)電鍍機(jī)，自行開發(fā)的代錫鍍層銅錫合金電鍍大量投入生產(chǎn)。改革開放之后，特別是實(shí)行社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)之后，我國(guó)的電鍍工業(yè)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。尤其是在鋅基合金電鍍、復(fù)合鍍、化學(xué)鍍鎳磷合金、電子電鍍、納米電鍍、功能性鍍層開發(fā)等方面取得重大進(jìn)展。

29、1984年中國(guó)電鍍協(xié)會(huì)（現(xiàn)已更名為中國(guó)表面工程協(xié)會(huì)電鍍分會(huì)）成立，該協(xié)會(huì)每?jī)赡昱e行一次全國(guó)學(xué)術(shù)年會(huì)，加強(qiáng)了電鍍技術(shù)情報(bào)的交流。由于國(guó)外相關(guān)大公司的介入，尤其是合資公司的出現(xiàn)，使我國(guó)電鍍水平得到了大幅度的提高。雖然如此，我國(guó)電鍍工業(yè)的現(xiàn)狀與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有很大差距，必須奮起直追，才能趕上世界先進(jìn)水平。展望未來，我國(guó)的電鍍工業(yè)將會(huì)在以下幾個(gè)方面得到發(fā)展。1 形成一個(gè)比較完備的電鍍技術(shù)開發(fā)體系今后將會(huì)出現(xiàn)一些新的以電鍍?yōu)閷I(yè)的研究所和研究室，這些研究單位將會(huì)進(jìn)行添加劑、溶液、材料等的研究和生產(chǎn)。技術(shù)成果商業(yè)化的趨向變得更加明顯，可能會(huì)出現(xiàn)少數(shù)全國(guó)性的研究中心和供應(yīng)中心。電鍍?cè)O(shè)備的研究、生產(chǎn)和供應(yīng)將向

30、專業(yè)化、系列化方向發(fā)展。可能進(jìn)行工藝技術(shù)、化工原料和設(shè)備成套進(jìn)入市場(chǎng)的嘗試。這樣就會(huì)形成一個(gè)比較完備的電鍍技術(shù)開發(fā)體系。2 擴(kuò)大對(duì)外技術(shù)交流擴(kuò)大對(duì)外技術(shù)交流不僅表現(xiàn)在資料、人員的交流上，國(guó)外的添加劑、設(shè)備、測(cè)試儀器將會(huì)更加地進(jìn)入我國(guó)市場(chǎng)，并出現(xiàn)添加劑銷售、生產(chǎn)和研制方面的聯(lián)合經(jīng)營(yíng)。這將促進(jìn)我國(guó)電鍍技術(shù)水平的提高。3 在環(huán)境保護(hù)方面將進(jìn)入綜合對(duì)策時(shí)期我國(guó)電鍍行業(yè)經(jīng)過了“無氰電鍍”階段，又進(jìn)行了不惜一切代價(jià)地運(yùn)用各種廢水處理方法的嘗試，在環(huán)境保護(hù)方面逐漸成熟起來。今后，電鍍界將主要側(cè)重于污染少、已處理的工藝研究，低濃度溶液的應(yīng)用，清洗方法的改進(jìn)，廢水處理方法的聯(lián)合使用，三廢的綜合利用等。在不久的將

31、來，電鍍行業(yè)將進(jìn)入無氰、無鉻電鍍的時(shí)代。4 明確電鍍技術(shù)發(fā)展的主要方向電鍍技術(shù)發(fā)展的主要方向?qū)⑹翘岣唠娊庖汉湾儗拥男阅埽岣呱a(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)前，環(huán)境保護(hù)工作一直是電鍍行業(yè)的中心，但是也出現(xiàn)過忽視電鍍技術(shù)本身發(fā)展的現(xiàn)象。今后數(shù)年，提高電解液性能，提高鍍層的抗蝕能力、機(jī)械性能、電氣性能和裝飾效果，以及節(jié)省貴金屬等將成為主要目標(biāo)，對(duì)新工藝將進(jìn)行綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，而不是片面地突出某一指標(biāo)。5 努力提高工藝管理和設(shè)備配套，切實(shí)提高產(chǎn)品質(zhì)量我國(guó)電鍍同國(guó)外最大差距是生產(chǎn)中的工藝管理、溶液維護(hù)，不能使研究成果在生產(chǎn)中體現(xiàn)出來，相應(yīng)的過濾、處理和控制等設(shè)備相對(duì)落后，這就使我國(guó)電鍍產(chǎn)品在抗蝕能力和外觀質(zhì)量等

32、方面明顯低于國(guó)際先進(jìn)水平。這一點(diǎn)尚未引起我國(guó)電鍍界的足夠重視，但是隨著我國(guó)工業(yè)產(chǎn)品進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)，今后幾年中國(guó)電鍍界將會(huì)努力提高產(chǎn)品質(zhì)量。6 電解液和鍍層的測(cè)試方法將向國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)靠攏今后將建立質(zhì)量檢測(cè)中心，綜合利用大型精密的測(cè)試手段及方法，其發(fā)展方向必定是向國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)靠攏。展望未來，我國(guó)電鍍工業(yè)技術(shù)的發(fā)展將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)嶄新局面，愿我國(guó)電鍍工業(yè)早日建成一個(gè)自立于世界的較為完備的電鍍技術(shù)開發(fā)體系6。1.2納米復(fù)合鍍傳統(tǒng)的復(fù)合鍍技術(shù)由于選用的第二相粒子大多是微米級(jí)的，顆粒粒度較大，在鍍液中的懸浮能力差，獲得的鍍層表面粗糙、硬度高、拋光困難，而且微米粒子容易堵塞濾芯，限制了電沉積中必要的循環(huán)過濾過程。納米粒子

33、的出現(xiàn)，為傳統(tǒng)電沉積復(fù)合鍍技術(shù)帶來了新的機(jī)遇，若用納米顆粒代替復(fù)合鍍液中的微米粒子，由于納米顆粒具有的表面效應(yīng)。體積效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)和一些奇異的光、電、磁等性質(zhì)16，可以使復(fù)合鍍層呈現(xiàn)出比普通材料高得多的硬度、耐磨性、自潤(rùn)性和耐腐蝕性等優(yōu)異性能17。目前常用的納米復(fù)合鍍工藝有納米復(fù)合電鍍、納米復(fù)合化學(xué)鍍以及納米復(fù)合刷鍍，這三種方法各有其特點(diǎn)。納米電鍍對(duì)形狀復(fù)雜工件較為適用，且可進(jìn)行大量生產(chǎn)，但鍍層厚度可能會(huì)不均勻；相比之下，納米復(fù)合化學(xué)鍍可制得厚度均勻的鍍層；而納米復(fù)合刷鍍可用于對(duì)大尺寸零件的局部修復(fù)。因此，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)具體情況選擇復(fù)合鍍工藝18。1.2.1納米復(fù)合鍍

34、層的結(jié)構(gòu)及性能特點(diǎn)納米復(fù)合鍍技術(shù)就是在電解質(zhì)溶液中加入一種或數(shù)種納米尺度的不溶性固體顆粒，并進(jìn)行充分的分散，使納米不溶性固體顆粒均勻懸浮在溶液中，利用電沉積或化學(xué)沉積的原理，使金屬離子被還原的同時(shí)，將納米尺度的不溶性固體顆粒均勻地彌散在金屬鍍層中的方法。與普通鍍層相比，納米復(fù)合鍍層在結(jié)構(gòu)上主要有以下特點(diǎn) ：（1） 納米復(fù)合鍍層由兩類材料組成。一類是被還原沉積的基質(zhì)金屬，是均勻的連續(xù)相；另一類是納米不溶性固體顆粒。由于對(duì)納米不溶性固體顆粒分散的困難性和納米固體顆粒的易團(tuán)聚性，鍍層中的一部分不溶性固體顆粒會(huì)以微米尺度存在。（2） 納米粒子與基質(zhì)金屬共沉積過程中，納米粒子的存在將影響基質(zhì)金屬的電結(jié)晶

35、過程，使基質(zhì)金屬的晶粒大為細(xì)化，甚至可使基質(zhì)金屬的晶粒小到納米尺度而成為納米晶體；（3） 在同一基質(zhì)金屬的納米復(fù)合鍍層中，納米不溶性固體顆粒的成分、尺寸、含量、純度等對(duì)納米復(fù)合鍍層性能有不同程度的影響。優(yōu)化這些影響因素可以獲得性能/價(jià)格比最佳的納米復(fù)合鍍層。這也是獲得含納米結(jié)構(gòu)的金屬陶瓷材料的有效途徑19,20。從性能上講，與普通鍍層相比，納米復(fù)合鍍層中由于存在大量納米粒子，納米粒子本身具有的很多獨(dú)特的物理及化學(xué)性能，使得納米復(fù)合鍍層表現(xiàn)出很多優(yōu)異的性能。由納米粒子通過復(fù)合鍍技術(shù)制備而成的納米復(fù)合鍍層，與具有相同組成、微粒粒徑在微米尺度的普通復(fù)合鍍層相比，很多性能都得到大幅度提高，而且性能提高

36、的幅度往往隨納米粒子粒徑的減小而增大。這些性能包括：硬度、耐磨性能、抗高溫氧化性能、耐腐蝕性能、電催化性能、光催化性能等。正因?yàn)槿绱耍{米復(fù)合鍍層正獲得越來越廣泛的研究，一些鍍種已在生產(chǎn)中得到應(yīng)用。1.2.2納米復(fù)合鍍存在的問題納米復(fù)合鍍技術(shù)作為一種新技術(shù)尚處于探索階段，需要人們付出很多的努力方可逐漸得到完善。目前存在以下幾個(gè)問題：（1） 盡管納米復(fù)合鍍已得到了迅猛的發(fā)展，但有關(guān)納米復(fù)合鍍層的基礎(chǔ)理論研究，例如，納米復(fù)合鍍層的形成機(jī)理及影響因素、納米粒子與基質(zhì)金屬的界面關(guān)系等等，均無完善的理論解釋；（2） 納米粒子在鍍液及鍍層中的團(tuán)聚問題尚未得到圓滿的解決；（3） 納米復(fù)合鍍層的制備工藝還不夠

37、完善，是否最大限度地發(fā)揮了納米粒子的獨(dú)特的效應(yīng)還無法確定；（4） 納米復(fù)合鍍層的研究尚處于實(shí)驗(yàn)室階段，與大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用有很多的距離，其原因并非性能指標(biāo)或其應(yīng)用的局限性，而是在于工藝的在線監(jiān)控跟不上。1.2.3納米復(fù)合鍍技術(shù)展望將納米微粒引入金屬鍍層中賦予金屬鍍層以納米粒子獨(dú)特的物理及化學(xué)性能的納米復(fù)合鍍技術(shù)，是納米材料技術(shù)與復(fù)合鍍技術(shù)完美結(jié)合的結(jié)果，是復(fù)合鍍技術(shù)發(fā)展進(jìn)程中的一次質(zhì)的飛躍。納米復(fù)合鍍新技術(shù)不僅可以使產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生質(zhì)的飛躍，成本得以大幅度下降，還能大大減少鍍液廢水的排放量，使影響我國(guó)環(huán)境質(zhì)量的一大污染得到遏制。因而，納米復(fù)合鍍技術(shù)的研究與應(yīng)用有廣闊的發(fā)展前景。但由于人們對(duì)納米材料認(rèn)識(shí)

38、的局限及復(fù)合電鍍工藝研究的不完善，納米微粒與金屬微粒的共沉積機(jī)理、納米微粒在鍍液中的穩(wěn)定與分散、納米微粒在鍍層中的行為與鍍層性能的關(guān)系等問題都有待進(jìn)一步的研究。盡管納米復(fù)合鍍技術(shù)的研究始于20世紀(jì)90年代，但納米復(fù)合鍍層所表現(xiàn)出的諸多優(yōu)異性能已使納米復(fù)合鍍技術(shù)迅速成為電鍍技術(shù)發(fā)展的又一熱點(diǎn)。在表面工程的重要性獲得認(rèn)同的今天，可以預(yù)言納米復(fù)合鍍技術(shù)必將得到迅速的開發(fā)和應(yīng)用。1.3脈沖電鍍 脈沖電鍍是一種借助脈沖電源與渡槽建立起來的電鍍裝置。它是在含有某種金屬離子的電解質(zhì)溶液中，將被鍍工件作為陰極，陽極是該種金屬離子的金屬或不溶性陽極，通以一定波形的的低壓脈沖電流，使金屬離子在陰極上脈沖式的沉積，

39、形成金屬層的加工過程。脈沖電鍍技術(shù)是在五十年代出現(xiàn)，七十年代發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)。脈沖電鍍從電鍍理論上擺脫了局限于直流電源的習(xí)俗觀念，開辟了一個(gè)從改進(jìn)電鍍電源入手研究電鍍工藝的新領(lǐng)域。脈沖電鍍與直流電鍍相比，不僅能提高鍍層質(zhì)量，縮短電鍍周期，而且能節(jié)約貴金屬和能源。因此，脈沖電鍍技術(shù)的廣泛推廣和應(yīng)用，必將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益21。1.3.1脈沖電鍍的特點(diǎn)和發(fā)展脈沖電鍍與間歇電鍍相似，其主要特點(diǎn)是脈沖波的幅度大、頻率高，脈沖寬度與脈沖間歇的比值一般小于1。因此，脈沖電鍍所允許的峰值電流密度比起直流電鍍、周期換向電鍍或間歇電鍍都要大許多倍。又因脈沖持續(xù)時(shí)間和脈沖間歇時(shí)間一般以毫秒（ms）甚至微秒（u

40、m）計(jì)算，所以脈沖電鍍可以克服周期換向電鍍方法中反向時(shí)間太長(zhǎng)的缺點(diǎn)，幾乎所有鍍種都能適用。脈沖電鍍的第一篇專利是1934年公開發(fā)表的22。1955年羅博特朗（Robotron）公司提出的一種高壓電鍍法就是今天的脈沖電鍍法。1966年波普科夫（Popkov）總結(jié)出脈沖電鍍的六大優(yōu)點(diǎn)。1970年以后，國(guó)外脈沖電鍍發(fā)展很快，但是在19711977年間，由于脈沖電鍍電源只是由電氣工程師設(shè)計(jì)而沒有電鍍工程師參加，所以脈沖電鍍電源的設(shè)計(jì)沒有多大的變化和發(fā)展。在19781980年，由于脈沖電鍍電源的設(shè)計(jì)者和電鍍工作者合作，使電源更多地考慮到工業(yè)生產(chǎn)的需要，因此推動(dòng)力脈沖電鍍的發(fā)展23。國(guó)內(nèi)的脈沖電鍍技術(shù)發(fā)展

41、很快，至今，已有幾十個(gè)單位將脈沖電鍍技術(shù)應(yīng)用與生產(chǎn)（如電子工業(yè)部第十二研究所、第十彈研究所、七七四廠、上海無線電十廠等等），解決了直流電鍍所不能解決的產(chǎn)品質(zhì)量問題。 脈沖電鍍的優(yōu)點(diǎn)很多。脈沖電流電沉積的鍍層的晶粒度小、分散能力強(qiáng)、深鍍能力強(qiáng)，因此可以獲得致密、光亮和均勻的鍍層，而且沉積速率和電流效率比周期換向電流的都高。為了達(dá)到同樣的技術(shù)指標(biāo)，采用脈沖電鍍可以用比較薄的鍍層代替較厚的直流電鍍鍍層，所以說脈沖電鍍可以節(jié)省原材料，尤其在節(jié)約貴金屬方面具有很大的潛力和重大意義。換句話說，脈沖電鍍是利用提高鍍層質(zhì)量的方法節(jié)約貴金屬的一個(gè)重要途徑，這也正是自七十年代以來，脈沖電鍍技術(shù)發(fā)展很快的的原因之一

42、。目前，可以說脈沖電鍍是從電鍍理論上擺脫了局限與直流電源的習(xí)俗觀念，為提高鍍層質(zhì)量、節(jié)約貴金屬和能源，開辟了一個(gè)從研究電鍍電源入手，研究電鍍工藝的新領(lǐng)域。必須指出，脈沖電鍍中如果只有先進(jìn)的脈沖電源，而鍍液配方和工藝不佳，同樣不能獲得優(yōu)質(zhì)鍍層21。1.3.2脈沖電鍍的優(yōu)缺點(diǎn)脈沖電鍍所依據(jù)的化學(xué)原理主要是利用電流（或電壓）脈沖的張弛來增加陰極的活化極化和降低陰極的濃差極化，從而改善鍍層的物理化學(xué)性能。與直流電鍍相比，脈沖電鍍有以下優(yōu)點(diǎn)：（1） 改變鍍層結(jié)構(gòu)，晶粒度小，能獲得致密、光亮和均勻的鍍層。（2） 改善了分散能力和深鍍能力。（3） 降低鍍層孔隙率，提高了抗蝕性。（4） 降低了鍍層內(nèi)應(yīng)力，提高

43、鍍層韌性。（5） 減小或消除氫脆，改善鍍層的物理性能.（6） 減少添加劑的用量，降低鍍層中雜質(zhì)含量，提高了鍍層的純度。（7） 降低濃差極化，提高陰極電流密度，可以提高沉積速度。此外采用脈沖電鍍可用比較薄的鍍層代替較厚的直流電鍍層，節(jié)約了原材料，尤其是在節(jié)約貴金屬方面具有很大的潛力。目前生產(chǎn)中應(yīng)用脈沖電鍍的主要的貴重金屬，如鍍金、鍍銀、其次是鍍鎳，也有鍍鋅和將直流與脈沖電流疊加用于鋁的陽極氧化。脈沖電鍍作為渡槽外控制電極過程的手段，為電鍍技術(shù)的發(fā)展開辟了新的途徑，但是，脈沖電鍍也有一定的局限性。（1） 脈沖通斷時(shí)間的選擇受電容效應(yīng)的影響。（2） 脈沖電鍍的最大平均沉積速度不能超過相同流體動(dòng)力學(xué)條

44、件下直流電鍍的極限沉積速度6。1.3.3脈沖電鍍電源的改進(jìn)方向1 大電流國(guó)內(nèi)、外電鍍工作者大量的實(shí)踐證實(shí)，脈沖電鍍是一項(xiàng)既能提高鍍層質(zhì)量又能提高沉積速率的經(jīng)濟(jì)效益很高的電鍍新技術(shù)。我國(guó)很多工廠、研究所迫切需要將脈沖電鍍技術(shù)推廣并應(yīng)用與生產(chǎn)。但是，用脈沖電流沉積金屬的新工藝在生產(chǎn)上被廣泛應(yīng)用的前提取決于有無為大規(guī)模生產(chǎn)提供大電流的脈沖電源設(shè)備。這些設(shè)備可以保證脈沖寬度、脈沖間隔和峰值電流在較大范圍內(nèi)有自由選擇的可能。只有這樣，才有可能滿足大批量零件電鍍生產(chǎn)的需要，特別是，對(duì)脈沖參數(shù)要求特殊的鍍種（如鍍鉻等）才能使脈沖電源有條件代替直流電鍍。因此，研制大電流的脈沖電鍍電源設(shè)備是脈沖電鍍技術(shù)發(fā)展的當(dāng)

45、務(wù)之急。現(xiàn)在，國(guó)內(nèi)應(yīng)用得比較早比較多的是小批量生產(chǎn)脈沖鍍金、銀等貴金屬。脈沖電鍍技術(shù)尚需進(jìn)一步擴(kuò)展到普通金屬（如鎳、銅、鋅等）的電鍍、厚膜鋁氧化、電拋光、電化學(xué)清洗和刻蝕等很多方面。2 脈沖頻率、脈沖寬度連續(xù)可調(diào)在使用脈沖電鍍電源進(jìn)行脈沖電鍍時(shí)，除電流密度對(duì)鍍層質(zhì)量有明顯影響外，脈沖頻率f，脈沖寬度ton的大小，不同鍍種或同一鍍種的不同鍍液規(guī)范，對(duì)鍍層質(zhì)量也有不同程度的影響，而且f和ton固定后，工作比r，脈沖間隔toff也就固定了。因此，在選擇某一電鍍液脈沖參數(shù)的最佳規(guī)范時(shí)，總是希望脈沖頻率f、脈沖寬度ton在某一范圍內(nèi)是連續(xù)可調(diào)的，這樣就能幫助我們更精確地確定最佳使用參數(shù)。然而，目前國(guó)內(nèi)制

46、造的大部分脈沖電鍍電源是分檔調(diào)節(jié)，這樣在選擇脈沖電鍍最佳規(guī)范時(shí)就受到限制而不可能做到十分精確。尤其是與想在某一較窄范圍再進(jìn)一步精選就要求把檔分得非常細(xì)，而一般電源設(shè)備往往是達(dá)不到的。因此，用于脈沖電鍍研究和對(duì)一新鍍種進(jìn)行脈沖參數(shù)選擇研究的電源設(shè)備，總是希望各脈沖參數(shù)都能連續(xù)可調(diào)。3 固定參數(shù)的脈沖電源為了簡(jiǎn)便實(shí)用，對(duì)于工藝成熟、常規(guī)生產(chǎn)所用的脈沖電源，可以以工藝試驗(yàn)所確定的最佳工藝條件為依據(jù)，提供電源設(shè)計(jì)者為常規(guī)生產(chǎn)制作脈沖參數(shù)固定的電源。即根據(jù)不同鍍種、不同的生產(chǎn)規(guī)模可制作出參數(shù)不同的各種規(guī)格的脈沖電源，這樣既經(jīng)濟(jì)又簡(jiǎn)便21。 1.3.4脈沖電鍍的應(yīng)用目前脈沖電鍍主要應(yīng)用在電子領(lǐng)域、手表行業(yè)

47、、首飾行業(yè)中的金屬電鍍，金剛石寶石磨盤和其他金剛石工具的電鍍、電鑄、氧化等。脈沖電鍍無論用于裝飾鍍或者用于功能鍍都很好。另外，脈沖電沉積法也開始應(yīng)用于一些宇航部件的表面處理。采用脈沖電沉積復(fù)合鍍層的方法，可制備多種具有特殊功能的鍍層，如耐磨鍍層、耐高溫鍍層、減摩鍍層、自潤(rùn)滑鍍層、高溫耐磨鍍層、高溫自潤(rùn)滑鍍層、耐腐蝕鍍層、彌散強(qiáng)化鍍層、特殊裝飾性彩色鍍層以及電子工業(yè)用電接觸功能材料鍍層等，它們?cè)跈C(jī)械、電力、電子、汽車、航空航天、化工、冶金、煤礦、船舶、核工業(yè)及軍工等許多領(lǐng)域均有著廣泛的應(yīng)用前景。采用脈沖電沉積制備復(fù)合材料的方法是一個(gè)多學(xué)科相互交叉的領(lǐng)域，它涉及到材料化學(xué)、材料物理學(xué)、電化學(xué)、冶金

48、學(xué)、機(jī)械學(xué)等學(xué)科；電沉積的過程理論涉及到熱力學(xué)、流體力學(xué)、電化學(xué)、動(dòng)力學(xué)、電荷交換、化學(xué)還原等多方面的理論和技術(shù)。該項(xiàng)研究具有一定的科學(xué)價(jià)值和實(shí)際意義，對(duì)推動(dòng)高新技術(shù)的發(fā)展和新材料的開發(fā)，都具有十分重要的作用。1.4本課題研究的內(nèi)容及意義表面技術(shù)是支持和推動(dòng)高新技術(shù)發(fā)展及產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵技術(shù)，是產(chǎn)品增值、開發(fā)新材料的重要手段，也是提高機(jī)電產(chǎn)品性能、質(zhì)量和延長(zhǎng)使用壽命的有效措施。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新的交叉學(xué)科不斷出現(xiàn)，對(duì)材料的性能也提出了許多新的特殊要求。例如：金屬制品容易被腐蝕，腐蝕的后果并不僅限于原材料的浪費(fèi)、加工費(fèi)的損失和關(guān)鍵零部件或結(jié)構(gòu)的破壞，還有可能造成無法彌補(bǔ)的損失。為防止金屬制品腐

49、蝕，可在制品穿上一層金屬“外衣”，這層金屬“外衣”就叫做電鍍層，其性能在很大程度上取代了原來基體的性質(zhì)。盡管電鍍并不能完全解決這個(gè)嚴(yán)重的問題，但作為防腐蝕手段之一，電鍍工藝無疑是可以做出可觀的貢獻(xiàn)的。 在很多情況下，往往只需用一個(gè)符合性能要求的表面層就可以解決科學(xué)技術(shù)中的迫切需要。選擇適當(dāng)?shù)碾婂儗樱３＞湍軌蚝芎玫赝瓿蛇@一任務(wù)。因此，功能鍍層的重要性越來越突出。此外，使用鍍層代替整體材料，也是節(jié)約貴重金屬的一個(gè)好途徑。如在普通碳鋼表面鍍上一層硬度高的鉻，便可在很多應(yīng)用場(chǎng)合取代硬質(zhì)合金鋼。可見，電鍍不僅是防護(hù)與裝飾的重要手段，而且已經(jīng)發(fā)展成為制備表面功能材料的一種有效的方法。 鍍鎳層是一種歷史長(zhǎng)

50、、應(yīng)用廣的裝飾保護(hù)鍍層，具有耐蝕性和裝飾制品的作用。本課題主要研究的內(nèi)容是：以脈沖電源為施鍍電源，在銅表面電鍍NiZrO2納米復(fù)合鍍層，針對(duì)不同的脈沖頻率、占空比及ZrO2加入量等工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，然后通過對(duì)鍍層硬度、沉積速率、電化學(xué)腐蝕、表面微觀形貌觀察，采用正交試驗(yàn)分析方法，對(duì)鍍件性能進(jìn)行檢測(cè)。從而得出硬度較高、耐蝕性較強(qiáng)、耐磨性較好的最優(yōu)復(fù)合鍍層的工藝條件，為實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。2實(shí)驗(yàn)過程及分析方法 為什么懸浮在鍍液中的固體微粒能夠在電解過程中與金屬一起共沉積在陰極上而形成復(fù)合鍍層呢？對(duì)于這個(gè)問題，近二十來，從事電鍍工作者做了大量的研究工作，提出來種種解釋，但一致公認(rèn)要使固體

51、粒子均勻、大量地復(fù)合，首先必須使粒子均勻、大量地向陰極移動(dòng)，為此應(yīng)盡力實(shí)現(xiàn)上述攪拌方法。移向陰極懸浮在鍍液中的固體微粒，吸附了金屬離子，使微粒表面帶有正電荷，在電流的作用下，與金屬一起共沉積在陰極的表面而形成復(fù)合鍍層。這就是所謂的陽極離子吸附理論24。 由于NiZrO2納米復(fù)合鍍層具有優(yōu)良的耐磨性、抗腐蝕性及抗高溫氧化能力，能夠取代硬鉻鍍層，因此，其在工業(yè)領(lǐng)域和日常生活中具有廣泛的應(yīng)用前景。本章主要介紹NiZrO2納米復(fù)合鍍層的制備工藝、設(shè)備和鍍層性能的測(cè)試方法等。2.1脈沖電鍍的簡(jiǎn)單原理T脈沖周期；ton脈沖寬度；toff脈沖間隙；ip峰值電流密度；im平均電流密度 脈沖電鍍是一種借助脈沖電

52、源與鍍槽建立起來的電鍍裝置。它是在含有某種金屬離子的電解質(zhì)溶液中，將被鍍工件作為陰極，陽極是該種金屬離子的金屬或不溶性陽極，通以一定波形的的低壓脈沖電流，使金屬離子在陰極上脈沖式的沉積，形成金屬層的加工過程。脈沖電鍍所用電流的波形有方波、正弦半波、鋸齒波和間隔鋸齒波等多種形 式。實(shí)踐證明， 鍍單金屬以方波為好25。現(xiàn)在我們以方波為例來敘述脈沖電鍍的簡(jiǎn)單原理。方波脈沖電流的波形如圖2.1Error! Reference source not found.Error! Reference source not found.Error! Reference source not found.Erro

53、r! Reference source not found.Error! Reference source not found.Error! Reference source not found.Error! Reference source not found.Error! Reference source not found.Error! Reference source not found.Error! Reference source not found.Error! Reference source not found.Error! Reference source not foun

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56、rce not found.Error! Reference source not found.所示。 圖2. 1 方波脈沖電流波形示意圖 電鍍槽接以脈沖電源以后，電流從接通到斷開的時(shí)間ton為脈沖持續(xù)時(shí)間，也叫脈沖寬度，即電鍍的工作過程；電流從斷開到接通的時(shí)間toff為電鍍的間歇時(shí)間，或叫脈沖間隔，既不工作的過渡過程。一般情況下，脈沖電鍍中所使用的脈沖寬度ton很小，及電鍍的工作時(shí)間很短，而脈沖間隔toff很大，既不工作的間歇時(shí)間相對(duì)很長(zhǎng)，于是脈沖電鍍的工作比r就很小。工作比為： （2. 1） 峰值電流密度ip和平均電流密度im、工作比r之間的關(guān)系為： （2. 2） 由以上兩式可以看出，當(dāng)T一定時(shí)，ton越小，toff就越大，r越小；ip是im的（ton+toff)/ton倍。也就是說，脈沖重復(fù)周期是脈沖寬度的多少倍，脈沖峰值電流就是平均電流的多少倍，這個(gè)倍數(shù)也就是工作比r的倒數(shù)。脈沖電鍍之所以能克服直流電鍍的不足，主要是因?yàn)槊}沖寬度（即導(dǎo)通時(shí)間）很短，峰值電流密度很大，在ton期間靠近陰極處金屬離子急劇減少，但擴(kuò)散層卻來不及長(zhǎng)厚就被切斷電源，在脈沖