中溫堿性鎂合金化學(xué)鍍鎳研究

葛 昆，侯 華，趙宇宏,，郝小軍，蔣 博，郭 維

（1.中北大學(xué)，山西太原 030051；2.揚(yáng)州峰明金屬制品有限公司，江蘇揚(yáng)州 225117）

鎂合金因具有比重輕、密度小、比強(qiáng)度和比剛度高等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、航空航天工業(yè)、電子通訊等領(lǐng)域[1-3]，但鎂的化學(xué)性質(zhì)活潑，電極電位為 -2.34V（SHE）[4]，是所有金屬工程結(jié)構(gòu)材料中電負(fù)性最強(qiáng)的，易與其他金屬材料形成電偶腐蝕；另外在其表面形成的 Mg(OH)2或者M(jìn)gO薄膜疏松多孔，MgO的PBR值為0.81[5]，這層薄膜穩(wěn)定性差，對(duì)鎂基體的保護(hù)性能很弱。鎂合金中存在第二相或雜質(zhì)元素會(huì)引起電偶腐蝕，使得鎂合金的耐蝕性很差。鎂合金化學(xué)鍍鎳工藝包括浸鋅法[6]和直接化學(xué)鍍鎳法[7-9]。目前直接化學(xué)鍍鎳工藝鍍液一般采用高溫酸性工藝參數(shù)，硫酸鎳酸性鍍液在較高溫度下對(duì)鎂合金無明顯腐蝕，但需要消耗較多的能量，鍍液組分的揮發(fā)也多，且處于熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)，鍍液穩(wěn)定性降低，易于引起鍍液分解，從而引起廢水處理和排放等環(huán)境問題。然而鎂合金堿性鍍液[10-11]工藝起鍍溫度低，中溫施鍍鍍速快、能耗小，本文主要對(duì)鍍液成分進(jìn)行了改善，降低施鍍溫度并且采取堿性鍍液進(jìn)行鎂合金直接化學(xué)鍍鎳，分析鍍層表面結(jié)構(gòu)和形貌，測(cè)試其耐蝕性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試樣制備

試樣采用鑄造鎂合金AZ91D，試樣尺寸為20 mm×20 mm×3 mm，分別用粗砂、600#SiC砂紙、800#SiC砂紙、1500#SiC砂紙打磨試樣，直至試樣表面光滑平整、無明顯劃痕?；瘜W(xué)鍍鎳工藝流程為：基體打磨—丙酮清洗—堿性超聲波清洗—酸性浸蝕—?dú)浞峄罨苯踊瘜W(xué)鍍鎳，上述各步驟之間用去離子水清洗。

1.2 前處理工藝與鍍液成分和操作條件

前處理工藝成分及條件如表1所示，鍍液主鹽選擇價(jià)格便宜、不引入雜質(zhì)離子的硫酸鎳，絡(luò)合劑采用檸檬酸鈉作為主絡(luò)合劑、氨基乙酸為輔助絡(luò)合劑的復(fù)合絡(luò)合劑，堿性鍍液中檸檬酸鈉有良好的絡(luò)合能力，鍍液成分和工藝條件的最佳工藝是由正交試驗(yàn)確定的，最佳成分及工藝如表2。

1.3 鍍層組織、性能檢測(cè)

鍍層相結(jié)構(gòu)采用日本理學(xué)(RIGAKU)公司生產(chǎn)的D/max-rB型X射線衍射儀測(cè)試(XRD)，測(cè)定條件為Cu Kα輻射(λ= 0.15418 nm)，掃描速度5(°)/min，掃描角度 10°～90°。形貌分析采用 SU-1500型掃描電子顯微鏡，加速電壓為10～20 kV。AZ91D鎂合金及鍍層的極化曲線采用恒電位儀、ZF-4電位掃描信號(hào)發(fā)生器和ZF-10B數(shù)據(jù)采集存貯器測(cè)試，在3.5%的氯化鈉溶液中，以飽和甘汞電極為參比電極、鉑電極為輔助電極、鎂合金試樣為工作電極，留出工作面，其余表面以704硅膠封固，分別測(cè)試鎂合金和鍍層的動(dòng)態(tài)極化曲線。

表1 前處理工藝條件

表2 鍍液成分及條件

2 結(jié)果與討論

2.1 鍍層結(jié)構(gòu)與形貌

圖1是鍍層XRD衍射圖譜，由圖譜可知：在鎂合金基體表面覆蓋有Ni-P固溶體，固溶體種類較復(fù)雜，同時(shí)在2θ約70°的衍射峰發(fā)現(xiàn)Mg-Zn金屬間化合物，說明鍍層厚度較薄，XRD可以穿透鍍層掃到基體鎂合金的成分。Ni-P固溶體峰呈現(xiàn)尖銳的晶體峰，說明鍍層整體呈現(xiàn)晶態(tài)。

圖2是鑄態(tài)AZ91D鎂合金表面SEM圖片，AZ91D鎂合金由固溶體α-Mg，沿它的晶界以不連續(xù)網(wǎng)狀分布著Mgl7Al12相，以及分布在固溶體α-Mg相中的Mn-Al化合物小質(zhì)點(diǎn)所組成，AZ91D兩相的腐蝕電位分別為-1.73V（VS SCE，下同）和-1.0V，樣品表面電位不等致使形成腐蝕微電池，導(dǎo)致AZ91D鎂合金表面難以施鍍。

圖1 鍍層XRD衍射圖譜

圖2 AZ91D鎂合金表面形貌

圖3是鍍層表面形貌，鍍層表面致密均勻，有少量因反應(yīng)速率過快導(dǎo)致形成的氣孔，能譜分析表明，鍍層表面磷的濃度為3.28%，屬于低磷鍍層，鍍層中磷濃度的高低決定了鍍層的晶態(tài)非晶態(tài)性質(zhì)，鍍層中磷濃度低鍍層呈現(xiàn)晶態(tài)，晶粒尺寸較大，表面存在不同種類的缺陷和化學(xué)成分偏析，導(dǎo)致鍍層性能降低。圖4是鍍層截面形貌，鍍層厚度較均勻，施鍍30 min鍍層厚度約為5 μm左右，鍍層與基體結(jié)合良好、緊密，但因鍍層較薄，對(duì)基體只能起到一定的保護(hù)作用。

2.2 鍍層耐蝕性

圖3 鍍層表面形貌

圖4 鍍層截面形貌

AZ91D鎂合金與鍍層在3.5%NaCl溶液中的極化曲線如圖5，鍍層的極化曲線相對(duì)于鎂合金基體向上移動(dòng)，一定程度上提高了鎂合金的耐腐蝕性能。鍍層的腐蝕電位提高量不大，這是由于鍍層呈現(xiàn)晶態(tài)，表面存在氣孔類型的缺陷，基體耐蝕性提高不大。利用強(qiáng)極化區(qū)線擬合的方法，鎂合金基體與鍍層測(cè)得腐蝕電流密度分別為3.32 mA/cm2和0.648 mA/cm2，鍍層腐蝕速率明顯低于鎂合金基體，說明鍍層耐蝕性高于鎂合金基體。

圖5 鎂合金與鍍層的動(dòng)態(tài)極化曲線

3 結(jié)論

(1)在AZ91D鎂合金表面制備了Ni-P鍍層，XRD和EDS分析顯示鍍層呈現(xiàn)晶態(tài)，屬于低磷鍍層，鍍層表面致密均勻，有少量氣孔存在。

(2)中溫堿性化學(xué)鍍Ni-P合金腐蝕速率慢、鍍層腐蝕電位高，對(duì)鎂合金基體起到保護(hù)作用。

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