化學(xué)鍍Ni–P/PVDF復(fù)合鍍層耐腐蝕性能研究

王彥芳 *，丁杰，栗荔，石志強，武同霞

（1.中國石油大學(xué)(華東)材料科學(xué)與工程系，山東 東營 257061；2.山東石大勝華化工股份有限公司，山東 東營 257061）

化學(xué)鍍Ni–P/PVDF復(fù)合鍍層耐腐蝕性能研究

王彥芳1,*，丁杰1，栗荔1，石志強1，武同霞2

（1.中國石油大學(xué)(華東)材料科學(xué)與工程系，山東 東營 257061；2.山東石大勝華化工股份有限公司，山東 東營 257061）

用化學(xué)鍍法在20CrMo鋼表面制備了Ni–P合金鍍層和Ni–P/PVDF復(fù)合鍍層。用掃描電鏡觀察了鍍層的組織形貌，通過電化學(xué)實驗和鹽霧試驗測試了鍍層的耐蝕性能。20CrMo鋼化學(xué)鍍Ni–P合金和Ni–P/PVDF復(fù)合鍍層后，腐蝕電位從?625 mV分別提高到?510 mV和?470 mV，腐蝕電流密度從25.1 A/cm2降低到19.9 A/cm2和14.1 A/cm2。結(jié)果表明，化學(xué)鍍Ni–P合金和 Ni–P/PVDF復(fù)合鍍層均可提高 20CrMo鋼的耐蝕性能，而Ni–P/PVDF復(fù)合鍍層的耐蝕性優(yōu)于Ni–P合金鍍層。

化學(xué)鍍；鎳–磷合金；聚偏氟乙烯；復(fù)合鍍層；鹽霧試驗；耐蝕性能

1 前言

化學(xué)鍍Ni–P合金鍍層均勻性好，硬度高，結(jié)合強度高，耐蝕性好，耐磨、減磨性優(yōu)良，廣泛應(yīng)用于電子、化工、機械等行業(yè)[1]，但其致密性差，孔洞較多。為進一步提高鍍層的耐磨、耐蝕性能，在鍍液中加入一些可以與Ni–P鍍層產(chǎn)生共沉積、自潤滑的固體顆粒，如石墨、MoS2、PTFE(聚四氟乙烯)等，可產(chǎn)生良好的自潤滑效果[2-3]，同時還可起到一定的封孔作用，進一步提高材料的表面性能。方永奎等[4]在A3鋼表面化學(xué)鍍Ni–P–石墨，研究了施鍍工藝條件對鍍速的影響。董家梅等[5]對抽油桿化學(xué)復(fù)合鍍Ni–P/PTFE進行了研究，發(fā)現(xiàn)鍍層有較高的耐磨性和耐蝕性。

本文選擇石油行業(yè) D級抽油桿的主要制造材料20CrMo鋼為基體材料，以具有優(yōu)良的耐化學(xué)腐蝕性、良好的耐熱穩(wěn)定性和自潤滑性能好的PVDF(聚偏氟乙烯)顆粒為添加劑，進行 Ni–P/PVDF化學(xué)復(fù)合鍍，并研究了鍍層的耐蝕性能。

2 實驗

2. 1 材料及工藝條件

基體材料為20CrMo鋼(φ 25 mm × 6 mm)。PVDF為白色球形粉末，粒徑范圍1 ～ 5 μm?；瘜W(xué)鍍過程中用EMS-8A電磁攪拌器(天津歐諾)攪拌，攪拌速度以鍍件表面沒有氣泡停滯為佳。工藝條件如下：

2. 2 工藝流程

鍍件打磨、拋光─丙酮清洗─堿液除油(w = 7%的NaOH，10 min，80 °C)─水清洗─弱酸活化(w = 5%的鹽酸，時間約30 s)─清洗─化學(xué)鍍─清洗─吹干。

2. 3 分析測試

施鍍后用日本島津的 SSX-550型掃描電鏡觀察鍍層表面形貌，用美國PE公司的M398電化學(xué)腐蝕綜合測試系統(tǒng)進行電化學(xué)試驗。電化學(xué)試驗采用三電極體系，對電極為纏有銀絲的鉑棒，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)。除非特別說明，否則文中所有電位均相對于SCE。用鹽霧試驗機進行鹽霧腐蝕試驗，每80 cm2的鹽霧沉降量為0.5 mL/h，采用連續(xù)噴霧方式，鹽水質(zhì)量分數(shù)為3.5%，實驗溫度為35 °C，飽和溫度為37 °C。

3 結(jié)果與討論

3. 1 表面形貌

Ni–P合金鍍層的宏觀形貌如圖1a所示。從圖1a可以看出，鍍層呈灰色，表面平整光滑，結(jié)晶比較致密，鍍層質(zhì)量較好。圖1b是Ni–P/PVDF復(fù)合鍍層的宏觀形貌，PVDF粒子分散鑲嵌在鎳磷基體中，保證了鍍層的致密性。不帶電的PVDF微粒表面必須吸附某些帶正電荷的陽離子，帶正電荷的固體微粒在流動的鍍液中移到試樣表面附近，然后吸附在試樣表面上，被金屬基材包覆而實現(xiàn)共沉積。

圖1 Ni–P合金和Ni–P/PVDF復(fù)合鍍層的表面形貌Figure 1 Surface morphologies of Ni–P alloy and Ni–P/PVDF composite coatings

PVDF微粒的復(fù)合過程要經(jīng)歷3個階段：

(1) PVDF粒子移向試樣表面，這主要依靠攪拌來實現(xiàn)。

(2) PVDF微粒表面吸附帶正電荷的陽離子，吸附陽離子的種類和電荷的多少決定著它們與試樣之間的作用力。在靜電力的作用下，PVDF微粒脫去水化膜與試樣表面直接接觸，形成化學(xué)性質(zhì)的強吸附。

(3) PVDF微粒牢固地吸附在試樣表面，隨著沉積過程的持續(xù)進行完全嵌入到金屬基材中，形成Ni–P/PVDF復(fù)合鍍層。

3. 2 電化學(xué)測試

為了進行比較，分別對基體材料20CrMo、化學(xué)鍍Ni–P合金鍍層和Ni–P/PVDF復(fù)合鍍層進行了電化學(xué)測試，結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，三者均為陽極極化，陽極極化的極化率即極化曲線的斜率從大到小依次是Ni–P/PVDF復(fù)合鍍層、Ni–P合金鍍層、基體材料20CrMo。極化率表示了極化過程中所受阻力的大小，極化率越大，說明極化中阻力越大，耐蝕性越好。

圖2 基體材料20CrMo、化學(xué)鍍Ni–P和Ni–P/PVDF鍍層的極化曲線Figure 2 Polarization curves for 20CrMo substrate, Ni–P alloy coating and Ni–P/PVDF composite coating

通過極化曲線可求出其腐蝕電流密度和腐蝕電位，結(jié)果列于表1。

表1 腐蝕電位和腐蝕電流密度比較Table 1 Comparison of corrosion potential and corrosion current density

腐蝕電流密度越小，腐蝕電位越大，材料的耐蝕性就越強。從表1可以看出，Ni–P/PVDF復(fù)合鍍層的腐蝕電流密度最小，腐蝕電位最大；基體材料20CrMo的腐蝕電流密度最大，腐蝕電位最小；Ni–P鍍層處于兩者之間。故Ni–P/PVDF復(fù)合鍍層耐蝕性最好，化學(xué)鍍Ni–P合金鍍層次之，而兩者的耐蝕性都優(yōu)于基體材料20CrMo。

3. 3 鹽霧試驗

分別對20CrMo、Ni–P合金鍍層和Ni–P/PVDF復(fù)合鍍層進行鹽霧腐蝕試驗，結(jié)果如圖3所示。

圖3 腐蝕失重與腐蝕時間的關(guān)系Figure 3 Relationship between weight loss and corrosion time

從圖3可以看出，基體材料20CrMo腐蝕失重最大、腐蝕速度最快，其次是 Ni–P合金鍍層，然后是Ni–P/PVDF復(fù)合鍍層。

起初，Ni–P合金和Ni–P/PVDF復(fù)合鍍層的腐蝕速度較慢，但48 h后腐蝕速度突然加快，并在72 h時出現(xiàn)腐蝕失重最大值，這說明化學(xué)鍍層有加速腐蝕的傾向。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可能是：當(dāng)點蝕增大到能夠擊穿鍍層的時候，鍍層內(nèi)部的不均勻性和不致密性使鍍層與基體形成了電位差，當(dāng)電位差增大到一定時會加速鍍層的腐蝕。因此，優(yōu)化化學(xué)鍍施鍍工藝，改善鍍層的均勻性和致密性能夠提高鍍層的耐蝕性。當(dāng)腐蝕時間為72 h時，3個試樣的腐蝕失重同時達到了最大值，出現(xiàn)這種情況的原因可能是：在腐蝕72 h時，試樣的腐蝕都比較嚴重，表面銹斑較多，而銹斑對腐蝕產(chǎn)生了一定的阻礙作用。

4 結(jié)論

(1) 在20CrMo鋼表面獲得的Ni–P/PVDF復(fù)合鍍層的均勻性和致密性比單純的Ni–P合金鍍層更好。

(2) Ni–P/PVDF復(fù)合鍍層具有比單純的Ni–P合金鍍層更高的耐腐蝕性?；瘜W(xué)鍍Ni–P合金和Ni–P/PVDF復(fù)合鍍層后，腐蝕電位分別為?510 mV和?470 mV，腐蝕電流密度分別為19.9 A/cm2和14.1 A/cm2。

(3) 鹽霧試驗表明，Ni–P/PVDF復(fù)合鍍層比Ni–P合金鍍層具有更好的耐蝕性能。

[1] 高誠輝. 非晶態(tài)合金鍍及其鍍層性能[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2004.

[2] ZHAO Q, LIU Y. Modification of stainless steel surfaces by electroless Ni–P and small amount of PTFE to minimize bacterial adhesion [J]. Journal of Food Engineering, 2006, 72 (3): 266-272.

[3] WU Y T, LIU H Z, SHEN B, et al. The friction and wear of electroless Ni–P matrix with PTFE and/or SiC particles composite [J]. Tribology International, 2006, 39 (6): 553-559.

[4] 方永奎, 邱安娥. 復(fù)合化學(xué)鍍Ni–P–石墨工藝對鍍速的影響[J]. 大慶石油學(xué)院學(xué)報, 2005, 29 (5): 58-60.

[5] 董家梅, 萬德立, 宋亞東, 等. 抽油桿表面化學(xué)復(fù)合鍍 Ni–P–PTFE 技術(shù)研究[J]. 石油機械, 2002, 30 (6): 1-3.

Study on corrosion resistance of Ni–P/PVDF compositecoating by electroless plating //

WANG Yan-fang*, DING Jie, LI Li, SHI Zhi-qiang, WU Tong-xia

Ni–P alloy and Ni–P/PVDF composite coatings were prepared on 20CrMo steel by electroless plating. The morphologies of the coatings were observed by scanning electron microscope and the corrosion resistance was tested by polarization curve measurement and salt spray test. The corrosion potential of 20CrMo steel changes from ?625 mV to ?510 mV and ?470 mV, and the corrosion current density changes from 25.1 A/cm2to 19.9 A/cm2and 14.1 A/cm2after electroless Ni–P and Ni–P/PVDF plating, respectively, demonstrating that the corrosion resistance of 20CrMo steel is improved after electroless Ni–P and Ni–P/PVDF plating. The corrosion resistance of the Ni–P/PVDF composite coating is superior to that of the Ni–P alloy coating.

electroless plating; nickel–phosphorus alloy; polyvinylidene fluoride; composite coating; salt spray test; corrosion resistance

Department of Materials Science and Engineering, China University of Petroleum, Dongying 257061, China

TQ153.2

A

1004 – 227X (2010) 08 – 0027 – 03

2010–03–05

2010–03–16

山東省自然科學(xué)基金（Q2008F12）；中國石油大學(xué)(華東)博士基金（Y060314）。

王彥芳（1976–），男，河北石家莊人，博士，副教授，從事新材料與材料表面改性研究，發(fā)表論文20余篇。

作者聯(lián)系方式：(E-mail) wang@upc.edu.cn。

[ 編輯：吳定彥 ]