鎳-鋁顆粒復(fù)合電鍍工藝

黃選民*，幸澤寬，秦毅，孫慶華，韓國(guó)忠

（成都航利集團(tuán)，四川 成都 611936）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣通道零件常用噴涂鋁或電鍍鎳作為抗鹽霧腐蝕的保護(hù)層，這類保護(hù)層一般應(yīng)用在500 °C以下的環(huán)境中，主要保護(hù)馬氏體不銹鋼不受高溫氧化 和氣流中鹽霧的腐蝕。但這2 種常用涂層還存在一些不足。噴涂鋁雖有很高的耐蝕性，但涂層粗糙，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)性能有很大的影響；電鍍鎳鍍層細(xì)致均勻，但耐蝕性滿足不了實(shí)際應(yīng)用的需要。為提高發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣通道零件涂層的綜合性能，充分利用鋁的抗氧化性和犧牲陽(yáng)極特性，提出鎳-鋁顆粒的復(fù)合電鍍?cè)O(shè)想，目的是獲得一種具有電鍍鎳的均勻細(xì)致性又具有鋁的高抗蝕性的復(fù)合鍍層，還考慮真空加熱擴(kuò)散處理以降低鍍層的孔隙率，強(qiáng)化鎳鋁鍍層，增大結(jié)合強(qiáng)度，并依靠高溫環(huán)境下形成的保護(hù)性熱生長(zhǎng)氧化鋁薄膜來抑制材料的進(jìn)一步氧化，從而提高其抗腐蝕能力。

有關(guān)鎳-鋁顆粒復(fù)合電鍍，最早可見M.Izaki 等[1]和D.F.Susan 等[2]的工作。其研究表明，微米鋁粉彌散分布的Ni-Al 復(fù)合鍍層經(jīng)合金化處理后能形成連續(xù)的內(nèi)氧化鋁薄層，具有較好的抗高溫氧化能力。周月波等[3]通過在鎳電鍍液中加入納米鋁粒子，在未經(jīng)擴(kuò)散處理?xiàng)l件下制得鎳-鋁復(fù)合鍍層，鍍層在1 050 °C 的高溫下具備優(yōu)良的抗氧化性能。I.Naploszek-Bilnik 等[4]通過大量實(shí)驗(yàn)分別得到了電流密度、鍍液中鋁粒子含量與鍍層中鋁含量的關(guān)系曲線，得出電鍍液中鋁粒子含量為120 g/L 時(shí)，所得復(fù)合鍍層中鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)44%。以上電鍍工藝中，基體都是豎直放置，H.F.LIU等[5]將基體水平放置，只需在鍍液中加入少量(40 g/L)鋁粒子，就可得到鋁含量(體積分?jǐn)?shù)為30%～35%)很高的復(fù)合鍍層。由于發(fā)動(dòng)機(jī)零件表面并非平面狀，電鍍時(shí)只能選用豎直放置。本文以復(fù)合鍍層的外觀和鍍層中鋁含量為指標(biāo)，探索鎳-鋁顆粒復(fù)合電鍍工藝配方和工藝參數(shù)對(duì)鍍層性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

以50 mm × 25 mm × 2 mm 的馬氏體不銹鋼為陰極，其組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：Cr 10.8%，Ni 1.6%，W 1.75%，Mo 0.46%，V 0.23%，C 0.14%，F(xiàn)e 余量。陽(yáng)極為與陰極尺寸相同的NY2 純鎳板。陰、陽(yáng)極有效面積均為0.1 dm2，背面封蠟，局部露于液面。電鍍?nèi)萜鳛?00 mL 燒杯，每次配制150 mL 鍍液。

1.2 工藝流程

試片裝掛─去污粉除油─自來水沖洗─鹽酸活化─自來水沖洗─蒸餾水清洗─電鍍─自來水沖洗─蒸餾水清洗─電吹風(fēng)吹干。

1.3 配方與工藝

根據(jù)文獻(xiàn)[3]，確定鍍液的配方為：NiSO4·7H2O (150 ± 2) g/L，NH4Cl (15 ± 1) g/L，H3BO3(15 ± 1) g/L，C12H25SO4Na (0.1 ± 0.01) g/L，明膠0.50 g/L，消泡劑適量。未特別說明之處的工藝參數(shù)均為：Al 顆粒(平均粒徑5～10 μm)(30 ± 1) g/L，電流密度(2.0 ± 0.2) A/dm2，溫度25 °C，轉(zhuǎn)速(150 ± 10) r/min，時(shí)間90 min。鍍液的恒溫和攪拌均采用恒溫磁力攪拌器。

1.4 性能測(cè)試

(1) 外觀：用SONY 相機(jī)對(duì)試片表面進(jìn)行表征，綜合多個(gè)試片外觀情況劃分等級(jí)并制作標(biāo)準(zhǔn)樣件，外觀等級(jí)值劃分主要根據(jù)鍍層表面粗糙度、均勻性等制定，等級(jí)范圍為40%～90%，數(shù)值越大表示外觀越好，標(biāo)準(zhǔn)樣件示于圖1。

圖1 鍍層外觀等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)樣件Figure 1 Standard samples for grading deposit appearance

(2) 形貌及組成：用美國(guó)NITON 金屬材料成分分析儀測(cè)定鍍層中的Al 含量；用EVO M15 掃描電子顯微鏡(SEM)分析鍍層的微觀形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同因素對(duì)鍍層性能的影響

2.1.1 電流密度

電流密度對(duì)鍍層外觀以及鍍層中Al 顆粒含量的影響見圖2。

圖2 電流密度對(duì)鍍層外觀和Al 含量的影響Figure 2 Effect of current density on appearance and Al content of coating

由圖2可以看出，隨電流密度增大，鍍層中的Al含量略有減少，鍍層外觀質(zhì)量明顯改善。電流密度為2.5 A/dm2時(shí)，鍍層外觀質(zhì)量最好，Al 含量約為5%。這是因?yàn)樵诘碗娏髅芏葏^(qū)，Ni2+離子沉積慢，總量少，對(duì)Al 顆粒的包裹和共沉積能力弱，Al 顆粒機(jī)械地吸附到陰極表面，鍍層中鎳對(duì)Al 顆粒的包裹往往是局部的，宏觀上表現(xiàn)為鍍層疏松；電流密度增大時(shí)，Ni2+離子沉積加快，沉積總量增大，對(duì)Al 顆粒的包裹和共沉積能力增強(qiáng)，鍍層中鎳對(duì)Al 顆粒的包裹非常堅(jiān)固和完整，宏觀上表現(xiàn)為鍍層均勻細(xì)致；繼續(xù)增大電流密度，鍍層較脆，極易脫落。因此，電流密度的設(shè)定應(yīng)綜合考慮。

2.1.2 攪拌速率

攪拌速率對(duì)鍍層外觀及鍍層中Al含量的影響見圖3。

圖3 攪拌速率對(duì)鍍層外觀和Al 含量的影響Figure 3 Effect of stirring rate on appearance and Al content of coating

從圖3可以看出，隨磁子攪拌速率增大，鍍層中Al 含量顯著升高，但鍍層外觀質(zhì)量變差。攪拌速率增大，溶液形成巨大的漩渦，漩渦流中大量Al 顆粒隨液流做圓周運(yùn)動(dòng)，并不斷與試片發(fā)生碰撞，速率越大，相互碰撞的Al 顆粒就越多，與鎳共沉積的幾率就越大，鎳含量增大的同時(shí)外觀變得更為粗糙，尤其是當(dāng)Al 顆粒發(fā)生大量機(jī)械吸附時(shí)，表面變得完全疏松。

2.1.3 鍍液中的Al 顆粒含量

鍍液中Al 顆粒含量對(duì)鍍層外觀及鍍層中Al 含量的影響見圖4。

圖4 鍍液中Al 顆粒含量對(duì)鍍層外觀和Al 含量的影響Figure 4 Effect of Al particle content in bath on appearance and Al content of coating

由圖4可以看出，鍍層中Al 含量與鍍液中Al 顆粒含量成正比，鍍層外觀也隨鍍液中Al 顆粒含量增加而有所改善。這是因?yàn)殄円褐蠥l 顆粒含量少時(shí)，與鎳共沉積的Al 顆粒不足，易形成局部點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)，外觀顯示不均勻；增大鍍液中Al 顆粒的含量，鍍層中Al 顆粒的分布趨向均勻，鍍層外觀質(zhì)量變好。

2.1.4 鍍液pH

鍍液pH 對(duì)鍍層外觀及鍍層中Al 含量的影響見圖5。

圖5 pH 對(duì)鍍層外觀和Al 含量的影響Figure 5 Effect of pH on appearance and Al content of coating

由圖5可以看出，pH 的較適宜范圍為3.5～4.5，此時(shí)鍍層中Al 含量最高，外觀最好。pH 過低或過高均不利于鎳沉積。pH 過高，鍍層中夾入氫氧化鎳等雜質(zhì)，導(dǎo)致鍍層粗糙發(fā)脆；pH 過低時(shí)，氫氣析出量增多，鍍層產(chǎn)生大量針孔。在復(fù)合鍍過程中，鍍液pH 緩慢升高，要經(jīng)常用稀鹽酸來調(diào)節(jié)。同時(shí)考慮到溶液對(duì)Al 顆粒的溶解性，盡量選擇偏上限的4.5 為宜。

2.1.5 鍍液溫度

鍍液溫度對(duì)鍍層外觀以及鍍層中Al 含量的影響，結(jié)果如圖6所示。從圖6可知，在研究的溫度范圍內(nèi)升高溫度，溶液的電導(dǎo)率和Ni2+向陰極的擴(kuò)散速率增大，沉積速率增大，鍍層中Al 含量增大，鍍層外觀改善；繼續(xù)升溫，鍍層中Al 含量略有降低且外觀變差，這可能是鍍液的蒸發(fā)量增加使鹽濃度增大所致。因此，升高鍍液溫度可以減少鍍層內(nèi)應(yīng)力，提高陰極電流效率，但溫度過高又會(huì)使鎳鹽水解成氫氧化物沉淀的傾向增強(qiáng)，增大鍍液蒸發(fā)量，使鍍層外觀變差。溫度對(duì)鍍層中Al 顆粒含量影響不大，但對(duì)鍍層外觀的影響較大。復(fù)合鍍的最佳溫度為25～35 °C。

圖6 溫度對(duì)鍍層外觀和Al 含量的影響Figure 6 Effect of temperature on appearance and Al content of coating

2.2 復(fù)合鍍層成分分析

在溫度(30 ± 2) °C、pH 4.5、電流密度2.5 A/dm2、攪速150 r/min 條件下電鍍90 min，獲得宏觀基本均勻但略顯粗糙的復(fù)合鍍層，鍍層表面無光澤，呈淺灰或灰黑色。對(duì)試片進(jìn)行以下成分分析。

2.2.1 表面整體組成

圖7是復(fù)合鍍層表面形貌和整體組成圖。從圖7可知，鍍層表面由顆粒狀和塊狀堆積物構(gòu)成，鍍層中Al 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.41%，這與工藝試驗(yàn)過程中用金屬材料成分分析儀測(cè)得的數(shù)據(jù)相當(dāng)。

圖7 鍍層表面形貌和組成Figure 7 Surface morphology and composition of the coating

2.2.2 表面不同區(qū)域的組成

圖8是試件表面形貌和不同區(qū)域成分分析圖。從SEM 圖中可清晰看到鍍層中有灰色粗大結(jié)晶(圖中A點(diǎn))和導(dǎo)電性差的部分黑斑(圖中B 點(diǎn))，分析顯示這兩個(gè)區(qū)域分別以Ni 和Al 為主成分，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別達(dá)82.68%和41.24%，說明灰色表面是純鎳或被鎳包裹的、未能測(cè)出的Al 顆粒，黑斑部分為大量Al 顆粒的堆積或兼有其與少量鎳離子的共沉積。

圖9是圖8a中灰色部分的表面形貌和顆粒狀部位的成分分析圖。從中可清晰看到鍍層中含有Al 顆粒，部分完整包裹于鎳鍍層內(nèi)，Al 顆粒輪廓可辨；部分與鎳一起共沉積于表面，呈堆積狀。但含量分析中未檢出Al，說明實(shí)質(zhì)上這樣的顆粒仍是由鎳鍍層緊密包裹。

圖8 鍍層不同部位的組成Figure 8 Composition of different area of coatings

圖9 圖8中灰色區(qū)域表面形貌及顆粒組成Figure 9 Surface morphology of the gray area in figure 8 and composition of the particles

2.2.3 剖面組成

為驗(yàn)證鍍層中是否含有Al 顆粒，對(duì)其剖面進(jìn)行掃描電鏡觀測(cè)并剖面成分分析，結(jié)果見圖10。

圖10 鍍層截面形貌和黑色顆粒的組成Figure 10 Cross-section morphology of the coating and the composition of black particle

SEM 照片的中間部分為鍍層，左側(cè)為基體，右側(cè)為鑲嵌物。鍍層中的黑色顆粒被證實(shí)是Al，含量達(dá)93.16%?？梢夾l 顆粒的直徑約為10 μm，中間值小于5 μm，細(xì)小的小于1 μm。細(xì)小的Al 微粒應(yīng)來源于原料，這是氣霧法制Al 粉工藝的特點(diǎn)，大顆粒上會(huì)附著無數(shù)的Al 微粒，難以完全分離。當(dāng)Al 顆粒被加入鍍鎳液中時(shí)，由于攪拌和活性劑的作用，細(xì)小的Al 微粒也得到有效分散，進(jìn)而沉積在鎳鍍層中。

綜上所述，采用本工藝已成功實(shí)現(xiàn)鎳-鋁顆粒共沉積，但所得鎳-鋁復(fù)合鍍層表面較粗糙，Al 分布極不均勻。

3 結(jié)論

(1) 鍍液中Al 顆粒的質(zhì)量濃度對(duì)鍍層外觀有較大影響。在25～35 °C 范圍內(nèi)，溫度對(duì)鍍層外觀和Al 含量的影響不大。電流密度、攪拌速率、Al 顆粒含量均對(duì)鍍層外觀和Al 含量產(chǎn)生明顯影響。

(2) 鎳-鋁顆粒復(fù)合鍍的最佳工藝參數(shù)為：NiSO4·7H2O (150 ± 2) g/L，NH4Cl (15 ± 1) g/L，H3BO3(15 ± 1) g/L，C12H25SO4Na (0.10 ± 0.01) g/L，明膠0.50 g/L，Al 顆粒30 g/L，消泡劑適量，溫度(30 ± 2) °C，pH 4.5，電流密度2.5 A/dm2，攪拌速率150 r/min，電鍍時(shí)間90 min。在最佳工藝下獲得的鍍層Al 含量為4.4%～5.2%，呈淺灰色或灰黑色，表面較均勻，但略顯粗糙。

(3) 鎳-鋁顆粒復(fù)合鍍層基本實(shí)現(xiàn)鎳對(duì)Al 顆粒的完整包裹，但電鍍工藝還有待優(yōu)化，鍍層的抗蝕、抗氧化等性能有待測(cè)試。

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