化学镀非晶Ni-P合金镀层耐蚀性研究
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碳钢表面硬度较低，并且耐蚀性较差，使其应用受到了制约。如何解决这一问题，一直受到人们的关注。由于化学镀Ni-P镀层具有厚度均匀、结合牢固、较高的硬度﹑较好的耐磨和耐腐蚀性等特点[1-2]，因此对碳钢进行化学镀处理，可有效地解决腐蚀问题，达到延长零件使用寿命的目的[3]。梁婷等[4]通过静态浸泡法以及电化学的方法，发现基体施加了化学镀层后，与未施加化学镀层相比，具有很小的腐蚀电流。王霞等[5]对化学镀Ni-P合金的耐蚀机理进行了探讨，并提出了提高Ni-P合金耐蚀性能的优化工艺。李雪松等[6]研究了热处理温度对含磷量8.3%的Ni-P镀层耐蚀性的影响，发现经200℃热处理，可改善镀层的耐蚀性;温度高于300℃后，镀层的耐蚀性下降。宋玉强等[7]发现含磷量5.6%的Ni-P镀层耐蚀性随热处理温度的升高和保温时间的延长呈现增强趋势。热处理能够提高镀层的耐蚀性，但热处理前后镀层的耐蚀性变化规律，很多研究给出了不一致结论[6-8]。热处理对Ni-P镀层耐蚀性产生不同的影响，是因为镀层的性能主要取决于镀层的成分和结构[8]。本文在碳钢上进行化学镀沉积Ni-P合金，对镀层的耐蚀性进行研究，并通过对Ni-P镀层进行后续的热处理，进一步探究热处理温度对Ni-P镀层的结构及耐蚀性的影响。 1·试验 本试验选用45号钢为基体材料(10mm×5mm×1mm)，基体经去油、除锈、活化后放入镀槽中，镀液组分及施镀条件如表1所示。镀液装载量为1dm2/L。 将化学镀后获得的Ni-P镀层放入热处理炉中，分别进行200℃、300℃、400℃热处理，保温30min后，随炉冷却至室温。 采用X射线衍射仪对相结构进行分析;扫描电子显微镜对镀层表面形貌进行观察;能谱仪对成分进行分析;采用MF-300型显微硬度仪对不同热处理条件下的试样进行显微硬度测试，每个试样上打5个点，取五个数据的平均值作为样品的硬度值;采用失重法计算镀层的腐蚀速率，即将样品在腐蚀前称重，然后放在腐蚀介质(10%盐酸溶液)中浸泡，每隔1h从烧杯中取出，用蒸馏水冲洗并吹干，用精密电子天平称重，记录质量变化，计算腐蚀率。 2·结果与讨论 2.1性能及结构分析 采用X射线衍射方法对化学镀Ni-P合金镀层的晶体结构进行分析，分析结果如图1所示。化学镀Ni-P合金镀层在45°附近出现较宽的“馒头峰”，说明镀层呈非晶态结构。能谱仪结果显示，获得的镀层含磷量为10.90wt.%，分析可知，Ni-P镀层属于高磷非晶镀层。 化学镀Ni-P是胞状生长方式，表面形成胞状形貌，非晶Ni-P合金镀层的表面形貌如图2所示。在Ni-P合金镀层的表面存在许多小气孔，这是由于化学镀过程中的析氢反应所导致。 图3是化学镀Ni-P镀层在10%HCl溶液中，腐蚀速率的计算结果。从图3可看出，随着腐蚀时间的增加，腐蚀速率先提高，从4.17mg/cm2·h增加到6.25mg/cm·h;腐蚀时间超过3h后，腐蚀速率迅速下降;当腐蚀时间为4h，腐蚀速率降为2.40mg/cm2·h。化学镀Ni-P镀层是高磷非晶结构，由于非晶态合金的成分高度均匀，不存在晶态结构中的晶界、亚晶界、相界的结构不完整性，因此无法形成腐蚀微电池，所以在腐蚀介质中比较稳定且耐蚀性好。 由于镀层表面存在缺陷(孔隙)，使腐蚀速率较快，但随着腐蚀的进行，镀层中的P加速金属元素合金的钝化，在腐蚀环境下形成一种磷化物钝化膜，从而提高合金的自钝化能力和耐蚀性，因此使腐蚀速率降低。Ni-P合金镀层在介质中形成的磷化膜对基体可起到很好的保护作用[9]。 2.2热处理Ni-P镀层的耐蚀性 图4是非晶镍磷合金镀层经不同温度热处理的X射线衍射图。经200℃热处理后，45°附近的衍射峰仍然较宽，但变得尖锐，此时认为合金镀层为非晶态和晶态的混合结构，镀层中非晶结构变少，仍有磷原子无规则、过饱和地固溶于镍的晶格中。经300℃热处理时，镀层衍射图上出现了尖锐的Ni和Ni12P5的衍射峰，表明镀层中出现晶体结构，析出Ni和亚稳相Ni12P5。随着热处理温度的升高，400℃热处理时，磷原子扩散偏聚，Ni的衍射峰进一步增强，亚稳相Ni12P5衍射峰消失，稳定相Ni3P出现。 图5是高磷化学镀Ni-P镀层(热处理前与热处理后)在10%HCl的溶液中浸泡4h的耐腐蚀试验结果。由图5可知，经200℃热处理的Ni-P镀层具有良好的耐盐酸腐蚀性能，平均腐蚀速率为2.7243mg/cm2·h，使镀态Ni-P镀层的抗腐蚀性能提高37%。随着热处理温度不断升高，Ni-P镀层的耐腐蚀性呈下降趋势，但是耐蚀性均优于镀态Ni-P镀层。 200℃热处理时，有利于消除合金中残留的原子氢，松弛内应力，可改善其耐蚀性。随着热处理温度提高，非晶镍磷合金镀层发生晶化，出现晶界并伴有亚稳相和稳定相析出，在合金溶解时，新生成的相与基体间可形成腐蚀微电池而加速腐蚀。因此，随着热处理温度的提高，导致镍磷合金耐蚀性降低，抗腐蚀能力下降，腐蚀速率升高。 图6是不同热处理温度条件下镀层的显微硬度柱状图，非晶态化学镀Ni-P合金镀层在镀态时显微硬度为484.3HV，经热处理后，硬度值随热处理温度的升高而提高，在400℃时显微硬度达到1129.06HV。 由于含磷过饱和的镍磷固溶体在热力学上是一种不稳定状态，加热时固溶体发生分解，在过饱和固溶体上沉积析出弥散相，这些相增加了镀层的滑移阻力使镀层强化，提高了硬度。到400℃时，弥散强化效果最好，硬度达到最高。 3·结论 高磷非晶态化学镀Ni-P镀层具有较好的耐盐酸腐蚀性。热处理温度影响化学镀镍层的耐蚀性。非晶Ni-P镀层经200℃热处理后，可进一步提高镀层的耐蚀性，使耐蚀性能力提高37%;热处理温度达到300℃和400℃时，出现晶界并伴有亚稳相和稳定相析出，与基体间可形成腐蚀微电池而加速腐蚀镀层，耐蚀性能降低，但耐蚀性仍优于镀态Ni-P镀层。热处理不仅可提高Ni-P镀层的耐蚀性，还可进一步提高镀层的硬度。硬度值随热处理温度的升高而提高，在400℃时显微硬度达到1129.06HV。 |
