黃曉梅， 徐曉鵬， 李 陽， 廖明銳

（哈爾濱工程大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001）

復(fù)合配位劑化學(xué)鍍Ni-Cr-P鍍層的性能測試

黃曉梅， 徐曉鵬， 李 陽， 廖明銳

（哈爾濱工程大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001）

對甲酸鈉、乙酸鈉、檸檬酸、乳酸配位劑復(fù)配的Ni-Cr-P化學(xué)鍍層進(jìn)行了微觀形貌、組成、結(jié)構(gòu)、耐蝕性、鍍速、硬度等測試。結(jié)果表明：Ni-Cr-P化學(xué)鍍層表面為細(xì)致的胞狀結(jié)構(gòu)，其含有鉻元素，鉻的加入促使非晶態(tài)結(jié)構(gòu)形成；化學(xué)鍍Ni-Cr-P的鍍速為14μm／h；Ni-Cr-P化學(xué)鍍層的耐蝕性及硬度均優(yōu)于Ni-P化學(xué)鍍層的。

配位劑；化學(xué)鍍Ni-Cr-P；性能測試

0 前言

目前，Ni-P化學(xué)鍍層已不能滿足現(xiàn)代工業(yè)日益提高的防腐蝕要求。在Ni-P化學(xué)鍍液中加入鉻鹽及輔助成分，形成了一種新的化學(xué)鍍Ni-Cr-P工藝。鉻是易鈍化金屬，加入鉻的鍍層擁有更高的硬度與耐蝕性［1-2］。因此，Ni-Cr-P化學(xué)鍍層的應(yīng)用領(lǐng)域比Ni-P化學(xué)鍍層的更廣［3］。國內(nèi)的化學(xué)鍍Ni-Cr-P工藝獲得的低磷合金為晶態(tài)結(jié)構(gòu)，而在一定工藝下化學(xué)鍍Ni-Cr-P得到的合金鍍層則呈非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。非晶態(tài)合金具有優(yōu)異的磁性、耐蝕性、耐磨性，高強(qiáng)度、硬度和韌性，以及高電阻率和機(jī)電耦合性能等［4］。而Ni-Cr-P合金形成非晶所需的磷含量低于Ni-P合金的，說明鉻的存在有利于非晶結(jié)構(gòu)的形成［5］。本實(shí)驗(yàn)采用配位劑復(fù)配的化學(xué)鍍工藝制備出Ni-Cr-P合金鍍層，并對其性能進(jìn)行測試。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

試樣為30.0 mm×30.0 mm×0.5 mm的碳素鋼片。

1.2 鍍液組成及工藝條件

硫酸鎳25 g／L，氯化鉻25 g／L，次磷酸鈉42 g／L，甲酸鈉15 g／L，乙酸鈉24 g／L，檸檬酸13 g／L，乳酸12 g／L，氟化鈉5 g／L，溴化鉀5 g／L，p H值4.5，80℃，2 h。

1.3 鍍液配制方法

（1）用小燒杯分別稱取所需藥品，加入少量蒸餾水?dāng)嚢枞芙狻?/p>

（2）將溶解完全的配位劑倒入大燒杯中，殘留的液體用少量蒸餾水沖洗倒入大燒杯中，攪拌均勻。

（3）將配位劑溶液均勻地分為兩份，分別將兩種主鹽溶液慢慢倒入兩個燒杯中，此時攪拌機(jī)應(yīng)不停攪拌，并且含有鉻主鹽的溶液應(yīng)加熱到40℃后熟化5 min。

（4）將上一步中兩份溶液混合，攪拌均勻后加入穩(wěn)定劑與加速劑，攪拌均勻。

（5）在激烈的攪拌條件下加入還原劑溶液，攪拌均勻。

（6）測量p H值，并用氨水調(diào)節(jié)p H值。

（7）蓋上保鮮膜加熱到所需溫度，放入處理好的基體試樣，蓋好保鮮膜開始施鍍。

1.4 性能測試

（1）采用日本日立公司生產(chǎn)的S-4800型掃描電鏡觀察鍍層的微觀形貌。

（2）采用日本日立公司生產(chǎn)的S-4800型X射線能譜儀測試鍍層的成分。

（3）采用日本理學(xué)株式會社生產(chǎn)的D／max—rb型旋轉(zhuǎn)陽極X射線衍射儀測試鍍層的晶相結(jié)構(gòu)。

（4）采用上海辰華儀器公司生產(chǎn)的CHI604C型電化學(xué)分析儀進(jìn)行極化曲線測試。以試片為研究電極，飽和甘汞電極為參比電極，鉑電極為輔助電極。將被測試樣放入0.25%的NaCl溶液中，工作電極的面積為1 cm2。

（6）將Ni-Cr-P化學(xué)鍍層與Ni-P化學(xué)鍍層分別浸泡在10%的NaOH溶液與10%的H2SO4溶液中1 h，取出后測量失重情況。

（7）取兩片同樣的試片（分別編號為1、2），經(jīng)由粗至細(xì)打磨后測量其厚度，用螺旋測微器分別多次測量后取平均值。然后1號試片經(jīng)過除油、酸洗、活化處理后進(jìn)行化學(xué)鍍Ni-P；2號試片經(jīng)過除油、酸洗、活化處理后進(jìn)行化學(xué)鍍Ni-Cr-P。分別施鍍2 h后取出，用螺旋測微器測量施鍍后試片的厚度，計算鍍速，公式為：

式中：v為鍍速；d1為化學(xué)鍍前試片的厚度；d2為化學(xué)鍍后試片的厚度；t為施鍍時間。

（8）采用HVS-1000型數(shù)顯顯微硬度計測試鍍層的硬度，施加載荷為300 g，加載時間為10 s。分別測量基體、Ni-P化學(xué)鍍層及Ni-Cr-P化學(xué)鍍層的硬度。

（9）采用彎曲、劃格、銼刀3種試驗(yàn)方法測試鍍層的結(jié)合力。

2 結(jié)果與討論

2.1 Ni-Cr-P化學(xué)鍍層的微觀形貌

使用掃描電鏡觀察Ni-Cr-P化學(xué)鍍層的微觀形貌。圖1為不同倍率下的Ni-Cr-P化學(xué)鍍層的微觀形貌。由圖1可知：在2 000倍下，鍍層表面平整均勻，大面積為均勻的細(xì)小胞狀結(jié)構(gòu)，偶見稍大的胞狀結(jié)構(gòu)；放大到10 000倍時，鍍層表面為細(xì)致緊密的胞狀結(jié)構(gòu)，最大胞狀結(jié)構(gòu)的直徑也在3μm以下，大部分胞狀結(jié)構(gòu)的直徑在1μm左右。

2.2 Ni-Cr-P化學(xué)鍍層的成分分析

According to Stokes’ law, the resistance f of the phosphor particles during the settling time can be expressed as:where η is the mixing viscosity coefficient of silica gel and ν is the settling velocity of the phosphor solid particles.

圖2為Ni-Cr-P化學(xué)鍍層的EDS面掃描圖。由圖2可知：鉻的分布比較均勻；磷、鉻、鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為13.32%、0.35%、86.34%，鍍層為高磷合金。鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比較低，但是EDS測試手段通常用于定性分析或半定量分析，只能測出鍍層表面深度5μm左右的各種元素含量，而本實(shí)驗(yàn)中30μm厚的鍍層中間的元素則不能被測出。

2.3 Ni-Cr-P化學(xué)鍍層的晶相結(jié)構(gòu)分析

圖3為Ni-Cr-P化學(xué)鍍層的XRD圖。圖3中沒有明顯的尖銳峰，只有中間存在一個明顯寬化的衍射峰，表明Ni-Cr-P化學(xué)鍍層為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。配位劑復(fù)配所得鍍層中鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)很低，而磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13.32%時即可得到非晶態(tài)的Ni-Cr-P化學(xué)鍍層，說明在Ni-P二元合金中加入鉻有利于形成非晶態(tài)合金。

2.4 交流阻抗測試

圖4為基體、Ni-P化學(xué)鍍層與Ni-Cr-P化學(xué)鍍層的交流阻抗圖。對交流阻抗圖進(jìn)行擬合，得到的電化學(xué)反應(yīng)電阻數(shù)據(jù)為：基體116.5Ω，Ni-P化學(xué)鍍層179.9Ω，Ni-Cr-P化學(xué)鍍層192.6Ω。Ni-Cr-P化學(xué)鍍層的電化學(xué)反應(yīng)電阻比基體的高76.1Ω，Ni-P化學(xué)鍍層的電化學(xué)反應(yīng)電阻比基體的高63.4Ω。可見，Ni-P化學(xué)鍍層的耐蝕性比基體的要高出很多，而Ni-Cr-P化學(xué)鍍層的耐蝕性要比Ni-P化學(xué)鍍層的更好一些。

2.5 極化曲線測試

圖5為基體、Ni-P化學(xué)鍍層與Ni-Cr-P化學(xué)鍍層的極化曲線。表1是對極化曲線進(jìn)行擬合得到的數(shù)據(jù)。結(jié)合圖5和表1可知：無論是Ni-P化學(xué)鍍層還是Ni-Cr-P化學(xué)鍍層，它們的自腐蝕電位都要高于基體的。尤其是Ni-P化學(xué)鍍層，相比基體的自腐蝕電位提高了0.5 V。而從自腐蝕電流的角度來看，Ni-Cr-P化學(xué)鍍層的自腐蝕電流為2.835×10-7A，比基體的降低了近兩個數(shù)量級；而Ni-P化學(xué)鍍層的自腐蝕電流為6.537×10-6A，比基體的僅降低了一個數(shù)量級。在腐蝕過程中，自腐蝕電流代表的是腐蝕速率，所以Ni-Cr-P化學(xué)鍍層的耐蝕性更好一些。

2.6 鍍層耐酸堿性腐蝕測試

表2為Ni-P化學(xué)鍍層和Ni-Cr-P化學(xué)鍍層的耐酸堿性腐蝕試驗(yàn)結(jié)果。由表2可知：Ni-Cr-P化學(xué)鍍層、Ni-P化學(xué)鍍層都更耐堿液的腐蝕；Ni-Cr-P化學(xué)鍍層與Ni-P化學(xué)鍍層相比更耐酸和堿的腐蝕。

2.7 鍍速測試

表3為化學(xué)鍍Ni-P與化學(xué)鍍Ni-Cr-P的鍍速比較。由表3可知：化學(xué)鍍Ni-Cr-P的平均鍍速為14μm／h，比未添加鉻主鹽的化學(xué)鍍Ni-P的鍍速要低一些。這是因?yàn)榧尤脬t主鹽而降低了鍍速。

2.8 鍍層硬度測試

表4為基體、Ni-P化學(xué)鍍層與Ni-Cr-P化學(xué)鍍層的硬度比較。由表4可知：Ni-Cr-P化學(xué)鍍層的硬度比基體及Ni-P化學(xué)鍍層的有了較大提高。

2.9 鍍層結(jié)合力測試

采用彎曲、劃格、銼刀3種試驗(yàn)方法對鋼鐵基體化學(xué)鍍Ni-Cr-P后的試樣進(jìn)行結(jié)合力測試。用工具鉗夾住鍍片彎曲，從180°彎折到360°，鍍層沒有裂紋或起皮；然后用壁紙刀在試片上沿一條線用力劃幾刀，用鉗子夾住，沿劃的線彎折，鍍層有劃痕但是沒有裂紋或起皮；用壁紙刀在鍍片上劃格，留下輕微劃痕，擦拭后消失；用銼刀來回打磨鍍片，表面光滑度下降但沒有粉末。以上試驗(yàn)證明Ni-Cr-P化學(xué)鍍層與基體結(jié)合良好，不易脫落。

3 結(jié)論

（1）Ni-Cr-P化學(xué)鍍層呈細(xì)致、均勻、緊密的胞狀結(jié)構(gòu)，胞狀結(jié)構(gòu)的直徑在1～3μm；鍍層表面含有鉻；鍍層為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。

（2）交流阻抗、極化曲線測試及耐酸堿性腐蝕試驗(yàn)結(jié)果表明：Ni-Cr-P化學(xué)鍍層的耐蝕性比Ni-P化學(xué)鍍層的更好。

（3）Ni-P化學(xué)鍍層的硬度是基體的1.47倍，而Ni-Cr-P化學(xué)鍍層的硬度是基體的2.56倍。Ni-Cr-P化學(xué)鍍層與基體結(jié)合牢固。

［1］ 楊玉國，孫冬柏，楊德鈞.化學(xué)鍍Ni-Cr-P合金鍍層在NaCl溶液中的耐蝕性［J］.腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2005，12（3）：138-140.

［2］ 楊玉國，孫冬柏.Ni-Cr-P化學(xué)鍍液的配制方法［J］.表面技術(shù)，1998，28（4）：43-44.

［3］ 趙鵬，王維德.化學(xué)鍍鎳技術(shù)及其研究進(jìn)展［J］.新技術(shù)新工藝，2007（10）：100-102.

［4］ 李松巖.鎳磷非晶態(tài)合金化學(xué)鍍在兵器上的應(yīng)用前景［J］.彈箭技術(shù)，1998（2）：39-41.

［5］ 徐立紅，張信義.化學(xué)鍍鎳-鉻-磷非晶態(tài)合金的研究［J］.安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2000，8（4）：55-57.

Performance Testing of the Ni-Cr-P Coating Prepared by Electroless Plating with Compound Complexing Agents

HUANG Xiao-mei， XU Xiao-peng， LI Yang， LIAO Ming-rui
（College of Material Science and Chemical Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China）

The morphology，composition，structure，corrosion resistance，plating rate and hardness of Ni-Cr-P coating prepared by electroless plating with compound complexing agents composed of sodium formate，sodium acetate，citric acid and lactic acid were tested.Results showed that the Ni-Cr-P coating featuring fine cellular structure，and chromium element was involved，which impel the formation of non-crystalline structure.The plating rate of electroless Ni-Cr-P plating was 14μm／h.Compared to electroless Ni-P coating，the electroless Ni-Cr-P coating has better corrosion resistance and higher hardness.

complexing agent；electroless Ni-Cr-P plating；performance testing

TQ 153 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1000-4742（2015）06-0018-04

2014-03-17