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]。國際上將化學(xué)鍍技術(shù)作為一個(gè)無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

（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、半光亮或無光亮。

（5）電化學(xué)測試

利用L K 2005型電化學(xué)工作站在室溫下測試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)值式覆層測厚儀測試鍍層厚度。

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,測試了溫度對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,鍍層的耐蝕性逐漸增強(qiáng);但當(dāng)溫度超過90℃,顯色時(shí)間有所下降?？赡苁请S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,測試了還原劑次磷酸鈉的質(zhì)量濃度對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 還原劑對沉積速率及耐蝕性的影響

2.1.3 p H值對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,測試了p H值對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,測試了施鍍時(shí)間對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,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,無結(jié)瘤現(xiàn)象,整體質(zhì)量好。

2.2 鍍層性能檢測

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)測定鍍層硬度,加載載荷為4.9 N,加載時(shí)間為10 s,對試樣取6個(gè)不同位置測試,取平均值。測試結(jié)果表明:所測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。這充分說明經(jīng)過化學(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極化曲線測試

利用L K 2005型電化學(xué)綜合測試系統(tǒng)在室溫下測試 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,說明經(jīng)過化學(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].中國有色金屬學(xué)報(bào),1998,8（4）:573-578.

[5] 蒲艷麗,杜敏,高榮杰,等.化學(xué)鍍Ni-P合金工藝的優(yōu)化[J].電鍍與精飾,2004,26（3）:25-29.

[6] 胡睿,張華明,熊曉玲,等.小體積化學(xué)鍍鎳工藝[J].電鍍與涂飾,2009,28（8）:27-29.

[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·