化学沉积 Ni-P-RE合金工艺的研究

梁 平

(辽宁石油化工大学机械工程学院,辽宁抚顺113001)

化学沉积 Ni-P-RE合金工艺的研究

梁 平

(辽宁石油化工大学机械工程学院,辽宁抚顺113001)

通过正交实验确定了镀液中存在稀土CeCl3时,化学沉积Ni-P-RE合金层的镀液的组成;并采用金相显微镜观察了合金层的表面形貌,通过动电位极化曲线考察了基体和合金镀层在质量分数为3.5%的NaCl溶液中的耐蚀性。结果表明:该镀液可以在Q235钢表面沉积出表面质量良好的Ni-P-RE合金层,明显提高了Q235钢的显微硬度和耐蚀性。

化学镀;氯化铈;硬度;耐蚀性

0 前言

Q235钢作为一种碳素钢,被广泛用于建筑、工程机械、重型汽车、桥梁、压力容器等各类工程结构中。但其较低的硬度和较差的耐蚀性也使其应用范围受到限制,而化学镀技术则是改善Q235钢这些弱点的有效手段[1]。常规的化学镀镍工艺已较为成熟[2],但当镀液中加入稀土以后,由于稀土元素独特的物理、化学和电子结构,有望进一步改善镀层的性能[3-4]。本文主要考察了在CeCl3存在的条件下化学镀Ni-P-RE镀液的组成,并对镀层的表面形貌、显微硬度和镀层的耐蚀性等进行了测试与比较。

1 实验

1.1 实验材料及设备

实验采用规格为35 mm×25 mm×4.0 mm的Q235钢试样进行化学沉积。

实验采用p HS-25型酸度计对溶液p H值进行测定。采用 HH-4型数显恒温水浴锅控制镀液温度。采用Leica金相显微镜对镀层表面和截面形貌进行观察。

1.2 工艺流程

1.3 正交实验设计

通过正交实验确定化学镀Ni-P-RE溶液的组成,其中,硫酸镍、次磷酸钠、柠檬酸钠、氯化铈为4因素。镀液中乙酸钠的质量浓度为20 g/L,p H值为5.0,温度为(85±1)℃,时间为1 h。以镀层的沉积速率为主要评价指标。

1.4 性能测试

按照公式 V=ΔW ×104/(ρ·S·t)计算Ni-P-RE镀层的沉积速率。式中:V为Ni-P-RE镀层的沉积速率,μm·h-1;ΔW为施镀前后试样的质量差,g;ρ为Ni-P-RE镀层的密度,g·cm-3,计算时取7.80 g·cm-3;S为试样表面积,cm2;t为沉积时间,h。采用TG 328A电光分析天平称量试样施镀前后的质量(精确到0.1 mg)。

采用上海泰明光学仪器有限公司生产的HXD-1000 TMC/LCD型显微硬度计对Q235钢基体及Ni-P-RE合金镀层的显微硬度进行测试,施加载荷为25 g,应力作用时间为10 s,测试3个点,并取其平均值作为试样的最终硬度。

在室温条件下,将Ni-P-RE合金镀层及Q235钢试样放入质量分数为3.5%的NaCl溶液中,采用PAR公司生产的2273电化学系统进行动电位极化曲线测试。试样为工作电极,饱和甘汞电极为参比电极,铂片为辅助电极,测试时扫描速率为20 m V/min。

2 结果与讨论

2.1 正交实验

通过正交实验,考察了硫酸镍、次磷酸钠、柠檬酸钠及氯化铈对Ni-P-RE镀层沉积速率的影响。

通过正交实验确定的最佳工艺规范为:硫酸镍25 g/L,次磷酸钠25 g/L,柠檬酸钠12 g/L,氯化铈60 m g/L,乙酸钠20 g/L,p H值 5.0,(85±1)℃, 1 h。

2.2 结合强度及表面形貌

采用上述优化后的镀液对Q235钢施镀1 h以制备Ni-P-RE镀层。通过弯曲实验和热震实验对镀层的结合情况进行定性测试。结果表明: Ni-P-RE镀层没有出现起皮、局部脱落等不良现象。说明镀层与Q235基体之间具有良好的结合强度。

采用金相显微镜对Ni-P-RE镀层形貌进行观察。实验结果,如图1所示。由图1可知:镀层光亮、均匀,组成镀层的胞状物间结合紧凑,没有孔洞、气泡、起皮等缺陷存在,镀层表面质量良好。

图1 Ni-P-RE镀层的表面形貌(×500)

2.3 硬度

对Q235钢及Ni-P-RE镀层的显微硬度进行测试。实验结果,如图2所示。结果表明:基体显微硬度的平均值约为2 205 M Pa,而Ni-P-RE镀层的显微硬度在4 900 M Pa以上。显然,Ni-P-RE镀层明显提高了基体的显微硬度,这有助于提高Q235钢的耐磨性。

2.4 耐蚀性

通过动电位极化曲线测试了 Q235钢和Ni-P-RE镀层在质量分数为3.5%的NaCl溶液中的极化曲线。实验结果,如图3所示。对两种曲线的自腐蚀电位 Ecorr和自腐蚀电流密度 Jcorr进行拟合。实验结果表明:在该腐蚀介质中,Q235钢的Ecorr=-405 m V,Jcorr=22.0μA/cm2;而Ni-P-RE镀层的 Ecorr= -354 m V,Jcorr=0.98μA/cm2。因此,无论从自腐蚀电位还是从自腐蚀电流密度上考虑,Ni-P-RE镀层都明显提高了基体的耐蚀性,镀层表现出良好的耐蚀行为。

图2 Q235钢和Ni-P-RE镀层的显微硬度

图3 Q235钢和Ni-P-RE镀层的动电位极化曲线

3 结论

(1)通过正交实验确定了化学镀Ni-P-RE合金的工艺。其工艺参数为:硫酸镍25 g/L,次磷酸钠25 g/L,柠檬酸钠12 g/L,乙酸钠 20 g/L,氯化铈60 mg/L,p H值5.0,(85±1)℃,1 h。

(2)Ni-P-RE镀层光亮、致密、均匀性好,镀层与基体间结合强度高,显微硬度是基体的2倍以上,耐蚀性大大提高。

参考文献:

[1] Krishnan K H,John S,Srinivasan K N,et al.An overall aspect of electroless Ni-P depositions—A review article[J]. Metallurgical and Materials Transactions A,2006,37(6): 1 917-1 926.

[2] Sharma S B,Agarwala R C,Agarwala V,et al. Characterization of carbon fabric coated with Ni-P and Ni-P-ZrO-A l2O3by electroless technique [J].Journal of M aterials Science,2002,37(24):5 247-5 254.

[3] Xuan T P,Zhang L,Huang Q H.Effect of rare earth metal on structure and p roperties of electroless Co-B alloy coating [J].Rare Transactions of China,2002,20(5):512-516.

[4] 杨昌英,李昕,代忠旭,等.选择合适的添加剂改善化学镀镍层的性能[J].化学与生物工程,2008,25(4):28-30.

A Study of Electroless Ni-P-RE Alloy Process

L IANG Ping
(School of M echanical Engineering,Liaoning Petrochemical University,Fushun 113001,China)

The bath composition of electroless Ni-P-RE p lating coating was obtained through o rthogonality experiment,and the surface micograph of the coating was observed by metalloscope,and the corrosion resistance of base material and Ni-P coating in mass fraction of 3.5%NaCl solution was investigated using potentiodynamic polarization method.The experimental results show that a good Ni-P-RE alloy coating can be formed by the bath containing CeCl3,and the coating has obviously imp roved the microhardness and corrosion resistance of Q235 steel.

electroless p lating;CeCl3;hardness;corrosion resistance

book=8,ebook=7

TQ 153

A

1000-4742(2010)05-0008-03

2010-01-25