稀土在電鍍中的應用分析
【摘要】稀土在科學領域中受到各國科學工作者的極大關注,尤其在電鍍中發揮了特殊作用,在鍍鋅及鋅基合金、鍍鈷合金、鍍鋁合金、鍍鎳鐵合金中主要有改善鍍層性能、改進工藝條件、改善鍍液性能、提高效益幾個方面的作用。稀土對電鍍金剛石工具的作用很大,提高鍍液的深度能力、提高鍍層耐磨性,從而提高工具的切削性能。為了更加有效開發利用稀土資源,開拓新的稀土功能鍍層研究是勢在必行的。
【關鍵詞】電鍍 稀土 鍍層 金剛石工具
稀土元素包括原子序數從57到71的15個鑭系元素:鑭、鈰、鐠、釹、钷、釤、、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、、鐿、镥以及與鑭系元素在化學性質上相似的鈧和釔,共17個元素。稀土元素獨特的4f層結構和化學性能使得稀土金屬或合金具有獨特的功能:高催化活性、高磁性、超導性、光電轉化、光磁記憶、高儲氫量、耐蝕耐磨等,使稀土及其化合物在材料科學領域中的應用越來越廣泛,成為發展現代科學技術不可缺少的功能材料,是材料科學領域中的一個熱門研究課題,受到各國科學工作者的極大關注[1]。
早期開發的鍍鉻稀土添加劑主要是鈰、鑭等單一稀土的簡單鹽類,近年來稀土鍍鉻添加劑的研究又前進了一大步,開發出了多種稀土復合添加劑。尤其是稀土在電沉積過程中的研究及應用正日趨深入。在電鍍溶液中加入少量的稀土化合物后,可以改善鍍液的分散能力和深鍍能力,提高電鍍的電流效率,增加鍍層的硬度和耐蝕性能等[2]。不僅性能上有了大幅度提高,而且已由試驗轉入了大批量的生產,形成了系列產品。通過多年的生產實踐表明,這是一項低溫、低電耗、低、低污染、高質量、高穩定性、高效率,經濟效益顯著的新工藝。研究結果表明,鍍鉻技術中添加稀土主要有以下幾個方面的作用[3]:改善鍍層性能、改進工藝條件、改善鍍液性能、提高經濟效益。
稀土在鍍鋅及鋅基合金中的應用研究也比較成功。微量的稀土加入鍍液可使鍍層晶粒細小、均勻、致密,從而提高鍍鋅層的耐蝕性能。在鋅鎳合金電鍍中,加入少量(小于1.0 g/L)硫酸鈰可以提高鍍液的電流效率,使鍍層中的含鎳量有所提高,鈰還有利于提高鋅鎳合金的陰極極化值,含鈰的鍍層在高溫高壓的鹽水中具有優良的耐腐蝕性能[4]。在鋁合金基體上鍍鎳的應用研究中,利用熱沖擊法測得稀土有提高基體與鍍層結合強度的作用[5]。
在硫酸鹽體系中可獲得含鈷量小40％(質量)的鎳。鈷合金鍍層,其共沉積過程屬于“異常共沉積”。在基礎鍍液中加入少量的稀土化合物,由于稀土化合物在陰極表面的特征吸附,降低了合金電沉積過程的陰極極化。在KOH溶液中,把合金作為電解陰極,在高電流密度區的析氫超電勢,與Fe電極相比,Ni-Co電極的過電位降低約200mV,而Ni、 Co(RE)電極降低250mV左右,可見其對析氫反應有較高的催化活性[6]。
稀土在鎳鐵合金電鍍方面的應用研究,稀土元素對硫酸鹽型鎳鐵合金鍍液的影響[7]。在鍍液中添加Sm2O3和(PrNd)O3,所得到的赫爾槽試驗結果表明,添加稀土氧化物可以使獲得光亮Ni-Fe合金的電流密度范圍拓寬。對多種稀土氧化物進行這種試驗,其結果大體相同。從電流效率和分散能力的測定數據可以發現,稀土化合物的加入能提高陰極電流效率和鍍液的分散能力,但不同的稀土元素提高的程度不一樣。稀土化合物的加入同時起到了穩定鍍液的作用。陰極極化曲線和掃描電子顯微鏡分析發現,稀土化合物添加到鍍液中后,增大了Ni-Fe合金電沉積的陰極極化,并使獲得的Ni-Fe合金鍍層的結晶細致、平滑、光亮,故可提高鍍層的防護、裝飾性能。
天津大學應用化學系郭鶴桐等開發的銀-氧化鑭復合材料具有硬度高、接觸電阻小和抗電蝕能力(耐電弧燒傷)強、化學穩定性高等優點[8]。
在研究稀土元素影響金剛石工具的力學性能、磨損性能和工具的切割性能,及影響這些性能的主要相關因素中發現,稀土元素對銅基胎體硬度的影響有緩慢上升的趨勢,磨損失重隨鑭含量的增加而增加,使胎體的耐磨性降低。1)稀土La、Ce的作用相近,但La、Ce的使用量略有差異,二者都有既強化基體,又提高金剛石和胎體結合力的作用。2)La、Ce使結合劑的耐磨性降低,對工具的耐磨性影響不大。對工具來說,結合劑和金剛石的結合強度顯得更重要。3)La、Ce稀土元素可以提高工具的切割速度,提高工具上金剛石的出刃高度,最終使工具的切割性能提高。所有這些都以結合劑的適度磨損為前提,否則,其他的性能都不會發生[9]。
在熱壓燒結金剛石工具胎體中,將稀土在硬質合金中的應用經驗移植到金剛石工具胎體材料中。同時將金剛石工具胎體材料配方中的Co基全部用Fe基代替。成功的制出了稀土Fe基金剛石工具材料,經對其 實際使用性能的測試,其抗彎強度、硬度、沖擊韌性均有較大幅度提高、孔隙率則有了明顯降低[10]。
在研究提高玻璃鋸片的切削性能方面,在胎體金屬粉中加入適量的稀土化合物,胎體對金剛石的把持力有所改善,同時,增加了刀頭胎體材料的脆性,實現了金剛石與胎體的同步磨損,金剛石的脫落度明顯減小;切割速度比參比片提高了21.6%[11]。
在電鍍金剛石工具研制方面,添加稀土可以提高鍍層的耐磨性,添加量以1.0g/L為最佳,失重比從基本鍍液中獲得的鍍層降低了17.6%。鍍層與基體的結合強度試驗結果顯示:添加稀土對于提高鍍層與基體間的結合強度有明顯的作用。當稀土添加劑的含量為1.0 g/L 時,結合強度比基本鍍液的提高了17.4%左右。還有以Ni-Co配方為基礎鍍液電鍍金剛石工具,添加稀土元素的試驗,得出添加稀土元素的配方制成的胎體材料孔隙率明顯減少,鍍液的分散能力提高,深度能力提高等結論[12]。加入5g/L的LaCl3·7H2O可以使亮鎳鍍層晶粒得到較好的細化,可以提高亮鎳鍍層的硬度和鍍液的陰極極化能力,提高鍍層與基體的結合強度和金剛石工具的磨削比[13]。
總之,稀土元素在電鍍中的應用已取得了一些令人矚目的成果,但稀土化合物能否被當作一種普遍適用的物質--“味精”,能否應用于更多的鍍種而相應地產生特殊效果,僅憑目前人們對稀土在電鍍中應用研究,還遠不能作出明確的判斷。對許多鍍種來說,使用稀土元素已獲得明顯的效果,現在人們的工作只是提出了一些試驗事實,還缺乏對稀土元素作用的實質性認識。至于開拓新的稀土功能鍍層的研究,無論工藝方面還是理論方面都很薄弱。因此,為了更有效地開發利用我國豐富的稀土資源,以適應先進科學技術的發展對新材料提出的各種要求,加強稀土電鍍工藝和機理的研究是很有必要。
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