稀土在材料科學(xué)領(lǐng)域中受到各國科學(xué)工作者的極大關(guān)注，尤其在電鍍中發(fā)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(jīng)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(fā)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(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[1],。
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(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,。
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[1],。
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(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,。
