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。
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。
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。
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
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。
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。
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。
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。
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)。
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
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)。
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。
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。
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。
(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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