褪除液濃度及pH值對(duì)電化學(xué)法褪除碳化鎢-鎳涂層工藝的影響*

康忠明，朱霞高，陳志坤，李福球

廣東省新材料研究所，現(xiàn)代材料表面工程技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，廣東省現(xiàn)代表面工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510650

金屬鎳是近幾年發(fā)展起來的新的WC基硬質(zhì)合金粘結(jié)相材料.金屬Ni的儲(chǔ)量遠(yuǎn)高于Co的儲(chǔ)量，資源豐富，來源廣泛，具有相對(duì)較低的原料價(jià)格.Ni替代Co可大大降低原材料成本,有較好的經(jīng)濟(jì)性[1].WC-Ni硬質(zhì)合金具有更優(yōu)異的耐腐蝕性能、抗中子輻射性能,兼具較高的硬度和韌性、抗拉強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)大等優(yōu)點(diǎn),廣泛用于修復(fù)零件及要求高耐磨的零部件[2-4],在核電裝備以及復(fù)雜磨損與腐蝕工況設(shè)備耐磨零件方面應(yīng)用具有優(yōu)勢(shì)[5].

碳化鎢-鎳涂層主要有WC-10Ni、WC-12Ni、WC-17Ni等，WC-Ni涂層中的WC陶瓷具有很高的硬度，而Ni金屬能提供涂層所需的韌性和結(jié)合強(qiáng)度，因此被廣泛用于修復(fù)零件及要求耐磨性高的零部件.而在返修零件的殘余涂層及噴涂生產(chǎn)中產(chǎn)生的不合格品，就必須先去除原有涂層，才能重新進(jìn)行噴涂.對(duì)于原有涂層的褪除，目前多采用機(jī)械方式，這樣不僅容易使工件壁厚減薄，還容易造成工件表面完整性變差，而對(duì)于形狀復(fù)雜的零件更難處理[6].

目前，國內(nèi)外有用化學(xué)法褪除WC-Co涂層的報(bào)道[7]，而對(duì)于WC-Ni涂層的褪除方法則鮮有報(bào)道.對(duì)于WC-Ni涂層的褪除，可采用酸性溶液使涂層中的Ni發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成Ni2+，從而使涂層脫落達(dá)到褪除的目的.但這種方法要求基體必需耐強(qiáng)酸腐蝕，因此應(yīng)用受限.本文介紹的方法是采用堿性溶液電化學(xué)方法褪除WC-Ni涂層，其中溶液濃度、電流密度、溫度、pH值對(duì)褪除效果的影響很大，本文重點(diǎn)研究了pH值及褪除液濃度對(duì)電化學(xué)方法褪除WC-Ni涂層的影響.

1 試驗(yàn)部分

1.1 試樣制備

基體材料為45號(hào)鋼，規(guī)格為80mm×50mm×3.5mm，其表面單面預(yù)先通過HVOF制備約0.25 mm厚的WC-10Ni涂層.

1.2 試驗(yàn)方法

褪除流程為除油—電化學(xué)褪除—水洗—吹干.

化學(xué)褪除工藝：褪除液(主要成分為酒石酸鉀鈉和碳酸鈉及少量緩蝕劑)質(zhì)量濃度0.1～0.4 kg/L，pH值10～13，電流密度6 A/dm2，室溫，采用150mm×100mm×1.3mm不銹鋼板作為陰極.

1.3 測(cè)試方法

采用0-10A規(guī)格的直流電源提供褪除涂層所需直流電，采用千分尺測(cè)量涂層試樣的厚度，采用Lica DMIRM倒置式金相顯微鏡及Q550MW金相圖像分析儀觀察褪除前后的表面形貌，采用pH計(jì)測(cè)量溶液的pH值.

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 電化學(xué)褪鍍?cè)?/h3>

電化學(xué)褪除含鎳碳化鎢涂層的方法是以褪除工件為陽極，不銹鋼板為陰極，在直流電作用下，使涂層中的金屬鎳溶解，而使涂層變疏松并從基體表面脫落，從而達(dá)到褪除涂層的目的，化學(xué)反應(yīng)式如下：

(1)

(2)

褪除液的主要成分是碳酸鈉和酒石酸鉀鈉.碳酸鈉的作用是對(duì)基體起緩蝕作用，避免在褪除過程中基體被腐蝕，同時(shí)又是pH值緩沖劑，可保持pH在褪除中處于穩(wěn)定的范圍內(nèi)，避免因pH值變小而對(duì)基體造成腐蝕.酒石酸鉀鈉在褪除液中起絡(luò)合作用，能與Ni發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，從而加速涂層的脫落.

2.2 條件試驗(yàn)

在WC-10Ni涂層厚度0.25～0.30 mm、電流密度6 A/dm2、褪除時(shí)間120 min的條件下，以褪除速率及對(duì)基體腐蝕情況為考查指標(biāo)，確定合適的褪除液濃度及pH值，試驗(yàn)結(jié)果列于表1.圖1～圖3分別為基體、涂層褪除前后的金相圖.

表1 不同濃度和pH值時(shí)涂層褪除情況

由表1可知，當(dāng)pH值為13或褪除液質(zhì)量濃度為0.4 kg/ L時(shí)，在褪除涂層的過程中對(duì)基體都有腐蝕.在pH值為10～12且褪除液質(zhì)量濃度為0.1～0.3 kg/ L時(shí)，在褪除涂層的過程中不會(huì)對(duì)基體產(chǎn)生腐蝕，如圖3(a)所示.因此，確定褪除的pH值應(yīng)低于13.由表1還可知道，涂層的褪除速率與pH值無關(guān).褪除液質(zhì)量濃度為0.1～0.3 kg/L時(shí)，涂層的褪除速率與褪除液濃度成正比.褪除液質(zhì)量濃度大于0.3 kg/L時(shí)，涂層的褪除速率反而降低并且對(duì)基體有腐蝕，如圖3(b)所示.考慮到褪除速率及對(duì)基體的影響,選擇合適的褪除液質(zhì)量濃度為0.2～0.3 kg/L.

圖1 基體金相圖Fig.1 Metallographic image of the substrate

圖2 涂層褪除前金相圖Fig.2 Before removal of coating

圖3 涂層褪除后基體金相(a)無腐蝕；(b)少量腐蝕Fig.3 After removal of coating of substrate (a)without corrosion；(b) slight corrosion

2.3 優(yōu)化試驗(yàn)

在電流密度6A/dm2、pH值10～12、褪除液質(zhì)量濃度0.2～0.3 kg/L、褪除時(shí)間90 min的條件下，繼續(xù)進(jìn)行涂層褪除試驗(yàn)，以優(yōu)化涂層的褪除工藝參數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果列于表2.

由表2可知，在長時(shí)間的電化學(xué)褪除過程中，pH值為10時(shí)，基體會(huì)出現(xiàn)輕微腐蝕.因此，合適的褪除液pH值應(yīng)為11～12，褪除液質(zhì)量濃度為0.2～0.3 kg/ L.

2.4 驗(yàn)證試驗(yàn)

在褪除液質(zhì)量濃度為0.20，0.25，0.30 kg/L，pH值為11，12的條件下，對(duì)涂層褪除180 min，進(jìn)行12次驗(yàn)證試驗(yàn)，其中6次是無涂層試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果列于表3.由表3可知，褪除液濃度為0.2～0.3 kg/L和pH值為11～12時(shí)，只要褪除時(shí)間足夠，都能把涂層褪除，并且對(duì)基體無任何腐蝕.經(jīng)綜合考慮褪除速率及褪除液成本，最優(yōu)的涂層褪除工藝為：褪除液質(zhì)量濃度0.25 kg/L、pH值11～12.

表2 褪除液濃度和pH值優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果

表3 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié) 論

電化學(xué)法褪除鋼基體碳化鎢-鎳涂層的最優(yōu)工藝為：褪鍍液質(zhì)量濃度0.25 kg/L，pH值11～12，電流密度6 A/dm2，室溫.采用此電化學(xué)法褪除碳化鎢-鎳涂層不會(huì)對(duì)鋼基體造成腐蝕.