四硼酸鈉對Ni-Co合金鍍層的影響

畢　祥1，郝建軍1，王亞博2，趙思萌1，李俊杰1（1.沈陽理工大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧沈陽110159；2.中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所環(huán)境科學(xué)與技術(shù)研發(fā)室，新疆烏魯木齊830011））

四硼酸鈉對Ni-Co合金鍍層的影響

畢祥1，郝建軍1，王亞博2，趙思萌1，李俊杰1
（1.沈陽理工大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧沈陽110159；2.中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所環(huán)境科學(xué)與技術(shù)研發(fā)室，新疆烏魯木齊830011））

為提高Ni-Co合金鍍層硬度，采用單因素實驗研究四硼酸鈉對Ni-Co合金鍍層硬度的影響，利用硬度測試考察Ni-Co合金鍍層硬度的變化，采用金相顯微鏡對鍍層微觀形貌進(jìn)行分析，通過X-射線衍射及能譜分析鍍層的相組成和成分，采用電化學(xué)測試考察復(fù)合鍍層耐蝕性。結(jié)果表明，當(dāng)溶液中加入四硼酸鈉時，Ni-Co合金鍍層中的鎳、鈷發(fā)生變化，鎳增加，鈷減低，當(dāng)四硼酸鈉為15g/L時鍍層晶粒更加細(xì)致，外觀表面更加光亮，鍍層表面形貌達(dá)到最佳；腐蝕電流為9.422μA，硬度達(dá)到467.4HV。

Ni-Co合金鍍層；四硼酸鈉；硬度

引言

鍍鉻層具有高強(qiáng)度的硬度，沿用至今。但由于鍍鉻工藝具有很大的毒性，不利于環(huán)境，且對從業(yè)者造成很大傷害。出于環(huán)保的考慮人們紛紛研究代硬鉻鍍層［1］。鎳-鈷合金［2］具有白色的金屬外觀以及比純鎳［3］鍍層更高的耐蝕性和耐磨性，且析氫過電位較低，不僅可以作為防護(hù)裝飾性鍍層，而且可以用作陰極析氫材料［4］。當(dāng)鈷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%左右時，Ni-Co合金鍍層可代替鎳制作電鑄件；當(dāng)鈷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過40%，鍍層具有良好的磁性能，可廣泛應(yīng)用在電子計算機(jī)行業(yè)，制造磁鼓等。Ni-Co合金鍍層的優(yōu)良性能使其應(yīng)用在航空航天、微機(jī)械系統(tǒng)等很多特殊的領(lǐng)域［5-6］。雖然Ni-Co合金鍍層已得到廣泛的應(yīng)用，但Ni-Co合金鍍層的硬度不能令人滿意，為提高合金鍍層的硬度，可以在鍍液中摻雜納米顆粒，如WC、SiC或Al2O3等［7-9］。本文在鎳-鈷合金鍍液加入四硼酸鈉，研究四硼酸鈉對鎳-鈷合金鍍層性能的影響。

1　實驗

1.1材料與試劑

陰極材料為普通鐵片，試件尺寸50mm× 40mm×1mm，對電極為純鎳電極?；瘜W(xué)藥品有硫酸鎳，氯化鎳，硼酸，硫酸鈷，十二烷基硫酸鈉，四硼酸鈉等（均為分析純）。

鍍液采用瓦特型鍍液，釆用15%H2SO4和10% NaOH調(diào)節(jié)pH，實驗工藝流程為：

基體表面打磨→除油液洗→熱水洗→冷水洗→酸洗（5%HCl）→冷水洗→冷水洗→電鍍Ni-Co合金→冷水洗→吹干。

1.2 Ni-Co合金鍍層制備

配制500mL Ni-Co合金電鍍液，溶液組成及操作條件為：250g/L硫酸鎳，30g/L氯化鎳，35g/L硼酸，2g/L硫酸鈷，0.5g/L十二烷基硫酸鈉，pH為4.5～5.5，θ為50℃，t為40min，Jκ為5A/dm2。

在Ni-Co合金鍍液基礎(chǔ)上加入四硼酸鈉，分別為5、10、15、20、25和30g/L，其它工藝條件不變。在此條件下沉積Ni-Co合金鍍層，研究四硼酸鈉對鍍層的影響。

1.3鍍層性能測試

用GX60-DS金相顯微鏡（上海締倫光學(xué)有限公司）觀察試樣表面形貌，用PANalytical PW3040/60型的X-射線衍射儀（XRD，荷蘭）分析試樣的相及晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，2θ從10°～80°。采用CHI660E電化學(xué)綜合測試系統(tǒng)（上海辰華）三電極體系測試鍍層的耐蝕性能，研究電極為Ni-Co合金鍍層（1 cm2），輔助電極為鉑電極，參比電極為飽和甘汞電極（SCE），測試介質(zhì)為pH=7的3.5%NaCl溶液。交流阻抗譜在開路電位下測得，交流信號幅值為5mV，頻率響應(yīng)范圍為0.01Hz～100kHz。采用DHV-1000型顯微維氏硬度計（上海比目儀器有限公司）對鍍層進(jìn)行硬度測試。

2　結(jié)果與討論

2.1鍍層硬度分析

在Ni-Co合金基礎(chǔ)鍍液中加入不同質(zhì)量濃度的四硼酸鈉，對Ni-Co合金鍍層進(jìn)行硬度測試，見表1。

表1　四硼酸鈉對Ni-Co合金鍍層硬度的影響

如表1所示，隨著四硼酸鈉質(zhì)量濃度的提高，鍍層的硬度有較大的提高，15 g/L四硼酸鈉時，Ni-Co合金鍍層的硬度較高為467.4HV。因此確定15 g/L四硼酸鈉的為最佳值。

2.2鍍層的表面形貌及成分

2.2.1表面形貌

對Ni-Co合金鍍層進(jìn)行金相分析，結(jié)果見圖1。

圖1　 Ni-Co合金鍍層表面形貌（400×）

從圖1可以看出，隨著Ni-Co合金鍍液中四硼酸鈉的增加，鍍層的晶粒變得細(xì)致，鍍層外觀由灰暗變得均勻光亮，鍍液中15g/L四硼酸鈉時鍍層表面形貌最佳，超過20g/L四硼酸鈉時，鍍層上出現(xiàn)少量龜裂，隨著四硼酸鈉含量再增加，龜裂越來越多。所以添加15 g/L四硼酸鈉所得鍍層最好。

2.2.2鍍層成分分析

未添加四硼酸鈉得到的Ni-Co合金鍍層成分見圖2和表2。添加15 g/L四硼酸鈉后得到的Ni-Co合金鍍層成分見圖3和表3。

圖2　未添加四硼酸鈉Ni-Co合金鍍層元素分析

表2　未添加四硼酸鈉Ni-Co合金鍍層成分

圖3　 15 g/L四硼酸鈉時Ni-Co合金鍍層元素分析

表3　 15 g/L四硼酸鈉時Ni-Co合金鍍層成分

由圖2、圖3和表2、表3可知，Ni-Co合金鍍液中未加四硼酸鈉時鍍層中Ni、Co的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為59.11%、3.90%；當(dāng)添加15g/L四硼酸鈉時，鍍層中Ni、Co的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為76.87%、2.05%，未發(fā)現(xiàn)有B元素，由此可以判斷，在Ni-Co合金鍍層中沒有四硼酸鈉中的非金屬元素B，未能形成Ni-Co-B合金鍍層。可以認(rèn)為Ni-Co合金電鍍過程中屬于異常共沉積，金屬鈷先沉積，鎳進(jìn)一步沉積。由于加入四硼酸鈉后鍍層中鈷含量減少，可以證明四硼酸鈉的加入對異常共沉積起到抑制作用。

2.3 X-射線衍射分析

對Ni-Co合金溶液中添加0和15 g/L的四硼酸鈉得到的Ni-Co合金鍍層進(jìn)行X-射線衍射分析（XRD），結(jié)果如圖4所示。

圖4　 Ni-Co合金鍍層的XRD衍射圖譜?

由圖4可知，溶液中未添加四硼酸鈉時，Ni-Co合金鍍層在2θ為44.3°和51.6°時有衍射峰，此衍射峰為金屬鎳、鈷衍射峰疊加；隨著溶液中四硼酸鈉的加入，鍍層中鎳、鈷衍射峰強(qiáng)度有所變化，鎳的衍射強(qiáng)度變大，鈷的衍射強(qiáng)度變小。由此可見，Ni-Co合金溶液中四硼酸鈉的加入改變了Ni-Co合金鍍層的金屬含量，鎳的衍射強(qiáng)度變大，說明鍍層中的鎳增加，鈷減小。與鍍層成分分析的結(jié)果一致。

2.4電化學(xué)性能

2.4.1極化曲線測試

測試Ni-Co合金鍍層極化曲線，如圖5所示，電化學(xué)參數(shù)見表4。測試介質(zhì)為3.5%的NaCl溶液。

測試結(jié)果看出，隨著Ni-Co合金溶液中四硼酸鈉的增加，Ni-Co合金鍍層的自腐蝕電位增加，自腐蝕電流減小，當(dāng)ρ（四硼酸鈉）達(dá)15g/L時，自腐蝕電流達(dá)到最小，ρ（四硼酸鈉）＞15 g/L時，自腐蝕電流繼續(xù)增加。綜上所述，當(dāng)四硼酸鈉的質(zhì)量濃度在15g/L時，Ni-Co合金鍍層的耐蝕性最好。

圖5　 Ni-Co合金鍍層的極化曲線

表4　 Ni-Co合金鍍層腐蝕電位及腐蝕電流

2.4.2交流阻抗測試

圖6為Ni-Co合金鍍層在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5% NaCl的溶液中的交流阻抗譜圖。

圖6　 Ni-Co合金鍍層的交流阻抗譜圖

圖6的半圓直徑代表電化學(xué)反應(yīng)電荷轉(zhuǎn)移電阻。半圓直徑越大，鍍層的耐蝕性越好。由圖6可知，隨著Ni-Co合金溶液中四硼酸鈉質(zhì)量濃度的增加，其電化學(xué)反應(yīng)電阻隨之增大，ρ（四硼酸鈉）為15g/L時，達(dá)到最大值，ρ（四硼酸鈉）＞15g/L時，電化學(xué)反應(yīng)電阻又減小，說明溶液中添加15 g/L四硼酸鈉時，Ni-Co合金鍍層的耐蝕性最好。

3　結(jié)論

1）通過單因素實驗，研究了四硼酸鈉對Ni-Co合金鍍層的影響。結(jié)果表明，四硼酸鈉的質(zhì)量濃度為15 g/L時Ni-Co合金鍍層性能最好，鍍層硬度達(dá)到467.4 HV，腐蝕電流9.422 μA，耐蝕性最好。

2）由金相顯微鏡觀察Ni-Co合金鍍層表面形貌，當(dāng)加入15g/L四硼酸鈉時，鍍層表面晶粒變得更加細(xì)致，均勻。鍍層表面也更加光亮，表面形貌達(dá)到最佳。由X-射線衍射儀和能量分散儀分析Ni-Co合金鍍層成分和結(jié)構(gòu)，說明當(dāng)溶液中加入四硼酸鈉時，Ni-Co合金鍍層中的鎳、鈷含量發(fā)生變化，對鎳鈷異常共沉積起到抑制作用。

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Effect of Sodium Tetraborate on Ni-Co Alloy Plating

BI Xiang，HAO Jianjun，WANG Yabo，ZHAO Simeng，LI Junjie
（1.School of Environment and Chemical Engineering，Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China；2.The Xinjiang Technical Insttitute of Physics & Chemistry.CAS.Laboratory of Environmental Sciences and Technology，Wurumuqi 830011，China））

In order to enhance the hardness of Ni-Co alloy plating，the single factor experiment was used to study the effect of sodium tetraborate on the hardness of Ni-Co alloy plating.The hardness variation of Ni-Co alloy plating was tested by hardness meter and the microstructure of the plating layer was studied and analyzed by metalloscope.The phase composition is analyzed by XRD and EDS.The corrosion resistance was investigated by electrochemical tests.The results showed that the nickel content increased while the cobalt content reduced in the alloy plating，when sodium tetraborate was added.The best plating surface morphology was obtained when sodium tetraborate was at 15g/L，with finer crystal grain and brighter plating surface.The corrosion current was 9.422μA and hardness was up to 467.4HV.

Ni-Co alloy plating；sodium tetraborate；hardness

TQ153.2

A

10.3969/j.issn.1001-3849.2016.06.003