鋁合金化學(xué)鍍Ni-P合金工藝研究

李新躍，曾憲光，鄭興文，梁 偉

(四川理工學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院，四川自貢 643000)

鋁合金化學(xué)鍍Ni-P合金工藝研究

李新躍，曾憲光，鄭興文，梁 偉

(四川理工學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院，四川自貢 643000)

采用單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)研究了溫度、pH、檸檬酸鈉和次磷酸鈉質(zhì)量濃度等工藝條件對(duì)化學(xué)鍍Ni-P合金鍍層耐蝕性的影響，得到了一種沉積速率較快，耐蝕性能好的化學(xué)鍍Ni-P合金工藝。結(jié)果表明，最佳工藝條件為:25g/L硫酸鎳，24 g/L次磷酸鈉，45 g/L檸檬酸鈉，2mg/L硫脲，0.1 g/L 乙酸鈉，0.5mL/L OP-10，pH 為 8，t為50min，θ為70℃。在該工藝條件下，鍍層沉積速率為20 g/(m2·h)，鍍層厚度可達(dá)19 μm，鍍層硬度為528.25HV，鍍層表面十分均勻，鍍層具有較好的耐蝕性和結(jié)合力。

鋁合金;化學(xué)鍍Ni-P合金;工藝條件;耐蝕性

引 言

鋁合金在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，它具有質(zhì)輕、比強(qiáng)度高、塑性好、易加工等特點(diǎn)，但是，由于其存在耐蝕性差、硬底低、不耐磨等不足，應(yīng)用受到了部分限制，故常常需要采用表面處理技術(shù)改進(jìn)其表面性能。國(guó)內(nèi)外對(duì)鋁合金化學(xué)鍍鎳進(jìn)行了許多研究，可歸納為兩種技術(shù)途徑:1)浸鋅-預(yù)鍍層法;2)直接化學(xué)鍍鎳?；瘜W(xué)鍍鎳技術(shù)具有鎳鍍液高度穩(wěn)定鍍層厚度均勻、工藝設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、孔隙率低和環(huán)保等特點(diǎn)［1-4］。在鋁合金進(jìn)行化學(xué)鍍鎳，它能制造具有良好的耐腐蝕性、耐磨性以及較好的結(jié)合力的復(fù)合材料。本實(shí)驗(yàn)采用直接鍍方法，采用正交試驗(yàn)，優(yōu)化工藝條件，獲得了較同類(lèi)鋁合金化學(xué)鍍鎳鍍層更好的耐蝕性和較高的硬度，成功地解決了在鋁合金化學(xué)鍍鎳技術(shù)中存在鍍層結(jié)合力差、耐蝕效果較差的問(wèn)題，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料及試劑

實(shí)驗(yàn)所用材料為鋁合金，主要成分見(jiàn)表1，試樣規(guī)格:30 mm×50 mm×1mm。

實(shí)驗(yàn)所用藥品均為分析純。

表1 實(shí)驗(yàn)材料的化學(xué)成分

1.2 儀 器

S4Explorer X-射線熒光譜儀，德國(guó)布魯克公司;LK2005電化學(xué)工作站，天津蘭力科化學(xué)電子公司;HV-5維氏硬度計(jì)，萊州華銀實(shí)驗(yàn)儀器有限公司;Epiphoto2000倒置式金相顯微鏡，日本尼康股份有限公司。

1.3 施鍍工藝

鋁合金化學(xué)鍍Ni-P合金主要工藝步驟:

機(jī)械打磨→水洗→丙酮洗→水洗→堿洗→水洗→酸洗→水洗→浸亮→水洗→施鍍→水洗→吹干→稱量→性能檢測(cè)。

1.4 鍍層性能檢測(cè)方法

沉積速率按照GB/T 13913-1992，利用稱量法計(jì)算鍍層沉積速率，計(jì)算公式為:

式中:v為鍍層沉積速率，20 g/(m2·h);m1為試樣鍍后質(zhì)量，g;m0為試樣鍍前質(zhì)量，g;S為試樣表面積，m2;t為時(shí)間，h。

用濃硝酸點(diǎn)滴試驗(yàn)確定鍍層耐蝕性能［5］，該方法尤其在部分小企業(yè)中常用，具體方法為:在干凈的鍍層表面滴上一滴濃硝酸并開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)?shù)蜗跛岵课蛔兩珪r(shí)停止計(jì)時(shí)，該時(shí)間即可衡量鍍層耐蝕性。

鍍層厚度用金相顯微鏡測(cè)量。測(cè)量方法為［6］:在試片側(cè)邊用細(xì)砂紙打磨出大約30°的斜面，然后倒置在金相顯微鏡上，通過(guò)目鏡觀察對(duì)焦，在基體與鍍層間可看到明顯的分界面，焦面高度差即為鍍層厚度。

但說(shuō)起班長(zhǎng)，同學(xué)們沒(méi)有不“聞風(fēng)喪膽”的。我們首先想到的不是她柔弱的一面，而是她站在講臺(tái)上手握黑板擦，叉著腰“兇神惡煞”的樣子。難道你以為她發(fā)了瘋？不對(duì)不對(duì)，那是她在管班級(jí)紀(jì)律呢。

鍍層硬度用HV-5型小負(fù)荷維氏硬度計(jì)測(cè)定;鍍層的外觀及表面形貌用目視檢查，表面外觀主要分為光亮、半光亮或無(wú)光亮;利用LK 2005型電化學(xué)綜合測(cè)試系統(tǒng)在室溫下測(cè)試極化曲線，電解液為3.5%NaCl溶液，極化范圍為－1～0 V，掃描速度為10 mV/s;依照GB/T 5935選用濾紙粘貼法，確定孔隙率;采用劃痕實(shí)驗(yàn)法確定結(jié)合力。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 基礎(chǔ)鍍液及工藝條件的確定

Ni-P化學(xué)鍍的鍍液成分研究基本相同，查閱文獻(xiàn)并結(jié)合大量預(yù)實(shí)驗(yàn)［7-10］，初步確定鍍液配方及工藝參數(shù)為:25 g/L硫酸鎳，35～50g/L檸檬酸鈉，16～28g/L次磷酸鈉，0.1 g/L 乙酸鈉，2 mg/L 硫脲，0.5 mL/L OP-10，θ為70℃，pH=9 左右。選取了次磷酸鈉、檸檬酸鈉、鍍液的pH和溫度等四個(gè)因素進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果為正交試驗(yàn)時(shí)設(shè)定水平提供依據(jù)。

2.1.1 檸檬酸鈉對(duì)鍍層耐蝕性的影響

在鋁合金化學(xué)鍍中用檸檬酸鈉做絡(luò)合劑得到的鍍層性能更好。鍍液配方及工藝條件為:25 g/L硫酸鎳，35～50g/L檸檬酸鈉，24g/L次磷酸鈉，0.1 g/L 乙酸鈉，2 mg/L 硫脲，0.5 mL/L OP-10，θ為70℃，pH 為9，t為50 min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 檸檬酸鈉對(duì)鍍層耐蝕性的影響

由圖1可知，檸檬酸鈉質(zhì)量濃度升高，鍍層耐蝕性降低。考慮鍍層耐蝕性的情況，初步選定檸檬酸鈉質(zhì)量濃度為35～45g/L。

2.1.2 次磷酸鈉對(duì)耐蝕性的影響

還原劑是化學(xué)鍍鎳的主要成分，它能提供還原鎳離子所需要的電子，用的最多的還原劑是次亞磷酸鈉，其原因是次亞磷酸鈉價(jià)格低，鍍液較容易控制，并且得到Ni-P合金鍍層性能優(yōu)良。鍍液配方及工藝條件為:25 g/L硫酸鎳，40g/L檸檬酸鈉，16～28g/L 次磷酸鈉，0.1 g/L 乙酸鈉，2 mg/L 硫脲，0.5 mL/L OP-10，θ為70 ℃，pH 為9，t為50min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 次磷酸鈉對(duì)鍍層耐蝕性的影響

由圖2可知，次磷酸鈉質(zhì)量濃度在20 g/L以上時(shí)，鍍層耐濃硝酸腐蝕性比較好，當(dāng)高于28 g/L時(shí)，耐蝕性快速變好?？紤]鍍層耐蝕性方面，初步選定次磷酸鈉質(zhì)量濃度為20～28 g/L。

2.1.3 pH對(duì)鍍層耐蝕性的影響

pH對(duì)鍍液、工藝及鍍層的性質(zhì)影響很大，它是工藝參數(shù)中必須嚴(yán)格控制的重要因素之一。鍍液配方及工藝條件為:25 g/L硫酸鎳，40g/L檸檬酸鈉，24 g/L 次磷酸鈉，0.1 g/L 乙酸鈉，2 mg/L 硫脲，0.5 mL/L OP-10，θ為 70℃，pH 為 7 ～10，t為 50 min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 pH對(duì)鍍層耐蝕性的影響

由圖3可知，當(dāng)pH在9左右時(shí)鍍層耐蝕性最好?？紤]鍍層耐蝕性的要求，將pH選為8、9、10來(lái)進(jìn)一步研究鍍液的最佳工藝條件。

2.1.4 溫度對(duì)鍍層耐蝕性的影響

鍍液溫度是影響化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的重要參數(shù)，它是影響鍍層耐蝕性的主要因素之一。鍍液配方及工藝條件為:25 g/L硫酸鎳，40g/L檸檬酸鈉，24 g/L次磷酸鈉，0.1 g/L 乙酸鈉，2 mg/L 硫脲，0.5 mL/L OP-10，θ為65 ～80℃，pH 為 9，t為 50 min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 溫度對(duì)鍍層耐蝕性的影響

由圖4可知，θ在70℃時(shí)鍍層有較好的耐蝕性，與65℃和75℃相比，鍍層出現(xiàn)腐蝕的時(shí)間相差幾倍，這是因?yàn)闇囟仁沁@些影響鍍層因素中最為重要的因素，溫度稍微變化，對(duì)鍍層影響大。當(dāng)θ高于80℃時(shí)，鍍層效果很差，出現(xiàn)很?chē)?yán)重的漏鍍現(xiàn)象且鍍層疏松多孔;θ低于65℃時(shí)，鍍層效果差。參考相關(guān)文獻(xiàn)并綜合考慮，選擇θ為60、65和70℃來(lái)進(jìn)一步研究鍍液的最佳工藝條件。

2.2 正交試驗(yàn)法優(yōu)化化學(xué)鍍Ni-P合金的工藝參數(shù)

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)正交試驗(yàn)確定其最佳配方，選取了四個(gè)主要的影響鎳-磷合金鍍層性能的因素分別為:次磷酸鈉、檸檬酸鈉、鍍液的pH和溫度。其它固定因素為:25 g/L硫酸鎳，2mg/L硫脲，0.1 g/L乙酸鈉，0.5mL/L OP-10，t為 50min。正交試驗(yàn)因素水平見(jiàn)表2。

表2 正交試驗(yàn)因素水平

用點(diǎn)滴試驗(yàn)顯色時(shí)間作為主要指標(biāo)，按照L9(34)正交表進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，在點(diǎn)滴試驗(yàn)顯色時(shí)間方面，極差的大小為 RD＞RB＞RA＞RC，因素最優(yōu)水平為D3B2A3C1。最佳工藝條件如下:25g/L硫酸鎳，24 g/L次磷酸鈉，45 g/L檸檬酸鈉，2mg/L硫脲，0.1 g/L 乙酸鈉，0.5 mL/L OP-10，pH 為 8，t為 50min，θ為70℃。

2.3 最佳工藝條件下鍍層的性能

在最佳配方及工藝條件下制備N(xiāo)i-P合金鍍層，并對(duì)其進(jìn)行相關(guān)性能的測(cè)試。

2.3.1 鍍層的外觀

所得鍍層顏色為無(wú)光亮的暗灰色并略帶黃色，鍍層表面十分均勻，表面平整度極好，無(wú)明顯的邊緣效應(yīng)，均鍍能力很好。

2.3.2 鍍層成分分析

不同Ni、P質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)鍍層性能有一定的影響。用S4 Explorer X-射線熒光光譜儀測(cè)定鍍層成分，測(cè)定結(jié)果表明化學(xué)鍍鎳層由 Ni和 P兩種元素組成，其中，Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85.8%，P的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 14.2%。

2.3.3 鍍層沉積速率與鍍層厚度測(cè)定

鍍層沉積速率和鍍層厚度分別用增量法和金相顯微鏡測(cè)定，取4次平均值，測(cè)得鍍層沉積速率為20 g/(m2·h)，鍍層厚度可達(dá) 19 μm。

2.3.4 鍍層其他性能

1)鍍層耐蝕性。所制鍍層硝酸點(diǎn)滴68s才變色，而國(guó)內(nèi)同類(lèi)鋁合金表面化學(xué)鍍Ni-P合金，是50s左右，說(shuō)明此鍍層有良好的耐蝕性。

2)鍍層孔隙率。采用貼濾紙法測(cè)定鍍層孔隙率，在最佳工藝條件下制得的鍍層平均孔隙率0.12個(gè)/cm2。

3)鍍層硬度。用HV-5維氏硬度計(jì)測(cè)量基材及鍍層硬度。測(cè)量參數(shù):加載力F=9.8N，保載時(shí)間10 s。

測(cè)得的基材硬度為42.05HV，鍍層硬度為528.25HV，而國(guó)內(nèi)同類(lèi)鋁合金化學(xué)鍍鎳鍍層的硬度一般為500HV左右，顯然材料硬度得到了很好的改善。

4)鍍層結(jié)合力。結(jié)合強(qiáng)度是衡量鍍層性能的重要指標(biāo)之一，提高鍍層與基體之間的結(jié)合力對(duì)其工程應(yīng)用具有重要的意義，本實(shí)驗(yàn)采用劃痕實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)合力。結(jié)果為:鍍層劃痕交錯(cuò)處均無(wú)脫皮和剝落，說(shuō)明此鍍層有較強(qiáng)的結(jié)合力。

2.3.5 電化學(xué)方法研究鍍層耐蝕性

用LK98C電化學(xué)工作站測(cè)定基材和鍍層的開(kāi)路電位-時(shí)間曲線和極化曲線，數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算機(jī)采集后利用軟件擬合，獲得相應(yīng)的腐蝕電位、腐蝕電流等電化學(xué)參數(shù)。在3.5%NaCl溶液中，電化學(xué)測(cè)量采用三電極系統(tǒng)，參比電極和輔助電極分別為飽和甘汞電極和鉑電極，合金為工作電極，控制工作表面為1cm2，掃描速度為10mV/s，電位掃描范圍為－1.0～0V。

1)開(kāi)路電位。實(shí)驗(yàn)測(cè)定:鋁合金的開(kāi)路電位約為－750mV，Ni-P鍍層的開(kāi)路電位約為－680mV，這表明鍍層具有提高鋁合金基體耐蝕性的趨勢(shì)和可能性。

2)極化曲線測(cè)試。實(shí)驗(yàn)測(cè)定的鋁基材及鍍層極化曲線如圖5所示，由于鋁基材本身并不耐腐蝕，從極化曲線來(lái)看，同種條件下，腐蝕電位越負(fù)的金屬，越容易被腐蝕，鋁合金的腐蝕電位很負(fù)，其腐蝕特別明顯，在同一腐蝕電位下，化學(xué)鍍鎳層的腐蝕電流密度降低，同時(shí)腐蝕電位向正方向移動(dòng)了100mV，腐蝕電流密度下降了很多。這是由于腐蝕后期鋁合金在NaCl溶液中發(fā)生了鈍化現(xiàn)象，從而使腐蝕電位提高，維持了一段時(shí)間，但過(guò)了鈍化區(qū)后，電流密度又開(kāi)始增大，鈍化膜發(fā)生破壞，鋁合金又開(kāi)始腐蝕。說(shuō)明:鋁合金經(jīng)過(guò)化學(xué)鍍鎳處理后，在3.5%NaCl溶液，其耐蝕性得到了很大的提高。

圖5 試樣在3.5%NaC1溶液中的極化曲線

3 結(jié)論

1)通過(guò)正交試驗(yàn)得出化學(xué)鍍Ni-P合金的最佳配方及工藝條件為:25g/L硫酸鎳，24 g/L次磷酸鈉，45 g/L檸檬酸鈉，2 mg/L 硫脲，0.1 g/L 乙酸鈉，0.5mL/L OP-10，pH 為 8，t為50min，θ為70℃。

2)最佳工藝條件下，鍍層沉積速率為20 g/(m2·h)，鍍層厚度可達(dá)19 μm，鍍層硬度為 528.25 HV，鍍層平均孔隙率0.12個(gè)/cm2，鍍層表面十分均勻，表面平整度極好，鍍層具有較好的耐蝕性和結(jié)合力。

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Technology of Electroless Ni-P Alloy Plating on Aluminum Alloy

LI Xin-yue，ZENG Xian-guang，ZHENG Xing-wen，LIANG Wei
(Sichuan University of Sicience and Engineering，Zigong 643000，China)

The effect of temperature，pH value，content of sodium citrate and sodium hypophosphite on the corrosion resistance of Ni-P electroless coating on aluminum alloy was investigated by using single factor and orthogonal methods.A suitable electroless Ni-P alloy plating condition with higher deposition rate and corrosion resistance was obtained.The results show that the optimal processing parameters are NiSO4·6H2O 25g/L，NaH2PO2·H2O 24g/L，C6H5Na3O7·2H2O 45g/L，CH4N2S 2mg/L，CH3COONa·3H2O 0.1 g/L，OP-10 0.5mL/L，pH value of 8.0，processing time of 50 min，temperature of 70℃.Under this condition，the plating rate of Ni-P coating reaches to 20 g/(m2·h)，and the coating has a uniform surface，higher corrosion resistance and better adhesion with the thickness of 19μm and hardness of 528.25 HV.

aluminum alloy;electroless plating Ni-P alloy;processing condition;corrosion resistance

TQ174.4

A

1001-3849(2011)08-0038-05

2011-02-01

2011-05-23