何勇

(安徽軍工集團(tuán)控股有限公司，合肥 230001)

沖蝕是指固體表面同含有固體粒子的流體接觸做相對運(yùn)動時其表面材料所發(fā)生的損耗現(xiàn)象，攜帶固體粒子的流體可以是氣體，也可以是液體。在沖蝕過程中材料既有沖擊磨損，也有腐蝕現(xiàn)象，因此沖蝕是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中常見的一種磨損形式，是造成機(jī)器設(shè)備及其零部件損壞報廢的重要原因之一［1–4］?；瘜W(xué)鍍Ni–P合金由于其優(yōu)異的性能，在工業(yè)上獲得廣泛應(yīng)用［5–6］，用鐵取代部分鎳，除了能降低成本外，還可提高合金的某些特性［7］。筆者在制備化學(xué)沉積Ni–Fe–P基礎(chǔ)上對其沖蝕特性能進(jìn)行了探討。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與試劑

掃描電子顯微鏡：JSM–7500F型，日本電子株式會社；

X射線衍射儀：Td3500A型，丹東奧龍射線儀器有限公司；

電化學(xué)測試系統(tǒng)：CHI660B型，上海辰華公司；

沖蝕試驗(yàn)機(jī)：課題組搭建的實(shí)驗(yàn)裝置；

基體材料：純銅片，經(jīng)除油、活化后備用,樣品尺寸為20 mm×20 mm×0.5 mm；

化學(xué)沉積Ni–Fe–P合金溶液：硫酸鎳10～40 g／L，次亞磷酸鈉20～50 g／L，硫酸亞鐵4～16 g／L，檸檬酸三鈉20～50 g／L，硫酸銨20 g／L，乳酸20 mL／L，溶液溫度為(85±2)℃，溶液pH值為9.0～10.0；

配制溶液所用試劑均為分析純。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用掃描電子顯微鏡觀察沉積層表面形貌，用能譜儀測試試樣的成分；用X射線衍射儀對樣品進(jìn)行物相分析；樣品沖蝕特性在組裝的沖蝕試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行分析；用沖蝕前后樣品質(zhì)量損失評價沖蝕量的大小，并觀察沖蝕后試樣表面的形貌；沉積層電化學(xué)性能在電化學(xué)測試系統(tǒng)中進(jìn)行。

1.3 儀器工作條件

1.3.1 掃描電子顯微鏡

加速電壓:15 kV；束流：10 μA。

1.3.2 X射線衍射儀

采用CuKα射線輻射；管電壓：25 kV；管電流：20 mA；掃描速度：0.08o／s。

1.3.3 沖蝕試驗(yàn)機(jī)工作條件

沖蝕溶液：3.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）NaCl溶液，溶液中加入20 g／L的碳化硅顆粒，粒度分別為250，124，82，62 μm；沖擊角度：45o，60o，75o，90o；漿體流速：40，50，60，70 mL／s。

1.3.4 電化學(xué)測試系統(tǒng)

采用常規(guī)三電極體系，其中化學(xué)鍍Ni–Fe–P鍍層為工作電極，飽和甘汞電極為參比電極，鉑片為輔助電極，其中工作電極的面積為10 mm×10 mm，電極的非工作面錫焊銅絲后用AB膠密封，晾干備用。實(shí)驗(yàn)中當(dāng)電極溶液中的開路電位穩(wěn)定后，測試范圍以開路電位為中心加減0.3 V，掃描速度為3.6 mV／s。

2 結(jié)果與討論

2.1 硫酸亞鐵對沉積行為的影響

圖1為硫酸亞鐵濃度對鍍層組成的影響，由圖1可以看出，隨著硫酸亞鐵質(zhì)量濃度增大，鍍層中的鐵含量增大，磷含量下降。主要原因是鐵以與鎳共沉積的形式少量析出，當(dāng)硫酸亞鐵加入量較少時，對鐵與鎳的共沉積是有利的。

圖1 硫酸鹽鐵含量對鍍層成分的影響

圖2為硫酸亞鐵加入量對鍍層形貌的影響。由圖2可知，鍍層為胞狀結(jié)構(gòu)，隨著硫酸亞鐵質(zhì)量濃度的增加胞狀結(jié)構(gòu)的尺寸基本沒有變化，當(dāng)硫酸亞鐵質(zhì)量濃度較低時，由于反應(yīng)速度較快，反應(yīng)產(chǎn)生的氣體來不及從基體表面釋放出去，鍍層表面氣孔較多。

2.2 鍍層組織結(jié)構(gòu)與性能

圖3為鍍態(tài)下鍍層的X衍射譜圖。由圖3可以看出，在衍射角45°附近有一個寬泛的“饅頭”峰峰存在，說明鍍態(tài)下鍍層中有非晶態(tài)的相存在，同時在衍射角50°附近還出現(xiàn)了鎳的衍射峰，說明鍍態(tài)下鍍層的物相組成為非晶態(tài)+鎳的固溶體。

圖2 硫酸亞鐵加入量對鍍層形貌的影響

圖3 鍍態(tài)下鍍層X射線衍射分析

圖4為鍍層在3.5% NaCl溶液中的電化學(xué)特性，由圖4可以看出，化學(xué)鍍Ni–P鍍層和Ni–Fe–P鍍層在3.5% NaCl溶液中的腐蝕電位分別為–0.485 V， –0.468 V，化學(xué)鍍Ni–Fe–P鍍層的腐蝕電位比化學(xué)鍍Ni–P鍍層的腐蝕電位高，具有較好的耐蝕性。

圖4 鍍層在3.5%NaCl溶液中的電化學(xué)特性

2.3 不同沖擊角度時碳化硅顆粒大小對沖蝕量的影響

圖5為在含有3.5%NaCl的懸浮液中顆粒大小對鍍層質(zhì)量損失的影響。由圖5可知，在碳化硅顆粒粒度為175 μm時，鍍層質(zhì)量損失出現(xiàn)最大值。在相同的沖擊角度和流速下，當(dāng)顆粒粒度較大時，單個顆粒對鍍層的沖擊作用較強(qiáng)，鍍層質(zhì)量損失有增大的趨勢。另一方面，由于加入碳化硅顆粒的質(zhì)量是一定的，所以當(dāng)碳化硅顆粒粒徑較大時，單位時間內(nèi)沖擊到單位面積上的顆粒數(shù)量減少，這一因素又會導(dǎo)致鍍層質(zhì)量損失下降。碳化硅顆粒為175 μm時，二者有較佳的配合，鍍層質(zhì)量損失達(dá)到最大。圖6為碳化硅顆粒粒度為250 μm時，沖蝕過后鍍層的形貌。由圖6可以看出，當(dāng)懸浮液以45°沖擊到樣品表面時，由于沖擊作用較小，在剪切和沖擊的的共同作用下，鍍層表面出現(xiàn)了許多沖擊產(chǎn)生的坑和剪切作用產(chǎn)生的劃痕；當(dāng)懸浮液以90°沖擊到鍍層表面時，由于懸浮液中碳化硅顆粒的反復(fù)沖擊作用，樣品的表面出現(xiàn)了許多細(xì)小的孔洞。

圖6 鍍層沖蝕后表面形貌

2.4 沖蝕液流速對沖蝕量的影響

圖7為沖蝕液流速對質(zhì)量損失的影響。由圖7可看出，隨著3.5%NaCl懸浮液流速的增大鍍層質(zhì)量損失增加。這主要由于隨著流速的增大，懸浮液對鍍層的沖刷作用以及懸浮液中碳化硅顆粒對鍍層的沖擊作用均增強(qiáng)，從而導(dǎo)致鍍層質(zhì)量損失的增加。

圖7 沖蝕液流速對質(zhì)量損失的影響

沖蝕是腐蝕與機(jī)械磨損共同作用的結(jié)果。一方面，沖蝕溶液與樣品表明相互作用，形成一層腐蝕產(chǎn)物，在溶液的沖擊下，腐蝕產(chǎn)物碎裂并隨溶液從樣品表面移除，露出新的表面，通過不斷產(chǎn)生腐蝕–去除，樣品質(zhì)量降低；另一方面，含有硬質(zhì)顆粒的溶液對試樣表面有沖擊作用，這種沖擊可以使腐蝕產(chǎn)物去除，也可以對表面金屬產(chǎn)生沖擊，使其發(fā)生塑性變形。圖8為顆粒粒度對鍍層沖蝕后形貌的影響，從圖8可以看出，顆粒粒度為124 μm時，鍍層表面的破壞情況明顯比其它粒度下嚴(yán)重，顆粒粒度為62 μm時鍍層表面破壞最小。

圖8 顆粒粒度對鍍層沖蝕后形貌的影響

3 結(jié)論

采用化學(xué)沉積方法在銅基體上獲得Ni–Fe–P合金，分析了硫酸亞鐵不同添加量對鍍層成分及微觀形貌的變化規(guī)律，在課題組搭建的實(shí)驗(yàn)平臺上，研究了在不同粒度碳化硅顆粒與3.5%NaCl溶液組成的懸浮液沖擊下，鍍層的質(zhì)量損失，為化學(xué)鍍合金在承受腐蝕和磨損狀態(tài)下的使用提供了參考。

在本實(shí)驗(yàn)條件下，所獲得的鍍層在鍍態(tài)下為非晶態(tài)的鎳基合金與鎳的固溶體組成的混合相，其腐蝕電位高于化學(xué)鍍Ni–P鍍層。在各種沖擊角度下，碳化硅顆粒粒度為124 μm時，鍍層質(zhì)量損失均出現(xiàn)最大值，隨著懸浮液流速的增大鍍層質(zhì)量損失增加。

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