納米化學(xué)復(fù)合鍍鎳-磷-氧化鋁工藝

金輝 *，王一雍，郎現(xiàn)瑞，南紅玉，莊子棟，周立強(qiáng)

（1.遼寧科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，遼寧 鞍山 114051；2.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870；3.遼寧科技大學(xué)激光先進(jìn)制造技術(shù)研發(fā)中心，遼寧 鞍山 114051）

納米化學(xué)復(fù)合鍍鎳-磷-氧化鋁工藝

金輝1,2,3,*，王一雍1,3，郎現(xiàn)瑞1，南紅玉1，莊子棟1，周立強(qiáng)1

（1.遼寧科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，遼寧 鞍山 114051；2.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870；3.遼寧科技大學(xué)激光先進(jìn)制造技術(shù)研發(fā)中心，遼寧 鞍山 114051）

通過(guò)正交試驗(yàn)對(duì) 45鋼上復(fù)合化學(xué)鍍 Ni-P-Al2O3的工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，得到的最佳工藝條件為：NiSO4·7H2O 25 g/L，NaH2PO2·H2O 30 g/L，CH3COONa 15 g/L，NaF 0.4 g/L，乳酸20 mL/L，硫脲20 mg/L，十二烷基磺酸鈉0.1 g/L，納米α-Al2O35 g/L，溫度90 ℃，pH 4.8，時(shí)間2 h，轉(zhuǎn)速300 r/min。分別采用掃描電鏡、能譜儀、維氏硬度儀和電化學(xué)工作站對(duì)鍍層的微觀形貌、組成、顯微硬度以及耐蝕性進(jìn)行表征。在最優(yōu)工藝下制備的Ni-P-Al2O3復(fù)合鍍層，Al2O3微粒分布均勻，結(jié)構(gòu)致密，顯微硬度為204 HV，耐蝕性均優(yōu)于Ni-P鍍層。

鎳-磷合金；氧化鋁；化學(xué)復(fù)合鍍；顯微硬度；耐蝕性中圖分類(lèi)號(hào)：TQ153.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

納米化學(xué)復(fù)合鍍是通過(guò)化學(xué)鍍使不溶于鍍液的納米固體微粒和金屬共沉積，得到具有較高硬度、耐磨、耐蝕、耐熱以及裝飾性等功能性鍍層[1]。目前，國(guó)內(nèi)Ni-P基納米復(fù)合化學(xué)鍍主要是往鍍液中添加非金屬單質(zhì)或化合物粉體納米粒子，如 SiC[2]、SiO2[3]、Al2O3[4-5]、ZnO、CeO2和TiO2[6-7]及金屬納米粒子[8]等，所得納米復(fù)合化學(xué)鍍鎳層硬度高，耐蝕性能也有所增強(qiáng)[9]。

由于納米Al2O3具有硬度高、密度大、化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，將其復(fù)合到金屬鍍層中可提高鍍層的硬度、耐磨性和耐蝕性能[10-12]。本文以45碳鋼為基體進(jìn)行納米化學(xué)復(fù)合鍍。為提高納米粒子的分散性，通過(guò)超聲波分散、機(jī)械攪拌和分散劑相結(jié)合，使Al2O3納米微粒均勻彌散分布于 Ni-P基體中，得到 Ni-P-Al2O3納米復(fù)合鍍層。通過(guò)正交試驗(yàn)對(duì)Ni-P-Al2O3化學(xué)復(fù)合鍍進(jìn)行正交優(yōu)化，并表征了鍍層的組織結(jié)構(gòu)、耐蝕性和結(jié)合力等性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

基體為 50 mm × 20 mm × 1 mm的 45#碳鋼，納米α-Al2O3的平均粒度為30 nm。

1.2 工藝流程

打磨—無(wú)水乙醇除油—水洗—堿性除油(Na2CO320 ~ 30 g/L，Na3PO4·12H2O 50 ~ 70 g/L，NaOH 40 ~ 60 g/L，Na2SiO35 ~ 10 g/L，80 ~ 90 ℃)—水洗—活化[φ(HCl)=20%]—水洗—施鍍—水洗—干燥。

1.3 鍍液組成與工藝

配制鍍液時(shí)，鍍液中納米Al2O3顆粒的分散至關(guān)重要。先將納米Al2O3粒子用一定量的去離子水潤(rùn)濕，加入0.1 g/L十二烷基磺酸鈉，超聲波分散1 h后，將納米Al2O3溶液加入鍍液中，再超聲波分散1 h，即得化學(xué)鍍Ni-α-Al2O3復(fù)合鍍液。

1.4 性能檢測(cè)

1.4.1 微觀形貌和成分

采用 JSM-6480LV掃描電鏡(SEM，日本電子)對(duì)鍍層的微觀形貌及納米微粒的分散情況進(jìn)行觀察，并采用附帶的能譜儀(SEM)對(duì)鍍層成分進(jìn)行測(cè)定。

1.4.2 顯微硬度

采用HVS-10型數(shù)顯維氏硬度計(jì)(蘇州市電子科技有限公司)測(cè)定鍍層的顯微維氏硬度，載荷為3 N，加載時(shí)間為10 s。每個(gè)試樣測(cè)5個(gè)點(diǎn)，取平均值。

1.4.3 耐蝕性

1.4.3.1 電化學(xué)測(cè)試

采用Autolab PGSTAT302電化學(xué)工作站(荷蘭Eco Chemie)測(cè)定鍍層的耐腐蝕性以飽和KCl|AgCl電極為參比電極，鉑片為輔助電極，以有效面積為1 cm2的鍍件為工作電極。腐蝕液為 3.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的 NaCl溶液，測(cè)試溫度為室溫(25 ℃)，掃描速率為0.01 V/s。

1.4.3.2 浸泡實(shí)驗(yàn)

將試樣浸泡于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 3.5%的 NaCl溶液中，溶液溫度恒定在25 ℃，每隔一段時(shí)間觀察試樣表面狀態(tài)，并記錄出現(xiàn)銹點(diǎn)的時(shí)間。

1.4.4 結(jié)合力

按GB/T 5933-1986《輕工產(chǎn)品金屬鍍層的結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試方法》，采用熱震法定性檢測(cè)鍍層的結(jié)合強(qiáng)度。將施鍍后的合金試樣在200 ℃下烘烤2 h，取出迅速冷卻，觀察鍍層有無(wú)局部剝離、起泡、起皮等不良現(xiàn)象。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交試驗(yàn)

以鍍層的維氏硬度為指標(biāo)，對(duì)化學(xué)復(fù)合鍍Ni-P-Al2O3進(jìn)行正交優(yōu)化，試驗(yàn)結(jié)果和極差分析見(jiàn)表1。

表1 正交試驗(yàn)結(jié)果和極差分析Table 1 Results and range analysis of orthogonal test

由表1可知，各因素對(duì)化學(xué)復(fù)合鍍Ni-P-Al2O3影響的主次順序?yàn)棣?Al2O3)> 溫度 > pH。最優(yōu)工藝組合為 A3B3C2，即 Al2O35 g/L、鍍液溫度 90 ℃、pH 4.8，為正交試驗(yàn)中的組合9，對(duì)應(yīng)的鍍層顯微硬度為341 HV。相同條件下所得Ni-P鍍層的顯微硬度為204 HV?？梢?jiàn)鍍層中 Al2O3的存在使 Ni-P-Al2O3納米復(fù)合鍍層的顯微硬度提高了137 HV。

2.2 鍍層性能

采用最佳工藝制備 Ni-P-Al2O3復(fù)合鍍層和 Ni-P鍍層，并進(jìn)行以下性能表征。

2.2.1 形貌和成分

圖 1是 Ni-P-Al2O3復(fù)合鍍層和 Ni-P鍍層的 SEM照片。

圖1 不同鍍層的SEM照片F(xiàn)igure 1 SEM images of different coatings

由圖1可知，Ni-P鍍層為典型的單元式胞狀結(jié)構(gòu)，胞的大小為5 ~ 15 μm，胞與胞之間有明顯的邊界，結(jié)構(gòu)松散。Ni-P-Al2O3復(fù)合鍍層表面由細(xì)小的顆粒物組成，微粒分布較均勻，結(jié)構(gòu)致密，白色的微粒為被鎳層包裹后的Al2O3微粒或微粒團(tuán)。

圖2為Ni-P-Al2O3復(fù)合鍍層的EDS譜圖。

圖 2 Ni-P-Al2O3復(fù)合鍍層的 EDS 譜Figure 2 EDS spectrum for Ni-P-Al2O3 composite coating

由圖2可知，復(fù)合鍍層主要由O、Al、P、Ni等4種元素組成。說(shuō)明鍍層中含有納米Al2O3粒子，已成功實(shí)現(xiàn)復(fù)合化學(xué)鍍 Ni-P-Al2O3。

2.2.2 耐蝕性

圖 3是 Ni-P-Al2O3復(fù)合鍍層和 Ni-P 鍍層在 3.5%NaCl溶液中的極化曲線。從圖3可知，Ni-P-Al2O3復(fù)合鍍層和Ni-P鍍層在3.5% NaCl溶液中的腐蝕電位分別為-0.229 V和-0.313 V，腐蝕電流密度分別為2.668 ×10-6A/cm2和 3.876 × 10-5A/cm2。復(fù)合鍍層的腐蝕電位正于Ni-P鍍層，且腐蝕電流密度低于Ni-P鍍層，說(shuō)明納米Al2O3的加入使鍍層的耐蝕性提高。

圖3 不同鍍層在3.5% NaCl溶液中的極化曲線Figure 3 Polarization curves for different coatings in 3.5%NaCl solution

表 2為 Ni-P-Al2O3復(fù)合鍍層和 Ni-P 鍍層在 3.5%NaCl溶液中的浸泡實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表2 不同鍍層在3.5% NaCl溶液中的浸泡實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of immersion test of different coatings in 3.5% NaCl solution

Ni-P鍍層在浸泡5 h后就產(chǎn)生銹點(diǎn)，且隨浸泡時(shí)間延長(zhǎng)，銹蝕點(diǎn)增多。Ni-P-Al2O3復(fù)合鍍層在浸泡50 h后出現(xiàn)銹蝕點(diǎn)，隨浸泡時(shí)間延長(zhǎng)，銹蝕點(diǎn)增多不明顯，表面狀態(tài)變化不大，說(shuō)明鍍層中納米Al2O3的存在使鍍層耐蝕性提高。

2.2.3 結(jié)合力

對(duì)鍍層進(jìn)行熱震試驗(yàn)后，用放大鏡觀察鍍層，發(fā)現(xiàn)鍍層無(wú)鼓泡、起皮或脫落等現(xiàn)象，說(shuō)明鍍層結(jié)合力合格。

3 結(jié)論

(1)Ni-P-Al2O3化學(xué)復(fù)合鍍的最佳工藝條件為：NiSO4·7H2O 25 g/L，NaH2PO2·H2O 30 g/L，CH3COONa 15 g/L，NaF 0.4 g/L，乳酸20 mL/L，硫脲20 mg/L，十二烷基磺酸鈉0.1 g/L，納米α-Al2O35 g/L，溫度90 ℃，pH 4.8，時(shí)間2 h，轉(zhuǎn)速300 r/min。

(2)采用最優(yōu)工藝制備的Ni-P-Al2O3復(fù)合鍍層均勻致密，顯微硬度為341 HV，耐蝕性能明顯優(yōu)于Ni-P鍍層。

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[1]王為, 李克鋒.Ni-P基納米化學(xué)復(fù)合鍍研究現(xiàn)狀[J].電鍍與涂飾, 2003,22 (5): 34-38.

[2]GARCIA I, FRANSAER J, CELIS J P.Electrodeposition and sliding wear resistance of nickel composite coatings containing micron and submicron SiC particles [J].Surface and Coatings Technology, 2001, 148 (2/3):171-178.

[3]桑付明, 成旦紅.鎳/納米二氧化硅納米復(fù)合鍍層耐腐蝕性能的研究[J].化學(xué)工業(yè)與工程技術(shù), 2004, 25 (1): 6-9.

[4]王勇, 杜克勤, 郭興華, 等.化學(xué)鍍Ni-P-Al2O3復(fù)合鍍層的研究[J].電鍍與環(huán)保, 2013, 33 (4): 22-25.

[5]王芳, 俞宏英, 孫冬柏, 等.Ni-P-納米Al2O3復(fù)合鍍層耐磨性能研究[J].電鍍與涂飾, 2007, 26 (3): 1-4, 8.

[6]趙芳霞, 羅駒華, 張振忠, 等.Ni-P-納米TiO2復(fù)合鍍層的耐蝕性研究[J].特色鑄造及有色合金, 2005, 25 (5): 262-264.

[7]余祖孝, 郝世雄, 金永中.Ni-P-納米TiO2(溶膠)化學(xué)復(fù)合鍍及鍍層防腐蝕性能研究[J].材料保護(hù), 2007, 40 (12): 42-44.

[8]馬洪芳, 陳慎豪, 田芳, 等.鎳-磷/金納米粒子復(fù)合化學(xué)鍍層的研究[J].山東大學(xué)學(xué)報(bào)(理學(xué)版), 2006, 41 (5): 124-128, 143.

[9]馬洪芳, 王藝涵, 許斌.Ni-P納米復(fù)合化學(xué)鍍的研究現(xiàn)狀及展望[J].材料保護(hù), 2010, 43 (11): 32-35.

[10]姚素薇, 穆高林, 張衛(wèi)國(guó).化學(xué)鍍 Ni-P/納米 Al2O3復(fù)合鍍層結(jié)構(gòu)及性能研究[J].材料保護(hù), 2007, 40 (10): 26-28.

[11]穆欣, 凌國(guó)平.鋼鐵表面納米Al2O3復(fù)合化學(xué)鍍鎳的研究[J].表面技術(shù),2006, 35 (2): 43-45, 59.

[12]任鑫, 王世臣, 王萬(wàn)鵬, 等.27SiMn鋼化學(xué)鍍Ni-P-納米Al2O3研究[J].熱處理工藝, 2010, 39 (24): 152-154.

Electroless plating process of nickel-phosphorous-aluminum oxide nanocomposite

JIN Hui*, WANG Yi-yong, LANG Xian-rui, NAN Hong-yu, ZHUANG Zi-dong, ZHOU Li-qiang

The process conditions of electroless Ni-P-Al2O3composite plating on 45 steel were optimized through orthogonal test.The optimal process conditions are as follows: NiSO4·7H2O 25 g/L, NaH2PO2·H2O 30 g/L,CH3COONa 15 g/L, NaF 0.4 g/L, lactic acid 20 mL/L,thiourea 20 mg/L, sodium dodecyl sulfate 0.1 g/L,α-Al2O3nanoparticle 5 g/L, temperature 90 ℃, pH 4.8, rotation speed 300 r/min, and time 2 h.The micromorphology, composition,microhardness, and corrosion resistance of Ni-P-Al2O3composite coating were characterized using scanning electron microscope, energy-dispersive spectroscope, Vikers hardness tester, and electrochemical workstation.The Ni-P-Al2O3composite coating prepared under the optimal process conditions futures uniform distribution of Al2O3particles and compact structure, and has a microhardness of 204 HV and better corrosion resistance than that of Ni-P coating.

nickel-phosphorous alloy; aluminum oxide;electroless composite plating; microhardness; corrosion resistance

School of Materials and Metallurgy, University of Science and Technology Liaoning,Anshan 114051, China

1004-227X (2014)03-0115-03

2013-08-08

2013-11-01

；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金（20102120120001）；遼寧科技大學(xué)科研專(zhuān)項(xiàng)基金資助項(xiàng)目（2012RC05）。

金輝（1982-），女，遼寧鞍山人，碩士，講師，主要從事材料表面技術(shù)的研究。

(E-mail)hui313@163.com。

周新莉]