金輝 *,王一雍,郎現(xiàn)瑞,南紅玉,莊子棟,周立強
(1.遼寧科技大學材料與冶金學院,遼寧 鞍山 114051;2.沈陽工業(yè)大學材料科學與工程學院,遼寧 沈陽 110870;3.遼寧科技大學激光先進制造技術研發(fā)中心,遼寧 鞍山 114051)
納米化學復合鍍鎳-磷-氧化鋁工藝
金輝1,2,3,*,王一雍1,3,郎現(xiàn)瑞1,南紅玉1,莊子棟1,周立強1
(1.遼寧科技大學材料與冶金學院,遼寧 鞍山 114051;2.沈陽工業(yè)大學材料科學與工程學院,遼寧 沈陽 110870;3.遼寧科技大學激光先進制造技術研發(fā)中心,遼寧 鞍山 114051)
通過正交試驗對 45鋼上復合化學鍍 Ni-P-Al2O3的工藝條件進行優(yōu)化,得到的最佳工藝條件為:NiSO4·7H2O 25 g/L,NaH2PO2·H2O 30 g/L,CH3COONa 15 g/L,NaF 0.4 g/L,乳酸20 mL/L,硫脲20 mg/L,十二烷基磺酸鈉0.1 g/L,納米α-Al2O35 g/L,溫度90 ℃,pH 4.8,時間2 h,轉速300 r/min。分別采用掃描電鏡、能譜儀、維氏硬度儀和電化學工作站對鍍層的微觀形貌、組成、顯微硬度以及耐蝕性進行表征。在最優(yōu)工藝下制備的Ni-P-Al2O3復合鍍層,Al2O3微粒分布均勻,結構致密,顯微硬度為204 HV,耐蝕性均優(yōu)于Ni-P鍍層。
鎳-磷合金;氧化鋁;化學復合鍍;顯微硬度;耐蝕性中圖分類號:TQ153.2文獻標志碼:A
納米化學復合鍍是通過化學鍍使不溶于鍍液的納米固體微粒和金屬共沉積,得到具有較高硬度、耐磨、耐蝕、耐熱以及裝飾性等功能性鍍層[1]。目前,國內Ni-P基納米復合化學鍍主要是往鍍液中添加非金屬單質或化合物粉體納米粒子,如 SiC[2]、SiO2[3]、Al2O3[4-5]、ZnO、CeO2和TiO2[6-7]及金屬納米粒子[8]等,所得納米復合化學鍍鎳層硬度高,耐蝕性能也有所增強[9]。
由于納米Al2O3具有硬度高、密度大、化學穩(wěn)定性好等特點,將其復合到金屬鍍層中可提高鍍層的硬度、耐磨性和耐蝕性能[10-12]。本文以45碳鋼為基體進行納米化學復合鍍。為提高納米粒子的分散性,通過超聲波分散、機械攪拌和分散劑相結合,使Al2O3納米微粒均勻彌散分布于 Ni-P基體中,得到 Ni-P-Al2O3納米復合鍍層。通過正交試驗對Ni-P-Al2O3化學復合鍍進行正交優(yōu)化,并表征了鍍層的組織結構、耐蝕性和結合力等性能。
基體為 50 mm × 20 mm × 1 mm的 45#碳鋼,納米α-Al2O3的平均粒度為30 nm。
打磨—無水乙醇除油—水洗—堿性除油(Na2CO320 ~ 30 g/L,Na3PO4·12H2O 50 ~ 70 g/L,NaOH 40 ~ 60 g/L,Na2SiO35 ~ 10 g/L,80 ~ 90 ℃)—水洗—活化[φ(HCl)=20%]—水洗—施鍍—水洗—干燥。
配制鍍液時,鍍液中納米Al2O3顆粒的分散至關重要。先將納米Al2O3粒子用一定量的去離子水潤濕,加入0.1 g/L十二烷基磺酸鈉,超聲波分散1 h后,將納米Al2O3溶液加入鍍液中,再超聲波分散1 h,即得化學鍍Ni-α-Al2O3復合鍍液。
1.4.1 微觀形貌和成分
采用 JSM-6480LV掃描電鏡(SEM,日本電子)對鍍層的微觀形貌及納米微粒的分散情況進行觀察,并采用附帶的能譜儀(SEM)對鍍層成分進行測定。
1.4.2 顯微硬度
采用HVS-10型數顯維氏硬度計(蘇州市電子科技有限公司)測定鍍層的顯微維氏硬度,載荷為3 N,加載時間為10 s。每個試樣測5個點,取平均值。
1.4.3 耐蝕性
1.4.3.1 電化學測試
采用Autolab PGSTAT302電化學工作站(荷蘭Eco Chemie)測定鍍層的耐腐蝕性以飽和KCl|AgCl電極為參比電極,鉑片為輔助電極,以有效面積為1 cm2的鍍件為工作電極。腐蝕液為 3.5%(質量分數)的 NaCl溶液,測試溫度為室溫(25 ℃),掃描速率為0.01 V/s。
1.4.3.2 浸泡實驗
將試樣浸泡于質量分數為 3.5%的 NaCl溶液中,溶液溫度恒定在25 ℃,每隔一段時間觀察試樣表面狀態(tài),并記錄出現(xiàn)銹點的時間。
1.4.4 結合力
按GB/T 5933-1986《輕工產品金屬鍍層的結合強度測試方法》,采用熱震法定性檢測鍍層的結合強度。將施鍍后的合金試樣在200 ℃下烘烤2 h,取出迅速冷卻,觀察鍍層有無局部剝離、起泡、起皮等不良現(xiàn)象。
以鍍層的維氏硬度為指標,對化學復合鍍Ni-P-Al2O3進行正交優(yōu)化,試驗結果和極差分析見表1。
表1 正交試驗結果和極差分析Table 1 Results and range analysis of orthogonal test
由表1可知,各因素對化學復合鍍Ni-P-Al2O3影響的主次順序為ρ(Al2O3)> 溫度 > pH。最優(yōu)工藝組合為 A3B3C2,即 Al2O35 g/L、鍍液溫度 90 ℃、pH 4.8,為正交試驗中的組合9,對應的鍍層顯微硬度為341 HV。相同條件下所得Ni-P鍍層的顯微硬度為204 HV??梢婂儗又?Al2O3的存在使 Ni-P-Al2O3納米復合鍍層的顯微硬度提高了137 HV。
采用最佳工藝制備 Ni-P-Al2O3復合鍍層和 Ni-P鍍層,并進行以下性能表征。
2.2.1 形貌和成分
圖 1是 Ni-P-Al2O3復合鍍層和 Ni-P鍍層的 SEM照片。
圖1 不同鍍層的SEM照片F(xiàn)igure 1 SEM images of different coatings
由圖1可知,Ni-P鍍層為典型的單元式胞狀結構,胞的大小為5 ~ 15 μm,胞與胞之間有明顯的邊界,結構松散。Ni-P-Al2O3復合鍍層表面由細小的顆粒物組成,微粒分布較均勻,結構致密,白色的微粒為被鎳層包裹后的Al2O3微?;蛭⒘F。
圖2為Ni-P-Al2O3復合鍍層的EDS譜圖。
圖 2 Ni-P-Al2O3復合鍍層的 EDS 譜Figure 2 EDS spectrum for Ni-P-Al2O3 composite coating
由圖2可知,復合鍍層主要由O、Al、P、Ni等4種元素組成。說明鍍層中含有納米Al2O3粒子,已成功實現(xiàn)復合化學鍍 Ni-P-Al2O3。
2.2.2 耐蝕性
圖 3是 Ni-P-Al2O3復合鍍層和 Ni-P 鍍層在 3.5%NaCl溶液中的極化曲線。從圖3可知,Ni-P-Al2O3復合鍍層和Ni-P鍍層在3.5% NaCl溶液中的腐蝕電位分別為-0.229 V和-0.313 V,腐蝕電流密度分別為2.668 ×10-6A/cm2和 3.876 × 10-5A/cm2。復合鍍層的腐蝕電位正于Ni-P鍍層,且腐蝕電流密度低于Ni-P鍍層,說明納米Al2O3的加入使鍍層的耐蝕性提高。
圖3 不同鍍層在3.5% NaCl溶液中的極化曲線Figure 3 Polarization curves for different coatings in 3.5%NaCl solution
表 2為 Ni-P-Al2O3復合鍍層和 Ni-P 鍍層在 3.5%NaCl溶液中的浸泡實驗結果。
表2 不同鍍層在3.5% NaCl溶液中的浸泡實驗結果Table 2 Results of immersion test of different coatings in 3.5% NaCl solution
Ni-P鍍層在浸泡5 h后就產生銹點,且隨浸泡時間延長,銹蝕點增多。Ni-P-Al2O3復合鍍層在浸泡50 h后出現(xiàn)銹蝕點,隨浸泡時間延長,銹蝕點增多不明顯,表面狀態(tài)變化不大,說明鍍層中納米Al2O3的存在使鍍層耐蝕性提高。
2.2.3 結合力
對鍍層進行熱震試驗后,用放大鏡觀察鍍層,發(fā)現(xiàn)鍍層無鼓泡、起皮或脫落等現(xiàn)象,說明鍍層結合力合格。
(1)Ni-P-Al2O3化學復合鍍的最佳工藝條件為:NiSO4·7H2O 25 g/L,NaH2PO2·H2O 30 g/L,CH3COONa 15 g/L,NaF 0.4 g/L,乳酸20 mL/L,硫脲20 mg/L,十二烷基磺酸鈉0.1 g/L,納米α-Al2O35 g/L,溫度90 ℃,pH 4.8,時間2 h,轉速300 r/min。
(2)采用最優(yōu)工藝制備的Ni-P-Al2O3復合鍍層均勻致密,顯微硬度為341 HV,耐蝕性能明顯優(yōu)于Ni-P鍍層。
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Electroless plating process of nickel-phosphorous-aluminum oxide nanocomposite
JIN Hui*, WANG Yi-yong, LANG Xian-rui, NAN Hong-yu, ZHUANG Zi-dong, ZHOU Li-qiang
The process conditions of electroless Ni-P-Al2O3composite plating on 45 steel were optimized through orthogonal test.The optimal process conditions are as follows: NiSO4·7H2O 25 g/L, NaH2PO2·H2O 30 g/L,CH3COONa 15 g/L, NaF 0.4 g/L, lactic acid 20 mL/L,thiourea 20 mg/L, sodium dodecyl sulfate 0.1 g/L,α-Al2O3nanoparticle 5 g/L, temperature 90 ℃, pH 4.8, rotation speed 300 r/min, and time 2 h.The micromorphology, composition,microhardness, and corrosion resistance of Ni-P-Al2O3composite coating were characterized using scanning electron microscope, energy-dispersive spectroscope, Vikers hardness tester, and electrochemical workstation.The Ni-P-Al2O3composite coating prepared under the optimal process conditions futures uniform distribution of Al2O3particles and compact structure, and has a microhardness of 204 HV and better corrosion resistance than that of Ni-P coating.
nickel-phosphorous alloy; aluminum oxide;electroless composite plating; microhardness; corrosion resistance
School of Materials and Metallurgy, University of Science and Technology Liaoning,Anshan 114051, China
1004-227X (2014)03-0115-03
2013-08-08
2013-11-01
;高等學校博士學科點專項科研基金(20102120120001);遼寧科技大學科研專項基金資助項目(2012RC05)。
金輝(1982-),女,遼寧鞍山人,碩士,講師,主要從事材料表面技術的研究。
(E-mail)hui313@163.com。
周新莉]