中溫酸性化學(xué)鍍Ni-Cu-P合金鍍層腐蝕行為研究

亢淑梅,　陳婷婷,　彭啟超,　孫思航,　劉宇楠

(遼寧科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，遼寧 鞍山　114051)

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中溫酸性化學(xué)鍍Ni-Cu-P合金鍍層腐蝕行為研究

亢淑梅,陳婷婷,彭啟超,孫思航,劉宇楠

(遼寧科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，遼寧 鞍山114051)

摘要：在中溫酸性條件下用化學(xué)沉積方法制備了Ni-Cu-P合金鍍層，采用掃描電鏡、能譜分析儀及Autolab工作站研究了鍍層的耐蝕性能，確定了化學(xué)鍍Ni-Cu-P合金的最佳工藝。其最佳工藝為：25g/L NiSO4·6H2O，0.05g/L CuSO4·5H2O，40g/L C6H5Na3O7·2H2O，25g/L NaH2PO2·H2O、15g/L CH3COONa，0.03g/L KIO3，0.01g/L C12H25NaO4SO3，pH為(4.75±0.01)，θ為(80±1)℃，沉積t為2h。研究結(jié)果顯示，中溫酸性化學(xué)鍍Ni-Cu-P合金鍍層的腐蝕電流密度明顯低于化學(xué)鍍鎳-磷合金鍍層以及基體材料的腐蝕電流密度，其耐蝕性得到顯著提高。

關(guān)鍵詞:化學(xué)鍍； Ni-Cu-P合金鍍層； 電化學(xué)腐蝕； 耐蝕性

Research on Corrosion Behavior of Middle Temperature

Acidic Electroless Ni-Cu-P Alloy Coating

KANG Shumei， CHEN Tingting， PENG Qichao， SUN Sihang， LIU Yunan

(College of Material and Metallurgy，University of Science and Technology Liaoning，Anshan 114051,China)

Abstract:In this paper，Ni-Cu-P alloy coating was prepared by chemical deposition method under middle temperature condition，and corrosion resistance of the coating was researched by scanning electron microscope，energy disperse spectroscope and Autolab workstation.The optimum process of Ni-Cu-P alloy electroless plating was determined as follows：25g/L NiSO4·6H2O，0.05g/L CuSO4·5H2O，40g/L C6H5Na3O7·2H2O，25g/L NaH2PO2·H2O、15g/L CH3COONa，0.03g/L KIO3，0.01g/L C12H25NaO4SO3，pH=4.75±0.01，θ=80±1℃，t=2h.Researching results showed that the corrosion current density of middle temperature acidic electroless Ni-Cu-P coating was obviously lower than that of electroless Ni-P alloy coating and base material，and the corrosion resistance was significantly improved.

Keyword: electroless plating; Ni-Cu-P alloy coating; electrochemical corrosion; corrosion resistance

引言

化學(xué)鍍技術(shù)具有很好的均鍍能力，鍍層孔隙率低，工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)[1]。化學(xué)鍍Ni-P合金鍍層具有較高的硬度,較好的耐蝕性與耐磨性,因而得到了廣泛應(yīng)用[2-3]。為了改進(jìn)化學(xué)沉積Ni-P合金的綜合性能,人們開始對化學(xué)鍍鎳的合金多元化進(jìn)行研究[4]。化學(xué)鍍Ni-Cu-P合金鍍層具有良好的力學(xué)和磁學(xué)性能、表面硬度高、結(jié)合強(qiáng)度大、仿型性好、工藝技術(shù)高適應(yīng)性強(qiáng)、可焊性好、耐高溫、被鍍材料廣泛、化學(xué)鍍技術(shù)廢液排放少、對環(huán)境污染小以及成本較低等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用[5-6]。隨著應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，研究化學(xué)鍍Ni-Cu-P合金鍍層在海水及其它介質(zhì)中的耐蝕性，擴(kuò)大鋼鐵材料的應(yīng)用范圍，減少貴金屬的使用，降低生產(chǎn)成本，延長設(shè)備使用壽命具有重要意義[7-9]。以往的研究中堿性化學(xué)鍍Ni-Cu-P合金較多[10-11]，為進(jìn)一步提高鍍層耐蝕性，控制化學(xué)鍍工藝成本，本文對中溫酸性化學(xué)鍍Ni-Cu-P合金制備工藝及鍍層耐蝕性進(jìn)行探討，為該鍍層的實(shí)際應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1實(shí)驗(yàn)材料及研究方法

1.1Ni-Cu-P合金化學(xué)鍍層制備

實(shí)驗(yàn)采用的基材是Q235B號鋼，尺寸為55mm×10mm×10mm；化學(xué)試劑如下：硫酸鎳，硫酸銅，檸檬酸鈉，十二烷基磺酸鈉，無水乙酸鈉，碘酸鉀，次磷酸鈉，氫氧化鈉，98%硫酸，氯化鈉，碳酸鈉等(均為分析純)。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要有HH-4數(shù)顯恒溫水浴鍋，PHS-3c pH計(jì)，F(xiàn)A2004N電子天平，PGSTAT100 Autolab電化學(xué)工作站，JSM-6480LV掃描電子顯微鏡，JSM-6480LV能譜及微取向系統(tǒng)。

1.2化學(xué)鍍Ni-Cu-P合金工藝流程

正確制定化學(xué)鍍工藝是獲得高質(zhì)量鍍層的關(guān)鍵，化學(xué)鍍Ni-Cu-P合金工藝流程為：砂紙打磨→水洗→化學(xué)除油→熱水洗→酸洗除銹→熱水洗→強(qiáng)酸活化→水洗→化學(xué)鍍→水洗→烘干→后處理。

1.3化學(xué)鍍Ni-Cu-P合金鍍層耐蝕性能測試

鍍層的耐蝕性試驗(yàn)在Autolab電化學(xué)工作站上進(jìn)行。測試對象分別為Ni-Cu-P合金、Ni-P合金鍍層和基體。測試系統(tǒng)包括試樣(工作電極)，鉑片輔助電極及Ag|AgCl參比電極。其中試樣除1cm2暴露外，其余部分采用防水絕緣膠布包裹，并與導(dǎo)線連接。配制3.5%氯化鈉溶液，5.0%硫酸溶液及5.0%氫氧化鈉溶液備用。采用線性極化法測定極化曲線，對測得的極化曲線采用Autolab自帶軟件分析腐蝕電位及腐蝕電流密度大小。擬合原理為根據(jù)已測得的E-I值，可得到E-logi曲線，然后陽極曲線、陰極曲線各取兩點(diǎn)做切線，切線的相交點(diǎn)的電流和電位就是自腐蝕電流和電位。

2化學(xué)鍍Ni-Cu-P合金鍍層耐蝕性能分析

2.1正交實(shí)驗(yàn)方案選擇及結(jié)果分析

當(dāng)pH為4.75±0.01、θ為(80±1)℃、沉積t為2h時(shí)，研究硫酸鎳、硫酸銅、絡(luò)合劑和還原劑對鍍層耐蝕性的影響。

表1是9組正交實(shí)驗(yàn)在3.5%NaCl腐蝕溶液中的分析結(jié)果，根據(jù)K值大小，可判斷最佳溶液組成為A1B1C3D1，即：25g/L NiSO4·6H2O，0.05g/L CuSO4·5H2O，40g/L C6H5Na3O7·2H2O，25g/L NaH2PO2·H2O。

由于正交實(shí)驗(yàn)所得最佳工藝不在正交實(shí)驗(yàn)方案中，為檢驗(yàn)其正確性，進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，當(dāng)實(shí)驗(yàn)條件為上述最佳實(shí)驗(yàn)條件時(shí)，所得鍍層的腐蝕電位值是-0.203V，比正交實(shí)驗(yàn)中的最大值(-0.261V)提高了58mV，腐蝕電流密度較小，為2.423A/m2。由此可以得知，此最佳工藝條件是可靠的。

表1正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

水 平因 素Aρ(硫酸鎳)/(g·L-1)Bρ(硫酸銅)/(g·L-1)Cρ(檸檬酸鈉)/(g·L-1)Dρ(次磷酸鈉)/(g·L-1)Jcorr/(A·m-2)φcorr/V1250.0530253.379-0.2722250.1035303.952-0.2853250.1540353.968-0.2814300.0535354.468-0.2955300.1040254.324-0.302

續(xù)表

水 平因 素Aρ(硫酸鎳)/(g·L-1)Bρ(硫酸銅)/(g·L-1)Cρ(檸檬酸鈉)/(g·L-1)Dρ(次磷酸鈉)/(g·L-1)Jcorr/(A·m-2)φcorr/V6300.1530309.265-0.3117350.0540302.808-0.2618350.1030357.642-0.2999350.1535253.627-0.279K111.2999.65420.28611.330K218.05715.91812.04715.025K313.07716.86010.10016.078k13.7663.2186.7623.777k26.0195.3064.0165.008k34.3595.6203.3675.359極差R2.2532.4023.3951.582主次順序檸檬酸鈉>硫酸銅>硫酸鎳>次磷酸鈉最優(yōu)水平硫酸鎳1硫酸銅1檸檬酸鈉3次磷酸鈉1T=42.433

2.2耐蝕性對比

實(shí)驗(yàn)測定了化學(xué)鍍鎳-磷合金、化學(xué)鍍鎳-銅-磷合金以及Q235B基體材料試樣在3.5%NaCl溶液中的極化曲線，測試結(jié)果如圖1所示。

圖1　不同表面耐蝕性測試

由圖1可知，化學(xué)鍍Ni-Cu-P合金鍍層在3.5%NaCl溶液中的腐蝕電位為-0.203V，高于化學(xué)鍍Ni-P合金鍍層及基體腐蝕電位-0.337V，可見，銅的加入提高了腐蝕電位，減小了腐蝕電流密度，金屬的耐蝕性得到改善。

圖2、圖3分別為化學(xué)鍍Ni-Cu-P合金和Ni-P合金鍍層掃描電鏡(SEM)照片和能譜圖(EDS)。由圖2和圖3可知，化學(xué)鍍Ni-Cu-P合金鍍層中銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為7.75%，化學(xué)鍍Ni-Cu-P合金鍍層比Ni-P合金鍍層結(jié)構(gòu)晶胞更小，更均勻。

圖2　化學(xué)鍍Ni-Cu-P合金掃描電鏡照片和能譜圖

圖3　化學(xué)鍍Ni-P合金掃描電鏡照片和能譜圖

2.3Ni-Cu-P合金鍍層在腐蝕介質(zhì)中耐蝕性對比

選取最優(yōu)條件下所得Ni-Cu-P合金鍍層，分別在3.5%NaCl、5.0%H2SO4和5.0%NaOH的腐蝕介質(zhì)中進(jìn)行腐蝕，結(jié)果如表2所示。

表2不同溶液中Ni-Cu-P合金鍍層腐蝕電流密度

腐蝕介質(zhì)Jcorr/(A·m-2)3.5%NaCl2.4235.0%H2SO412.645.0%NaOH14.92

對比Ni-Cu-P合金鍍層在不同介質(zhì)中腐蝕數(shù)據(jù)可知，按照3.5%NaCl、5.0%H2SO4和5.0%NaOH順序，自腐蝕電流密度上升，說明在同等條件下，Ni-Cu-P合金鍍層在3.5%NaCl溶液中耐蝕能力最佳，5.0%H2SO4溶液中的耐蝕能力次之，5.0%NaOH溶液中的耐蝕能力最差。

3結(jié)論

本文在中溫酸性條件下用化學(xué)沉積的方法制備了Ni-Cu-P合金鍍層，利用掃描電鏡、能譜分析儀和Autolab工作站研究了鍍層的耐蝕性能，得出以下結(jié)論：

1)當(dāng)pH為4.75±0.01，θ為(80±1)℃，沉積t為2h時(shí)，通過對影響化學(xué)鍍Ni-Cu-P合金鍍層性能影響因素進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)研究，得出較佳的工藝條件為：25g/L NiSO4·6H2O，0.05g/L CuSO4·5H2O，40g/L C6H5O7Na3·2H2O，25g/L NaH2PO2·H2O，15g/L CH3COONa， 0.03g/L KIO3和0.01g/L C12H25NaO4SO3。

2)化學(xué)鍍Ni-Cu-P合金鍍層在3.5%NaCl溶液中的腐蝕電位比化學(xué)鍍Ni-P合金鍍層高134mV，腐蝕電流密度明顯降低，說明Ni-Cu-P合金鍍層中Cu的加入，可提高鍍層耐蝕性。

3)按照3.5%NaCl、5.0%H2SO4和5.0%NaOH溶液順序，Ni-Cu-P合金鍍層的腐蝕電流密度上升，說明在同等條件下，Ni-Cu-P合金鍍層在3.5%NaCl溶液中耐蝕能力最佳，5.0%H2SO4溶液中的耐蝕能力次之，5.0%NaOH溶液中的耐蝕能力最差。

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基金項(xiàng)目：鞍山市科技計(jì)劃項(xiàng)目資助(2012000386)

收稿日期：2015-04-24修回日期： 2015-07-07

中圖分類號：TQ153.12

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3849.2016.01.002