李新躍, 曾憲光, 鄭興文, 曹 盛

（四川理工學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院,四川自貢 643000）

低碳鋼快速化學(xué)鍍Ni-P合金的研究

李新躍, 曾憲光, 鄭興文, 曹 盛

（四川理工學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院,四川自貢 643000）

以低碳鋼為基體進(jìn)行酸性化學(xué)鍍Ni-P,采用單因素實(shí)驗(yàn)法研究了溫度、p H值、還原劑的質(zhì)量濃度以及時(shí)間等工藝參數(shù)對(duì)化學(xué)鍍層沉積速率及耐蝕性的影響。結(jié)果表明最佳工藝條件為:硫酸鎳30 g/L,次磷酸鈉40 g/L,檸檬酸鈉10 g/L,醋酸10 mL/L,乳酸10 mL/L,p H值4.0,80℃,1.5 h;在該工藝條件下,鍍速達(dá)78 g·m-2·h-1,鍍層厚度達(dá)23μm,鍍層具有較強(qiáng)的耐蝕性,孔隙率分布較窄。

化學(xué)鍍Ni-P;工藝條件;沉積速率;耐蝕性

0 前言

化學(xué)鍍鎳是當(dāng)前發(fā)展速度較快的低溫表面強(qiáng)化技術(shù)之一,其具有鍍層厚度均勻、工藝設(shè)備簡(jiǎn)單、孔隙率低和環(huán)保等特點(diǎn),目前已在電子、機(jī)械、汽車、航空航天、采礦、紡織等工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用[1-3]。國(guó)際上將化學(xué)鍍技術(shù)作為一個(gè)無(wú)公害排放的表面處理工藝,有綠色環(huán)保技術(shù)之稱,受到了工業(yè)界的普遍關(guān)注。如何尋求更好的化學(xué)鍍Ni-P合金工藝,獲得耐蝕性更好的鍍層,具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料及試劑

實(shí)驗(yàn)所用材料為低碳鋼,各主要成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為:Al 0.052%,Cr 0.021%,Fe 97.76%,Cd 0.085%,Mg 0.026%,Na 0.077%,O 1.4%,P 0.022%,Si 0.253%;試樣規(guī)格:30 mm×50 mm×1 mm。

實(shí)驗(yàn)所用藥品:硫酸鎳,次磷酸鈉,檸檬酸三鈉,乳酸,乙酸,以上試劑均為分析鈍。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

S4 Explorer型 X射線熒光光譜儀,L K 2005型電化學(xué)工作站,HV-5型維氏硬度計(jì),TT 220型數(shù)值式覆層測(cè)厚儀。

1.3 裝載量確定及試片施鍍工藝流程

為了保證鍍液的穩(wěn)定性、維護(hù)鍍液成分及較精確控制鍍層厚度,鍍液裝載量以0.8～1.2 dm2/L為宜,本實(shí)驗(yàn)取裝載量為1 dm2/L。施鍍工藝流程[4]:

1.4 鍍層性能檢測(cè)

（1）沉積速率

按照 GB/T 13913-1992,利用增重法計(jì)算鍍層沉積速率,計(jì)算公式為:

式中:v為鍍層的沉積速率,g·m-2·h-1;m1為試樣鍍后的質(zhì)量,g;m0為試樣鍍前的質(zhì)量,g;S為試樣的表面積,m2;t為時(shí)間,h。

（2）耐蝕性能

用濃硝酸點(diǎn)滴實(shí)驗(yàn)和靜態(tài)腐蝕實(shí)驗(yàn)來(lái)確定鍍層的耐蝕性能,其實(shí)驗(yàn)步驟為將打磨好的低碳鋼基體試樣和施鍍后的試樣分別用丙酮和無(wú)水乙醇清洗除油,蒸餾水清洗干凈,電吹風(fēng)冷風(fēng)吹干,稱重;室溫下在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液中浸泡24 h,去除腐蝕產(chǎn)物,沖洗干凈,冷風(fēng)吹干,稱重;計(jì)算腐蝕速率,公式為:

式中:G0為單位表面積鍍層在單位時(shí)間內(nèi)的失重,g·m-2·h-1;m1為試樣腐蝕前的質(zhì)量,g;m2為試樣腐蝕后除去腐蝕產(chǎn)物的質(zhì)量,g;S為試樣表面積,m2;t為試樣浸蝕時(shí)間,h。

（3）硬度

鍍層硬度用HV-5型維氏硬度計(jì)測(cè)定。

（4）外觀形貌

鍍層的外觀及表面形貌用目視檢查,表面外觀主要分為光亮、半光亮或無(wú)光亮。

（5）電化學(xué)測(cè)試

利用L K 2005型電化學(xué)工作站在室溫下測(cè)試Tafel極化曲線,電解液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 3.5%的NaCl溶液,極化范圍為-1～0 V,掃描速率為10 mV/s。

（6）孔隙率

按照 GB/T 5935,選用濾紙黏貼法,確定孔隙率。

（7）結(jié)合力

結(jié)合ISO 4527及 GB/T 13913中的相關(guān)規(guī)定,采用銼刀法確定結(jié)合力。

（8）厚度

用TT 220型數(shù)值式覆層測(cè)厚儀測(cè)試鍍層厚度。

2 結(jié)果與討論

2.1 基礎(chǔ)鍍液及工藝條件的確定

查閱文獻(xiàn)并結(jié)合大量預(yù)實(shí)驗(yàn)[5],確定基礎(chǔ)鍍液的組成為:硫酸鎳30 g/L,檸檬酸鈉10 g/L,乳酸10 mL/L,醋酸 10 mL/L 。

2.1.1 溫度對(duì)沉積速率及耐蝕性的影響

在硫酸鎳 30 g/L,次磷酸鈉20 g/L,檸檬酸鈉10 g/L,醋酸10 mL/L,乳酸10 mL/L,p H 值 4.5,施鍍時(shí)間1.5 h的條件下,測(cè)試了溫度對(duì)沉積速率及耐蝕性能的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果,如圖1所示。

圖1 溫度對(duì)沉積速率及耐蝕性的影響

由圖1可知:溫度低于100℃時(shí),隨著溫度的升高,沉積速率隨之增大;當(dāng)溫度大于60℃時(shí),試樣的點(diǎn)滴實(shí)驗(yàn)顯色時(shí)間隨施鍍溫度的增大逐漸增長(zhǎng),鍍層的耐蝕性逐漸增強(qiáng);但當(dāng)溫度超過(guò)90℃,顯色時(shí)間有所下降。可能是隨著溫度的升高,沉積速率加快,鍍層的致密度降低所致。綜合考慮鍍層沉積速率和耐蝕性的情況,溫度應(yīng)控制在70～90℃范圍較好,本實(shí)驗(yàn)中施鍍溫度為80℃。

2.1.2 還原劑對(duì)沉積速率及耐蝕性的影響

在硫酸鎳30 g/L,檸檬酸鈉10 g/L,醋酸10 mL/L,乳酸10 mL/L,p H值4.5,施鍍溫度80℃,施鍍時(shí)間1.5 h的條件下,測(cè)試了還原劑次磷酸鈉的質(zhì)量濃度對(duì)沉積速率及耐蝕性的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果,如圖2所示。

由圖2可知:隨著次磷酸鈉的質(zhì)量濃度的增加,沉積速率先減小后增大,當(dāng)其質(zhì)量濃度在30～50 g/L時(shí),隨著次磷酸鈉的質(zhì)量濃度的不斷增加,沉積速率不斷增大;當(dāng)其質(zhì)量濃度在20～40 g/L時(shí),對(duì)鍍層的耐蝕性影響不大,當(dāng)其質(zhì)量濃度在40～50 g/L時(shí),顯色時(shí)間明顯減短,鍍層的耐蝕性有較大下降。綜合考慮沉積速率和耐蝕性的情況,鍍液中次磷酸鈉的質(zhì)量濃度定為40 g/L。

圖2 還原劑對(duì)沉積速率及耐蝕性的影響

2.1.3 p H值對(duì)沉積速率及耐蝕性的影響

在硫酸鎳30 g/L,次磷酸鈉40 g/L,檸檬酸鈉10 g/L,醋酸 10 mL/L,乳酸 10 mL/L,施鍍溫度80℃,施鍍時(shí)間1.5 h的條件下,測(cè)試了p H值對(duì)沉積速率及耐蝕性的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果,如圖3所示。

圖3 p H值對(duì)沉積速率及耐蝕性的影響

由圖3可知:隨著p H值的升高,沉積速率加快;p H值越高,顯色時(shí)間越短,說(shuō)明試樣的耐蝕性越差。綜合考慮鍍層沉積速率和耐蝕性的情況,確定鍍液的p H值為4.0。

2.1.4 時(shí)間對(duì)沉積速率及耐蝕性的影響

在硫酸鎳30 g/L,次磷酸鈉40 g/L,檸檬酸鈉10 g/L,醋酸10 mL/L,乳酸10 mL/L,p H值4.0,施鍍溫度80℃的條件下,測(cè)試了施鍍時(shí)間對(duì)沉積速率及耐蝕性的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果,如圖4所示。

由圖4可知:隨著施鍍時(shí)間的增加,鍍層的沉積速率呈下降趨勢(shì),這是由于鍍層的形成要消耗鍍液中的金屬和類金屬離子,使反應(yīng)物的質(zhì)量濃度逐漸降低,加之某些生成物（如氫氧化物或堿式鹽）的形成,也將影響反應(yīng)速率[6],使鍍速降低;隨著施鍍時(shí)間的增加,顯色時(shí)間不斷增加,鍍層耐蝕性不斷提高,這是由于鍍層沉積速率放慢,形成的鍍層更加致密,孔隙率更低所致[7]。綜合考慮鍍層沉積速率和耐蝕性的情況,施鍍時(shí)間確定在1.5 h為宜。

圖4 時(shí)間對(duì)沉積速率及耐蝕性的影響

綜上所述,在硫酸鎳30 g/L,次磷酸鈉40 g/L,檸檬酸鈉 10 g/L,醋酸 10 mL/L,乳酸10 mL/L,p H值4.0,1.5 h,80℃的條件下所得的鍍層的表面平整,有金屬光澤,無(wú)結(jié)瘤現(xiàn)象,整體質(zhì)量好。

2.2 鍍層性能檢測(cè)

2.2.1 沉積速率、外觀、厚度及孔隙率分析

鍍層沉積速率較快,達(dá)78 g·m-2·h-1。鍍后試樣表面光亮,目視檢查時(shí),表面較平整均勻,無(wú)麻點(diǎn)、裂紋、起泡、分層或結(jié)瘤等缺陷,鍍層質(zhì)量整體較好。鍍層厚度較均勻,平均厚度可達(dá)23μm。鍍層孔隙率整體較低,為0.2個(gè)/cm2,說(shuō)明鍍層整體致密性較好。

2.2.2 鍍層的結(jié)合力分析

使用銼刀沿與試樣成45°角銼磨4次后 ,未見鍍層起皮或脫落 ,說(shuō)明鍍層與基體結(jié)合力良好。

2.2.3 成分分析

用S4 Explorer型X射線熒光光譜儀測(cè)試鍍層成分,化學(xué)鍍層主要由Ni和 P兩種元素組成,Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90.24%,P的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.85%。

2.2.4 顯微硬度分析

用 HV-5型維氏硬度計(jì)測(cè)定鍍層硬度,加載載荷為4.9 N,加載時(shí)間為10 s,對(duì)試樣取6個(gè)不同位置測(cè)試,取平均值。測(cè)試結(jié)果表明:所測(cè)6個(gè)點(diǎn)的硬度相差不大,鍍層硬度整體較好,平均達(dá)2 649.5 MPa,表明鍍層均有一定的耐磨性,可以較好地保護(hù)Ni-P鍍層不被磨損。

2.2.5 靜態(tài)腐蝕實(shí)驗(yàn)

為了比較鍍后試樣耐蝕性的變化,實(shí)驗(yàn)分為兩組,一組實(shí)驗(yàn)為空白對(duì)照實(shí)驗(yàn),試樣為經(jīng)打磨處理后的低碳鋼基體試樣;另一組試樣為施鍍后的低碳鋼試樣,每組分別作3個(gè)水平實(shí)驗(yàn)。室溫下分別將兩組試樣浸泡在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液中24 h。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知:鍍后的低碳鋼試樣的平均腐蝕速率為0.034 62 g·m-2·h-1,而未作化學(xué)鍍處理的低碳鋼試樣的腐蝕速率卻高達(dá)0.106 66 g·m-2·h-1。這充分說(shuō)明經(jīng)過(guò)化學(xué)鍍Ni-P處理后的低碳鋼試樣耐蝕性有較大的提高。

2.2.6 Tafel極化曲線測(cè)試

利用L K 2005型電化學(xué)綜合測(cè)試系統(tǒng)在室溫下測(cè)試 Tafel極化曲線。圖5是低碳鋼基體材料和表面化學(xué)鍍Ni-P試樣的極化曲線。由圖5可知:經(jīng)過(guò)表面化學(xué)鍍Ni-P處理后的試樣,電流密度明顯低于基體材料的,且腐蝕電位正移了近152 mV,說(shuō)明經(jīng)過(guò)化學(xué)鍍Ni-P表面處理后,試樣的耐蝕性能得到了明顯的改善。

圖5 試樣的極化曲線

3 結(jié)論

（1）通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)得出化學(xué)鍍Ni-P的最佳配方及工藝條件:硫酸鎳30 g/L,次磷酸鈉40 g/L,檸檬酸鈉 10 g/L,醋酸 10 mL/L,乳酸 10 mL/L,p H值4.0,80℃,1.5 h。

（2）在最佳工藝條件下,鍍層沉積速率達(dá)78 g·m-2·h-1,厚度可達(dá)23μm。鍍層具有較強(qiáng)的耐蝕性,孔隙率整體較低,鍍層表面平整、光亮、分布較均勻,有很好的金屬光澤,無(wú)麻點(diǎn)、起泡、分層、結(jié)瘤等缺陷。

[1] 姜曉霞,沈偉.化學(xué)鍍理論及實(shí)踐[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2000:35-39.

[2] 黃天尉.化學(xué)鍍鎳技術(shù)應(yīng)用研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2009,32:90-92.

[3] 廖西平,夏洪均.化學(xué)鍍鎳技術(shù)及其工業(yè)應(yīng)用[J].重慶工商大學(xué)學(xué)報(bào),2009,26（4）:399-402.

[4] 李慧琪,李惠東.低溫超聲波化學(xué)鍍鎳層的組織結(jié)構(gòu)與性能[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào),1998,8（4）:573-578.

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[7] 侯引平,姜忠義,李艷,等.化學(xué)鍍Ni-P合金的工藝條件研究[J].陜西師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2005,33:89-93.

A Study of Fast Electroless Ni-P Alloy Plating for Low Carbon Steel

LI Xin-yue, ZENG Xian-guang, Zheng Xing-wen, CAO Sheng
（Institute of Material and Chemical Engineering,Sichuan University of Science and Engineering,Zigong 643000,China）

Acid electroless Ni-P alloy plating was carried on carbon steel substrate and the effects of such processing parameters as temperature,p H value,mass concentration of reducing agent,processing time,etc.on deposition rate and corrosion resistance of the electroless coating was investigated by single factor experiments.The results show that the most optimal conditions are:NiSO4·6H2O 30 g/L,NaH2PO2·H2O 40 g/L,C6H5Na3O7·2H2O 10 g/L,acetic acid 10 mL/L,lactic acid 10 mL/L,p H value 4.0,temperature 90℃,processing time 1.5h.Under such processing conditions,plating rate has reached 78 g·m-2·h-1and plating thickness 23μm.The coating has a strong corrosion resistance and the porosity distribution is narrower.

electroless Ni-P alloy plating;processing condition;deposition rate;corrosion resistance

TQ 153

A

1000-4742（2011）04-0021-04

2010-12-01

·設(shè) 備·