镀液组分对Ni-Sn-P合金镀层组织性能的影响

任 康，董 会

（西安石油大学材料科学与工程学院，陕西 西安 710065）

完整的石油套管对石油管安全运行开发具有重要的影响意义，但在高矿化度（高温高压条件）下，碳钢广泛应用受到限制[1]，因而十分必要对管道性能进行提升，常见的化学镀技术由于其性能较好的原因被广泛应用[2]。但在苛刻的环境对二元合金镀层产生很大的限制，国内外学者采用添加第三元素来改善镀层的性能。最常见的Ni-Sn-P镀层，在性能上得到较好的完善。

基于以上考虑，本文采用梯度法研究镀液配方对镀层性能的影响规律，进而为Ni-Sn-P合金镀层在油气田的应用及其安全开发提供良好应用价值。

1 试验方法

1.1 实验材料

实验采用X70油套管作为基体。其用于化学镀的试样规格为50mm×10mm×3mm。基体试样制备逐级打磨至1200#，用丙酮除油，去离子水、无水乙醇超声清洗10 min，冷风吹干备用。

1.2 制备工艺

X70钢在实验前，先对材料进行预处理，将试样放入88±2℃的NaOH除油10min，再进行室温条件2min的敏化，然后在0.1g/L PaCl2中活化2min，酸洗活化结束后，将试样采用去离子水清洗，放入配置好的镀液中进行施镀。

1.3 实验设计

分别对氯化镍浓度进行梯度设置，制备Ni-Sn-P合金镀层具体的试验方案以及得到的元素含量、施镀时间如表1所示。本实验采用对制备的镀层表面形貌、镀液失效时间及其元素组成作为评判指标。将NiCl2·6H2O的浓度分别设置为20、30和 40g/L。

表1 NiCl2·6H2O对元素含量及其施镀时间影响

1.4 镀层性能检测

采用扫描电镜观察不同镀液配方下制备的Ni-Sn-P镀层表面形貌，并用电镜附带的能谱仪（EDS）测定镀层表面的元素成分，对每种镀层表面进行五个元素区域测定，确定元素组成的平均值。

2 结果与讨论

2.1 形貌分析

通过不同镀液组分制备的Ni-Sn-P合金镀层，可以看出，Ni-Sn-P合金镀层均由明显的胞状结构构成。在NiCl2·6H2O质量浓度为20g/L，镀层表面胞状结构沉积较少，镀层表面很难形核。继续增加含量，镀层的形核率更高，胞状结构的尺寸更小，镀层表面的结构致密均匀，未产生裂纹及其孔隙。当质量浓度增加为40g/L，镀层表面结构增大，产生大小不等的凸起，表明继续增加NiCl2·6H2O的质量浓度对于形核率具有抑制作用，在此条件下镀层的形核率很低。

Ni2+含量较少时，镀层表面的形核率较少，离子很难沉积，导致镀层产生的结构不均匀。在质量浓度为30g/L时，对镀层的沉积速率有较好的提升作用，产生稳定的活化中心，产生均匀致密的镀层。加入过量的镍盐时，在镀液中形成游离的Ni2+含量过大，可产生大量的自催化活化中心，导致镀液过早失效。对镀层的沉积和致密性能均有抑制作用。见图1所示。

图1 不同NiCl2·6H2O质量浓度制备的Ni-Sn-P合金镀层

2.2 失效时间分析

当镍盐的含量较小时，在表面形成的自催化活化中心较小，离子很难沉积在基体表面。随着含量的增大，镀层表面产生的活性中心逐渐均匀，使得镀层表面沉积速率加快，镀液的稳定性得到提升。但是随着镍盐含量的继续增大，镀液内易产生亚磷酸镍沉淀，对镀层的稳定性能产生很大的抑制作用。在此条件下，可产生额外的活化中心，导致镀液多个部位发生氧化还原反应，导致镀液在很短的时间内发生失效。可以看出，在镀液配方中NiCl2·6H2O的最佳质量浓度为30g/L，此时镀液的施镀时间最长，在此镀液中，施镀时间为14min。见图2。

图2 NiCl2·6H2O变化对镀液失效时间的影响规律

2.3 腐蚀试验

将制备的镀层在3.5%的NaCl溶液中进行浸泡24h后，分析其腐蚀速率。可以看出，30g/L的Ni-Sn-P合金镀层的失重最小，其耐蚀性能最好。与镀层的配方及其施镀时间有关，由于在此条件下结构致密、形核率高及其组织结构均匀的原因，腐蚀性离子很难穿过镀层腐蚀到基体，起到良好的阳极保护作用，使得镀层的耐蚀性能最好。

图3 不同Ni2+含量的Ni-Sn-P合金镀层在3.5%NaCl中浸泡的腐蚀速率

3 结论

1） 通过化学镀方法制备的Ni-Sn-P合金镀层均为非晶态结构，表面均是由胞状结构构成。改变镀液配方对镀层中Ni的含量变化影响不大。2） NiCl2·6H2O对镀液的失效时间呈现先增加后减小的趋势。主要是由于镀液内NiCl2·6H2O质量浓度为10g/L时，在镀液内产生的活化中心较小，产生施镀不均匀的结构。增加为30g/L时，镀层产生均匀的活化中心，导致镀层施镀均匀。过量的NiCl2·6H2O导致镀液内产生大量的活化中心，较短时间发生大量的氧化还原反应使得镀液发生分解。3）在3.5%的NaCl中浸泡1d后，20g/L的NiCl2·6H2O镀层表面分布不均匀，导致镀层的耐蚀性较低；在30g/L时，镀层均匀的组织及其长时间的施镀对基体起到良好的保护作用。过量的NiCl2·6H2O导致镀层施镀较薄的原因，耐蚀性能得到很大程度的降低。4）综合正交试验镀层成分、评级、表面形貌及其镀液失效时间和腐蚀性能，确定镀层中NiCl2·6H2O的最佳配方为30g/L。