【知識】稀土在電鍍中的應用分析

稀土在材料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、提高經濟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。

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、鉕、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、鑥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層電子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。

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，開發出了多種稀土複合添加劑。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後，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。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工業生產，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、低成本、低污染、高品質、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：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、緻密，從而提高鍍鋅層的耐蝕性能。在鋅鎳合金電鍍中，加入少量(小於1.0g/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，鈰還有利於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。在鋁合金基體上鍍鎳的應用研究中，利用熱衝擊法測得稀土有提高基體與鍍層結合強度的作用。

在硫酸鹽體系中可獲得含鈷量小40％(品質)的鎳。鈷合金鍍層，其共沉積過程屬於“異常共沉積”。在基礎鍍液中加入少量的稀土化合物，由於稀土化合物在陰極表面的特徵吸附，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。

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。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合金的電流密度範圍拓寬。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資料可以發現，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後，增大了Ni-Fe合金電沉積的陰極極化，並使獲得的Ni-Fe合金鍍層的結晶細緻、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-氧化鑭複合材料具有硬度高、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。

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。

在熱壓燒結金剛石工具胎體材料中，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、衝擊韌性均有較大幅度提高、孔隙率則有了明顯降低。

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%。

在電鍍金剛石工具研製方面，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：添加稀土對於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1.0g/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製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。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。

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--“工業味精”，能否應用於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。至於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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