稀土在電鍍中的應(yīng)用分析

       稀土元素包括原子序數(shù)從57到71的15個鑭系元素：鑭、鈰、鐠、釹、钷、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、镥以及與鑭系元素在化學(xué)性質(zhì)上相似 的鈧和釔，共17個元素。稀土元素獨特的4f層電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)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(dǎo)性、光電轉(zhuǎn)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(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛，成為發(fā)展現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)不可缺少的功能材料，是材料科學(xué)領(lǐng)域中的一個熱門研究課 題，受到各國科學(xué)工作者的極大關(guān)注。

　　早期開發(fā)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(fā)出了多種稀土復(fù)合添加劑。尤其是 稀土在電沉積過程中的研究及應(yīng)用正日趨深入。在電鍍?nèi)芤褐屑尤肷倭康南⊥粱衔锖?，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? 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(zhuǎn)入了大批量的工業(yè)生產(chǎn)，形成了系列產(chǎn)品。通過多年的生產(chǎn)實踐表明，這是一項低溫、低電 耗、低成本、低污染、高質(zhì)量、高穩(wěn)定性、高效率，經(jīng)濟效益顯著的新工藝。研究結(jié)果表明，鍍鉻技術(shù)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(jīng)濟效益。

　　稀土在鍍鋅及鋅基合金中的應(yīng)用研究也比較成功。微量的稀土加入鍍液可使鍍層晶粒細(xì)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1.0g/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(yōu)良的耐腐蝕性能[4]。在鋁合金基體上鍍鎳的應(yīng)用研究中，利用熱沖擊法測得稀土有提高基體與鍍層結(jié)合強度的作用[5]。

　　在硫酸鹽體系中可獲得含鈷量小40%(質(zhì)量)的鎳。鈷合金鍍層，其共沉積過程屬于“異常共沉積”。在基礎(chǔ)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(qū)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(yīng)有較高的催化活性[6]。

　　稀土在鎳鐵合金電鍍方面的應(yīng)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(jié)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(jié)果大體相同。從電流效率和分散能力的 測定數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，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(wěn)定鍍液的作 用。陰極極化曲線和掃描電子顯微鏡分析發(fā)現(xiàn)，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(jié)晶細(xì) 致、平滑、光亮，故可提高鍍層的防護、裝飾性能。

　　天津大學(xué)應(yīng)用化學(xué)系郭鶴桐等開發(fā)的銀-氧化鑭復(fù)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(xué)穩(wěn)定性高等優(yōu)點[8]。

　　在研究稀土元素影響金剛石工具的力學(xué)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(guān)因素中發(fā)現(xiàn)，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(jié)合力的作用。2)La、Ce使結(jié)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(jié)合劑和金剛石的結(jié)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(jié)合劑的適度磨損為前提，否則，其 他的性能都不會發(fā)生[9]。

　　在熱壓燒結(jié)金剛石工具胎體材料中，將稀土在硬質(zhì)合金中的應(yīng)用經(jīng)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(jīng)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(xiàn)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(jié)合強度試驗結(jié)果顯示：添加稀土對于提高鍍層與基體間的結(jié)合強度有明顯的作用。當(dāng)稀土添加劑的含量為1.0g/L時，結(jié)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(chǔ)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(jié)論[12]。加入5g/L的LaCl3·7H2O可以使亮鎳鍍層晶粒得到較好的細(xì)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(jié)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(yīng)用已取得了一些令人矚目的成果，但稀土化合物能否被當(dāng)作一種普遍適用的物質(zhì)--“工業(yè)味精”，能否應(yīng)用于更多的鍍種 而相應(yīng)地產(chǎn)生特殊效果，僅憑目前人們對稀土在電鍍中應(yīng)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(xiàn)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(zhì)性認(rèn)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(fā) 利用我國豐富的稀土資源，以適應(yīng)先進科學(xué)技術(shù)的發(fā)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。