6063鋁合金化學(xué)鍍鎳–磷合金鍍層的性能

李興奎

（四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院材料工程系，四川 德陽(yáng) 618000）

6063鋁合金具有抗拉強(qiáng)度高、條件屈服強(qiáng)度高、伸長(zhǎng)率高等優(yōu)點(diǎn)，但其耐酸、堿和鹽腐蝕的性能較差，并且硬度低、耐磨性差，嚴(yán)重阻礙了其應(yīng)用。因此，在一些場(chǎng)合需要對(duì)其進(jìn)行表面處理以提高耐蝕性。采用電鍍、化學(xué)轉(zhuǎn)化、涂裝、高能束表面改性等技術(shù)可防止或減緩鋁合金的腐蝕，其中化學(xué)鍍 Ni–P具有耐蝕性和耐磨性優(yōu)異、結(jié)合力好、硬度高等優(yōu)點(diǎn)，已成為很多金屬及合金的常用表面防護(hù)方法[1-4]。有關(guān)鋁合金化學(xué)鍍鎳的報(bào)道也較多[5-9]。賀忠臣等[10]研究了熱處理溫度對(duì) 6063鋁合金化學(xué)鍍鎳層耐蝕性的影響。劉開(kāi)云[11]研究了高壓陽(yáng)極氧化及中溫直接化學(xué)鍍鎳對(duì)6063鋁合金性能的影響。馮立明等[12]針對(duì)6063鋁合金開(kāi)發(fā)了一種僅包含脫脂、浸鋅及水洗等前處理工序的化學(xué)鍍鎳磷合金工藝，所得鍍鎳層光澤度高、結(jié)合力強(qiáng)、顏色穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)致密，磷含量在10%～12%之間，鍍態(tài)硬度在500 HV以上，遠(yuǎn)高于陽(yáng)極硬質(zhì)氧化層。本文對(duì)6063鋁合金表面進(jìn)行化學(xué)鍍Ni–P合金，以改善其表面狀態(tài)，提高基體性能和拓寬其應(yīng)用范圍。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 基體材料

基體材料為6063鋁合金，其組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：Si 0.30%～0.60%，Cu ≤0.10%，Mg 0.60%～0.90%，Zn≤0.15%，Mn≤0.15%，Ti≤0.10%，Cr≤0.05%，F(xiàn)e 0.15%～0.35%，Al余量。將6063合金線切割成8 mm ×20 mm × 3 mm大小，頂端打孔。用水砂紙從400#依次打磨至1200#，丙酮清洗，自然風(fēng)干后置于干燥器內(nèi)待用。

1.2 工藝流程

除油(10 min)─蒸餾水洗─酸洗(3 min)─蒸餾水洗─活化(10 min)─蒸餾水洗─化學(xué)鍍Ni–P─蒸餾水洗─干燥─成品。

除油液為含18 g/L NaOH和20 g/L Na2CO3的乙醇溶液。酸洗液為200 g/L的鉻酸酐溶液?；罨簽?0%(體積分?jǐn)?shù))的HF溶液。

1.3 鍍液配方與工藝

NiSO4·6H2O 25～28 g/L

NaH2PO2·H2O 20～25 g/L

NH4HF220～23 g/L

CH3COONa·3H2O 15～20 g/L

C6H8O78 g/L

KIO30.1 g/L

pH 5.5～6.0

θ(80 ± 2) °C

t2 h

1.4 性能檢測(cè)

1.4.1 結(jié)構(gòu)和厚度

利用日本島津生產(chǎn)的XRD-7000型X射線衍射儀(XRD)分析鍍層結(jié)構(gòu)。利用日本電子株式會(huì)社的JSM-6700F型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察Ni–P鍍層的表面形貌，并用其附帶的能譜儀(EDS)測(cè)定鍍層的組成。鍍層厚度也用掃描電鏡測(cè)定。測(cè)定前，先將Ni–P合金試樣鑲嵌在環(huán)氧樹(shù)脂中，固化后用砂紙低速磨損，避免涂層和基體發(fā)生剝離，磨損中避免溫度升高導(dǎo)致環(huán)氧樹(shù)脂軟化，再通過(guò)觀察截面形貌來(lái)測(cè)定Ni–P鍍層的厚度。

1.4.2 孔隙率

鍍層的孔隙率采用貼濾紙法[15-16]，測(cè)試液組成為：鋁試劑3.5 g/L，NaCl 150 g/L。

1.4.3 顯微硬度

利用吳忠微型試驗(yàn)儀器廠生產(chǎn)的 HX-1型顯微硬度計(jì)測(cè)定鍍層和基體的顯微硬度，載荷250 N，加載時(shí)間為10 s，每個(gè)試樣測(cè)5個(gè)不同點(diǎn)，取平均值。

1.4.4 結(jié)合力

采用彎曲法測(cè)定鍍層的結(jié)合力。將試樣沿一直徑等于試樣厚度的軸反復(fù)彎曲 180°，斷裂后觀察斷面，根據(jù)鍍層是否出現(xiàn)起皮、脫落等現(xiàn)象評(píng)定鍍層與基體之間的結(jié)合力。

1.4.5 耐蝕性

根據(jù)QB/T 3826–1999《輕工產(chǎn)品金屬鍍層和化學(xué)處理層的耐腐蝕試驗(yàn)方法 中性鹽霧試驗(yàn)(NSS)法》，用北京北方利輝試驗(yàn)儀器設(shè)備有限公司產(chǎn) YWX/Q-150型鹽霧試驗(yàn)機(jī)測(cè)定鍍層和基體在3.5% NaCl溶液中的耐蝕性。腐蝕速率按下式計(jì)算：

式中v為腐蝕速率[g/(cm2·h)]，m0、m1分別為NSS試驗(yàn)前后試樣的質(zhì)量(g)，A為樣品的面積(cm2)，t為噴霧時(shí)間(h)。

2 結(jié)果與討論

2.1 形貌及結(jié)構(gòu)

采用掃描電鏡測(cè)得化學(xué)鍍Ni–P合金鍍層的厚度約為15 μm，圖1是鍍層的表面形貌和能譜圖。從圖1可知，所得鍍層為典型的“菜花狀”，表面致密，無(wú)明顯缺陷，為鍍層的耐蝕性能提供了保證。鍍層由Ni和 P元素組成，Ni、P的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 88.73%和11.27%。P含量大于8%屬于高P鍍層，通常為非晶態(tài)鍍層[13-14]。

圖1 Ni–P合金鍍層的SEM照片和EDS譜Figure 1 SEM image and EDS spectrum for Ni–P alloy coating

為進(jìn)一步確定Ni–P鍍層的結(jié)構(gòu)，利用X射線衍射儀對(duì)其進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖2。從圖2可知，在衍射角2θ為45°附近，即鎳(111)的衍射方向有漫散射衍射峰，表明此鍍層確實(shí)為非晶態(tài)。

圖2 Ni–P鍍層的XRD譜Figure 2 XRD pattern for Ni–P coating

2.2 孔隙率

化學(xué)鍍Ni–P合金鍍層的孔隙率為零，這與其致密的非晶結(jié)構(gòu)有關(guān)。

2.3 顯微硬度

表1所示為Ni–P鍍層和基體的顯微硬度。

表1 Ni–P合金鍍層和6063鋁合金的的顯微硬度Table 1 Microhardness of 6063 aluminum alloy substrate and the Ni–P alloy coating on it

從表1可知，Ni–P合金鍍層的顯微硬度為476 HV左右，約為基體的4倍，說(shuō)明化學(xué)鍍Ni–P可顯著提高基體的顯微硬度。

2.4 結(jié)合力

觀察結(jié)合力測(cè)試后Ni–P鍍層的斷面可知，鍍層無(wú)起皮、脫落，說(shuō)明Ni–P鍍層與基體結(jié)合良好。

2.5 耐蝕性

中性鹽霧試驗(yàn)表明，化學(xué)鍍 Ni–P合金連續(xù)噴霧80 h后開(kāi)始出現(xiàn)白銹，而基體連續(xù)噴霧35 h后就開(kāi)始出現(xiàn)白銹。經(jīng)計(jì)算，連續(xù)噴霧50 h后，鋁合金基體和化學(xué)鍍Ni–P合金的腐蝕速率分別為0.026 4 g/(cm2·h)和 0.009 6 g/(cm2·h)，表明化學(xué)鍍 Ni–P 層可顯著增強(qiáng)6063鋁合金在3.5% NaCl溶液中的耐蝕性。

3 結(jié)論

(1) 化學(xué)鍍Ni–P層表面致密、無(wú)明顯缺陷，P含量為11.18%，為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，鍍層厚度約為15 μm。

(2) 化學(xué)鍍Ni–P層的顯微硬度為476 HV，約為基體顯微硬度的4倍。Ni–P層與基體之間結(jié)合良好。

(3) 連續(xù)噴中性鹽霧50 h后，鋁合金基體和化學(xué)鍍Ni–P 合金鍍層的腐蝕速率分別為 0.026 4 g/(cm2·h)和0.009 6 g/(cm2·h)，說(shuō)明化學(xué)鍍 Ni–P 層可顯著增強(qiáng)基體在3.5% NaCl溶液中的耐蝕性。

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