鎳–碳化鎢復(fù)合電鍍工藝優(yōu)化及鍍層耐蝕性

李志永*，王欽強(qiáng)，崔慶偉，呂夢鴿，聶云聰

（山東理工大學(xué)，山東 淄博 255049）

【研究報(bào)告】

鎳–碳化鎢復(fù)合電鍍工藝優(yōu)化及鍍層耐蝕性

李志永*，王欽強(qiáng)，崔慶偉，呂夢鴿，聶云聰

（山東理工大學(xué)，山東 淄博 255049）

采用復(fù)合電鍍工藝在銅表面制備了耐蝕性優(yōu)良的Ni–WC復(fù)合鍍層。通過正交試驗(yàn)對工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，得到的最佳配方和工藝為：NiSO4·6H2O 250 ~ 300 g/L，NiCl2·6H2O 40 ~ 50 g/L，WC微粒35 g/L，H3BO335 ~ 40 g/L，十二烷基硫酸鈉0.05 g/L，電流密度3 A/dm2，溫度40 °C，磁力攪拌，時(shí)間4 h。最佳工藝條件下，所得Ni–WC復(fù)合鍍層的WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為29.95%，厚度為103.0 μm，中性鹽霧試驗(yàn)中出現(xiàn)紅銹的時(shí)間為120 h，耐蝕性遠(yuǎn)優(yōu)于純Ni鍍層(耐紅銹時(shí)間96 h)。

鎳；碳化鎢；復(fù)合電鍍；耐蝕性；中性鹽霧試驗(yàn)

復(fù)合電鍍是通過向普通鍍液中添加不溶性固體微粒，使之在鍍液中充分懸浮，并在電鍍過程中與金屬共沉積，從而得到具有耐磨、自潤滑、耐蝕、裝飾等功能的復(fù)合鍍層，擴(kuò)大了材料的應(yīng)用范圍[1-2]。碳化鎢為黑色六方晶體，有金屬光澤，硬度與金剛石相近，是電、熱的良好導(dǎo)體，化學(xué)穩(wěn)定性好，不溶于水、鹽酸和硫酸。本文將WC顆粒加入瓦特鍍鎳液中，電鍍制得Ni–WC復(fù)合鍍層，通過正交試驗(yàn)確定了復(fù)合電鍍Ni–WC的最佳工藝參數(shù)，并研究了WC顆粒添加量、溫度、施鍍時(shí)間、陰極電流密度等工藝參數(shù)對復(fù)合鍍層中WC微粒共沉積量影響的顯著順序，以及Ni–WC復(fù)合鍍層在NaCl溶液中的腐蝕行為。

1 實(shí)驗(yàn)

1. 1 基體材料預(yù)處理

選用70 mm × 10 mm × 5 mm的純銅板作為陰極，純度≥99.5%的鎳板作為陽極，陰、陽極面積之比為13∶，極間距為30 mm。電鍍前，先依次用600#、1000#、1500#和2000#砂紙打磨純銅板，再用70 g/L Na3PO4+ 50 g/L Na2CO3+ 10 g/L NaOH的溶液除油，隨后放入體積分?jǐn)?shù)為5%的稀鹽酸溶液中活化，最后清洗。

1. 2 Ni–WC復(fù)合電鍍

以瓦特鍍鎳液為電鍍基液，所用試劑均為分析純。具體配方和工藝條件為：NiSO4·6H2O 250 ~ 300 g/L，NiCl2·6H2O 40 ~ 50 g/L，WC微粒(粒徑400 nm，純度99.99%)20 ~ 35 g/L，H3BO335 ~ 40 g/L，十二烷基硫酸鈉(SDS)0.05 g/L，電流密度2 ~ 4 A/dm2，溫度40 ~ 60 °C，磁力攪拌，時(shí)間3 ~ 5 h。

電鍍前采用SK2210HP型超聲清洗儀在頻率53 kHz、功率100 W下超聲振蕩鍍液1 h，同時(shí)輔以150 r/min的機(jī)械攪拌。

1. 3 鍍層性能檢測

1. 3. 1 厚度和成分分析

采用INCA Energy X射線能譜儀(EDS)測定復(fù)合鍍層中W的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，再通過換算得到鍍層中WC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。采用北京時(shí)代銳達(dá)科技有限公司生產(chǎn)的TT260覆層測厚儀測量復(fù)合鍍層的厚度。

1. 3. 2 中性鹽霧(NSS)試驗(yàn)

采用AHL-90-BS型鹽霧試驗(yàn)箱，按 GB/T 6458–1986《金屬覆蓋層 中性鹽霧試驗(yàn)》進(jìn)行：鍍面與垂直方向呈45°，(50 ± 5) g/L NaCl溶液，pH為6.5 ~ 7.2，噴霧溫度為(35 ± 2) °C，連續(xù)噴霧240 h。

1. 3. 3 電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)

采用CHI660E電化學(xué)工作站測量試樣在25 °C的3.5% NaCl溶液中的極化曲線和電化學(xué)阻抗譜，采用三電極體系，工作電極為待測試樣(有效面積為1 cm2，四周用環(huán)氧樹脂密封)，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)，對電極為鉑電極。塔菲爾曲線的掃描速率為5 mV/s，測試電位范圍為?0.5 ~ 0.1 V，運(yùn)用塔菲爾曲線外推法獲得Ni–WC復(fù)合鍍層的自腐蝕電位與自腐蝕電流密度。

2 結(jié)果與討論

2. 1 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

以正交試驗(yàn)考察電流密度(因素A)、WC微粒添加量(因素B)、溫度(因素C)、施鍍時(shí)間(因素D)對鍍層中WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)和厚度的影響，按L9(34)正交表進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果和極差分析見表1。

表1 正交試驗(yàn)結(jié)果和極差分析Table1 Result and range analysis of orthogonal test

由表1可知，從鍍層WC微粒復(fù)合量看，各因素對Ni–WC復(fù)合電鍍影響的強(qiáng)弱順序?yàn)閃C添加量 >電流密度 > 溫度 > 電鍍時(shí)間，較優(yōu)組合為A2B3C1D2，該組合與正交試驗(yàn)中WC含量最高的試驗(yàn)6相同。從鍍層厚度看，各因素對復(fù)合電鍍Ni–WC影響的強(qiáng)弱順序?yàn)殡娏髅芏?> 溫度 > 電鍍時(shí)間 > WC添加量，較優(yōu)組合為A3B3C1D2，該組合的電流密度較高，而電流密度過高時(shí)析氫反應(yīng)加劇，會(huì)使電流效率降低。因此選擇復(fù)合電鍍Ni–WC的最優(yōu)組合為A2B3C1D2，即：電流密度3 A/dm2，WC添加量35 g/L，溫度30 °C，施鍍時(shí)間4 h。在最優(yōu)工藝條件下所得鍍層厚度也最高，約為103.0 μm。

2. 2 復(fù)合鍍層的耐蝕性

改變鍍液WC微粒添加量，在電流密度3 A/dm2、溫度30 °C的最佳工藝條件下電鍍4 h，得到WC微粒含量不同的Ni–WC復(fù)合鍍層，結(jié)果列于見表2。從表2可知，隨鍍液中WC微粒含量增大，鍍層的WC含量和厚度減小，因此下文只研究Ni鍍層(WC微粒含量為零)和從WC微粒含量為10 ~ 35 g/L的鍍液中所得Ni–WC復(fù)合鍍層的耐蝕性。

表2 鍍液中WC微粒添加量不同時(shí)所得Ni–WC復(fù)合鍍層的WC微粒含量和厚度Table2 WC content and thickness of Ni–WC composite coating obtained from bath with different dosages of WC particles

2. 2. 1 復(fù)合鍍層的電化學(xué)腐蝕性能

表3為Ni鍍層和不同WC含量的Ni–WC復(fù)合鍍層在3.5% NaCl溶液中的腐蝕參數(shù)。由表3可知，與純Ni鍍層相比，Ni–WC復(fù)合鍍層的腐蝕電位更正，腐蝕電流密度更低[3]，說明復(fù)合鍍層的耐蝕性優(yōu)于純Ni鍍層。隨著復(fù)合鍍層中WC含量的提高，Ni–WC復(fù)合鍍層的自腐蝕電位正移，腐蝕電流密度降低，復(fù)合鍍層中WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為29.95%時(shí)，Ni–WC復(fù)合鍍層的耐蝕性最佳，其腐蝕電流密度為3.28 × 10?7A/cm2，較純鎳電極降低一個(gè)數(shù)量級(jí)。

表3 不同WC含量Ni–WC復(fù)合鍍層在3.5% NaCl溶液中的腐蝕電流密度和腐蝕電位Table3 Corrosion current densities and corrosion potentials of Ni–WC composite coatings with different WC contents in 3.5% NaCl solution

2. 2. 2 復(fù)合鍍層的耐鹽霧腐蝕能力

觀察NSS試驗(yàn)過程中各試樣表面狀態(tài)發(fā)現(xiàn)，Ni鍍層經(jīng)NSS試驗(yàn)48 h時(shí)表面出現(xiàn)灰色斑跡；96 h時(shí)出現(xiàn)紅銹，邊緣有斑點(diǎn)，中間泛黃；120 h后紅銹增多，占被測面的20% ~ 30%。WC含量為29.95%的Ni–WC復(fù)合鍍層在120 h鹽霧試驗(yàn)后出現(xiàn)紅銹，240 h后只是略微泛黃，依舊有一定的光亮度。圖2為Ni鍍層和不同WC含量Ni–WC復(fù)合鍍層NSS試驗(yàn)240 h后的表面形貌。從圖2可知，NSS試驗(yàn)240 h后，鍍層中WC含量為29.95%的復(fù)合鍍層僅發(fā)生少量點(diǎn)蝕；其余試樣表面則產(chǎn)生大量點(diǎn)蝕坑，其中純鎳鍍層的點(diǎn)蝕坑最多。

圖1 純Ni鍍層和不同WC含量Ni–WC復(fù)合鍍層經(jīng)240 h NSS試驗(yàn)后的表面形貌Figure1 Surface morphologies of pure Ni coating and Ni–WC composite coatings with different WC contents after 240 h NSS test

3 結(jié)論

電鍍制備Ni–WC復(fù)合鍍層的最佳工藝條件為：NiSO4·6H2O 250 ~ 300 g/L，NiCl2·6H2O 40 ~ 50 g/L，WC微粒35 g/L，H3BO335 ~ 40 g/L，十二烷基硫酸鈉0.05 g/L，電流密度3 A/dm2，溫度40 °C，磁力攪拌，時(shí)間4 h。最佳工藝條件下，Ni–WC復(fù)合鍍層中WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為29.95%，鍍層厚度為103.0 μm，在NSS試驗(yàn)中出現(xiàn)紅銹的時(shí)間為120 h，耐蝕性遠(yuǎn)優(yōu)于純Ni鍍層(紅銹時(shí)間96 h)。

[1] 鄭筱梅, 楊玲, 劉光兵. 鎳–納米Al2O3復(fù)合電鍍的工藝研究[J]. 重慶師范學(xué)院學(xué)報(bào), 2003, 20 (2): 40-43.

[2] 張文峰, 朱荻, 薛玉君, 等. 鎳–碳化硅納米復(fù)合電鑄層的制備[J]. 特種鑄造及有色合金, 2004 (5): 9-11.

[3] 袁德林, 陳顥, 杜文強(qiáng), 等. WC復(fù)合鍍層耐腐蝕性能研究[J]. 中國鎢業(yè), 2012, 27 (4): 26-28.

[ 編輯：周新莉 ]

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Optimization of nickel–tungsten carbide composite plating process and corrosion resistance of coating

// LI Zhi-yong*, WANG Qin-qiang, CUI Qing-wei, LYU Meng-ge, NIE Yun-cong

Ni–WC composite coating with excellent corrosion resistance was obtained on the surface of copper substrate by composite electroplating. The optimal bath composition and process conditions obtained by orthogonal test are as follows: NiSO4·6H2O 250-300 g/L, NiCl2·6H2O 40-50 g/L, WC particles 35 g/L, H3BO335-40 g/L, sodium dodecyl sulfate 0.05 g/L, current density 3 A/dm2, temperature 40°C, magnetic stirring, and plating time 4 h. The Ni–WC composite coating obtained under the optimal conditions contains 29.95wt% WC and has a thickness of 103.0 μm. There is no red rust on the Ni–WC composite coating surface until 120 h of neutral salt spray test, showing a much better corrosion resistance than the pure Ni coating which endures only 96 h for red rust in NSS test.

nickel; tungsten carbide; composite electroplating; corrosion resistance; neutral salt spray test

TQ153.2

A

1004 – 227X (2017) 05 – 0231 – 04

10.19289/j.1004-227x.2017.05.001

2016–11–15

2017–02–20

山東省自然科學(xué)基金（ZR2014EEM038，ZR2014EL032）。

李志永（1976–），男，山東鄒平人，博士，教授，主要研究方向?yàn)榉莻鹘y(tǒng)加工工藝與裝備。

(E-mail) lzy761012@sdut.edu.cn。

First-author’s address:Shandong University of Technology, Zibo 255049, China