純銅管式換熱器電鍍鎳工藝

李廷取 ，劉祥玲，劉文異，曲明洋

（1.吉林化工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 吉林 132022； 2.吉林化工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，吉林 吉林 132022； 3.吉林江機(jī)特種工業(yè)有限公司計(jì)量測(cè)試中心，吉林 吉林 132021； 4.雄邦壓鑄(南通)有限公司，江蘇 南通 226300； 5.蘭州理工大學(xué)省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730050）

鎳具有高溫抗氧化性，電鍍鎳被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、核反應(yīng)堆以及能源轉(zhuǎn)換設(shè)備上高溫零部件的表面防護(hù)[1-3]。鎳鍍層不僅能減緩基體表面氧化，還能提高鍍件的耐磨性、耐蝕性、導(dǎo)電性等性能[4-6]。銅管換熱器能夠?qū)θ粘Ｉ钪械挠酂峒右岳?，在?jié)約能源方面有著重要意義。但是銅很容易發(fā)生氧化、機(jī)械損傷和腐蝕[7-8]。本文對(duì)銅管表面電鍍鎳，以提高銅管表面的耐蝕性、耐磨性和抗氧化性，進(jìn)而延長(zhǎng)純銅換熱器的使用壽命。

1 實(shí)驗(yàn)

1. 1 純銅管式換熱器電鍍鎳

采用外徑8 mm、壁厚1 mm的工業(yè)純銅管式換熱器作為基材。先用60 ～ 70 °C的10 g/L NaOH溶液堿洗3 ～ 5 min，再采用體積分?jǐn)?shù)為20%的硫酸微蝕1 min。堿洗和酸蝕后都應(yīng)立即用去離子水沖洗并吹干。

如圖1所示，采用RXN-1520D型直流穩(wěn)壓電源掛鍍，以電解鎳板作為陽(yáng)極，純銅管式換熱器在定形后用橡皮塞封閉兩端作為陰極，陰陽(yáng)極面積比為1∶(1.2 ～ 1.5)。鍍液組成和工藝條件為：六水合氯化鎳200 g/L，硼酸40 g/L，糖精3 g/L，十二烷基硫酸鈉0.1 g/L，pH 4 ～ 5，溫度(60 ± 5) ℃，電壓15 V，電流密度1.5 A/dm2，時(shí)間20 ～ 50 min。電鍍后立即取出換熱器，用去離子水沖洗并吹干。

圖1 電鍍裝置示意圖 Figure 1 Schematic diagram of the setup for electroplating

1. 2 鍍層性能表征

采用Bruker D8 Advance型X射線衍射儀(XRD)分析鍍層的物相，掃描速率5°/min，掃描范圍35° ～ 100°。采用上海光學(xué)4XC型光學(xué)顯微鏡放大400倍觀察鍍層截面并測(cè)量厚度。采用上海尚材HZ-1000Z型顯微維氏硬度計(jì)測(cè)試鍍層多點(diǎn)的顯微硬度，載荷0.98 N，保壓時(shí)間15 s，取平均值。按照SJ 1282-1977《金屬鍍層結(jié)合力的檢驗(yàn)方法》采用劃痕法檢測(cè)鍍層結(jié)合力，先用壁紙刀在鍍層表面劃深達(dá)基體表面的劃痕，劃痕之間互相平行和交錯(cuò)，劃痕間距≤2 mm，并用上海光學(xué)XYH-3A體視顯微鏡觀察劃痕情況。

2 結(jié)果與討論

2. 1 鎳鍍層的外觀

如圖2所示，隨電鍍鎳時(shí)間延長(zhǎng)，銅管由純銅的紫紅色逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧冩嚨你y白色，鍍層連續(xù)、光亮，無(wú)起泡、起皮、裂紋等缺陷，可以作為基體的有效防護(hù)層。

圖2 純銅換熱器電鍍鎳不同時(shí)間后的外觀 Figure 2 Appearances of pure copper heat exchanger after being electroplated with nickel for different time

2. 2 鎳鍍層的厚度和顯微硬度

從圖3可知，電鍍不同時(shí)間所得鎳鍍層都均勻、致密，與基體緊密結(jié)合，無(wú)縫隙。

圖3 電鍍不同時(shí)間后鎳鍍層的截面金相照片 Figure 3 Cross-sectional metallographs of nickel coatings electroplated for different time

從圖4可知，隨著施鍍時(shí)間的延長(zhǎng)，鎳鍍層的厚度和顯微硬度均增大。電鍍50 min時(shí)，鍍層厚度達(dá)到9.30 μm，顯微硬度為149 HV。材料的抗疲勞磨損能力一般隨硬度的增大而增強(qiáng)，可見電鍍鎳能夠在一定程度上提高換熱器的耐磨性[9-10]。在實(shí)際生產(chǎn)中可以根據(jù)厚度要求來控制電鍍時(shí)間，下文選取電鍍50 min所得的鎳鍍層進(jìn)行研究。

圖4 電鍍時(shí)間對(duì)鎳鍍層厚度和顯微硬度的影響 Figure 4 Effect of electroplating time on thickness and microhardness of nickel coating

2. 3 鎳鍍層的物相

從圖5可知，鎳鍍層分別在2θ為44.5°、51.8°和92.9°處顯示出Ni的(111)、(200)和(311)晶面，2θ為43.3°、50.5°、74.2°、90.0°和95.5°處顯示的是基體Cu的(111)、(200)、(220)、(311)和(222)晶面。因?yàn)殒囧儗虞^薄，所以其衍射峰強(qiáng)比基體銅的弱。

圖5 鍍鎳銅換熱器的XRD譜圖 Figure 5 XRD pattern of nickel-electroplated copper heat exchanger

2. 4 鎳鍍層的結(jié)合力

從圖6可知，鎳鍍層經(jīng)劃痕測(cè)試后無(wú)起皮和脫落現(xiàn)象，說明鎳鍍層與基體之間的結(jié)合力良好。

圖6 鎳鍍層的劃痕試驗(yàn)結(jié)果 Figure 6 Scratch test result of nickel coating

2. 5 鎳鍍層的高溫抗氧化性

在燃?xì)庵袑?duì)純銅換熱器和鍍鎳換熱器灼燒20 min，純銅換熱器出現(xiàn)明顯的氧化脫落現(xiàn)象，而鍍鎳換熱器只出現(xiàn)藍(lán)黑色氧化層，未見鍍層脫落，說明電鍍鎳能夠改善銅換熱器的高溫抗氧化性。

3 結(jié)論

在銅換熱器表面電鍍鎳，所得鎳鍍層呈光亮的銀白色，與基體結(jié)合良好。電鍍50 min時(shí)，鎳鍍層的厚度為9.30 μm，顯微硬度達(dá)到149 HV，高溫抗氧化性良好。