化學鍍非晶Ni-P合金鍍層耐蝕性研究

    慧聰表面處理網訊：摘要：採用化學鍍方法在碳鋼上沉積非晶Ni-P合金鍍層(10.90wt．%)，考察Ni-P合金結構、性能及熱處理溫度對耐蝕性的影響。結果表明：在10%HCl溶液中，非晶Ni-P鍍層具有較好的耐蝕性；熱處理影響鍍層的耐蝕性，非晶Ni-P鍍層經200℃熱處理後，可使耐蝕性能提高37%，熱處理溫度達到300℃和400℃時，鍍層分別出現亞穩相和穩定相，耐蝕性能降低，但耐蝕性仍優於鍍態Ni-P鍍層。

    關鍵詞：化學鍍；Ni-P合金；非晶；熱處理；耐蝕性

    中圖分類號：TQ153．2文獻標誌碼：A

    文章編號：1003－1251(2013)01－0011－03

    碳鋼表面硬度較低，並且耐蝕性較差，使其應用受到了制約。如何解決這一問題，一直受到人們的關注。由於化學鍍Ni-P鍍層具有厚度均勻、結合牢固、較高的硬度﹑較好的耐磨和耐腐蝕性等特點［1－2］，因此對碳鋼進行化學鍍處理，可有效地解決腐蝕問題，達到延長零件使用壽命的目的［3］。梁婷等［4］通過靜態浸泡法以及電化學的方法，發現基體施加了化學鍍層後，與未施加化學鍍層相比，具有很小的腐蝕電流。王霞等［5］對化學鍍Ni-P合金的耐蝕機理進行了探討，並提出了提高Ni-P合金耐蝕性能的優化工藝。李雪松等［6］研究了熱處理溫度對含磷量8.3%的Ni-P鍍層耐蝕性的影響，發現經200℃熱處理，可改善鍍層的耐蝕性；溫度高於300℃後，鍍層的耐蝕性下降。宋玉強等［7］發現含磷量5.6%的Ni-P鍍層耐蝕性隨熱處理溫度的升高和保溫時間的延長呈現增強趨勢。熱處理能夠提高鍍層的耐蝕性，但熱處理前後鍍層的耐蝕性變化規律，很多研究給出了不一致結論［6－8］。熱處理對Ni-P鍍層耐蝕性產生不同的影響，是因為鍍層的性能主要取決於鍍層的成分和結構［8］。本文在碳鋼上進行化學鍍沉積Ni-P合金，對鍍層的耐蝕性進行研究，並通過對Ni-P鍍層進行後續的熱處理，進一步探究熱處理溫度對Ni-P鍍層的結構及耐蝕性的影響。

    1·試驗

    本試驗選用45號鋼為基體材料(10mm×5mm×1mm)，基體經去油、除鏽、活化後放入鍍槽中，鍍液組分及施鍍條件如表1所示。鍍液裝載量為1dm2/L。

    將化學鍍後獲得的Ni-P鍍層放入熱處理爐中，分別進行200℃、300℃、400℃熱處理，保溫30min後，隨爐冷卻至室溫。

    採用X射線衍射儀對相結構進行分析；掃描電子顯微鏡對鍍層表面形貌進行觀察；能譜儀對成分進行分析；採用MF-300型顯微硬度儀對不同熱處理條件下的試樣進行顯微硬度測試，每個試樣上打5個點，取五個數據的平均值作為樣品的硬度值；採用失重法計算鍍層的腐蝕速率，即將樣品在腐蝕前稱重，然後放在腐蝕介質(10%鹽酸溶液)中浸泡，每隔1h從燒杯中取出，用蒸餾水衝洗並吹乾，用精密電子天平稱重，記錄質量變化，計算腐蝕率。

    2·結果與討論

    2.1性能及結構分析

    採用X射線衍射方法對化學鍍Ni-P合金鍍層的晶體結構進行分析，分析結果如圖1所示。化學鍍Ni-P合金鍍層在45°附近出現較寬的「饅頭峰」，說明鍍層呈非晶態結構。能譜儀結果顯示，獲得的鍍層含磷量為10.90wt.%，分析可知，Ni-P鍍層屬於高磷非晶鍍層。

    化學鍍Ni-P是胞狀生長方式，表面形成胞狀形貌，非晶Ni-P合金鍍層的表面形貌如圖2所示。在Ni-P合金鍍層的表面存在許多小氣孔，這是由於化學鍍過程中的析氫反應所導致。

    圖3是化學鍍Ni-P鍍層在10%HCl溶液中，腐蝕速率的計算結果。從圖3可看出，隨著腐蝕時間的增加，腐蝕速率先提高，從4.17mg/cm2·h增加到6.25mg/cm·h；腐蝕時間超過3h後，腐蝕速率迅速下降；當腐蝕時間為4h，腐蝕速率降為2.40mg/cm2·h。化學鍍Ni-P鍍層是高磷非晶結構，由於非晶態合金的成分高度均勻，不存在晶態結構中的晶界、亞晶界、相界的結構不完整性，因此無法形成腐蝕微電池，所以在腐蝕介質中比較穩定且耐蝕性好。

    由於鍍層表面存在缺陷(孔隙)，使腐蝕速率較快，但隨著腐蝕的進行，鍍層中的P加速金屬元素合金的鈍化，在腐蝕環境下形成一種磷化物鈍化膜，從而提高合金的自鈍化能力和耐蝕性，因此使腐蝕速率降低。Ni-P合金鍍層在介質中形成的磷化膜對基體可起到很好的保護作用［9］。

    2.2熱處理Ni-P鍍層的耐蝕性

    圖4是非晶鎳磷合金鍍層經不同溫度熱處理的X射線衍射圖。經200℃熱處理後，45°附近的衍射峰仍然較寬，但變得尖銳，此時認為合金鍍層為非晶態和晶態的混合結構，鍍層中非晶結構變少，仍有磷原子無規則、過飽和地固溶於鎳的晶格中。經300℃熱處理時，鍍層衍射圖上出現了尖銳的Ni和Ni12P5的衍射峰，表明鍍層中出現晶體結構，析出Ni和亞穩相Ni12P5。隨著熱處理溫度的升高，400℃熱處理時，磷原子擴散偏聚，Ni的衍射峰進一步增強，亞穩相Ni12P5衍射峰消失，穩定相Ni3P出現。

    圖5是高磷化學鍍Ni-P鍍層(熱處理前與熱處理後)在10%HCl的溶液中浸泡4h的耐腐蝕試驗結果。由圖5可知，經200℃熱處理的Ni-P鍍層具有良好的耐鹽酸腐蝕性能，平均腐蝕速率為2.7243mg/cm2·h，使鍍態Ni-P鍍層的抗腐蝕性能提高37%。隨著熱處理溫度不斷升高，Ni-P鍍層的耐腐蝕性呈下降趨勢，但是耐蝕性均優於鍍態Ni-P鍍層。

    200℃熱處理時，有利於消除合金中殘留的原子氫，鬆弛內應力，可改善其耐蝕性。隨著熱處理溫度提高，非晶鎳磷合金鍍層發生晶化，出現晶界並伴有亞穩相和穩定相析出，在合金溶解時，新生成的相與基體間可形成腐蝕微電池而加速腐蝕。因此，隨著熱處理溫度的提高，導致鎳磷合金耐蝕性降低，抗腐蝕能力下降，腐蝕速率升高。

    圖6是不同熱處理溫度條件下鍍層的顯微硬度柱狀圖，非晶態化學鍍Ni-P合金鍍層在鍍態時顯微硬度為484.3HV，經熱處理後，硬度值隨熱處理溫度的升高而提高，在400℃時顯微硬度達到1129.06HV。

    由於含磷過飽和的鎳磷固溶體在熱力學上是一種不穩定狀態，加熱時固溶體發生分解，在過飽和固溶體上沉積析出彌散相，這些相增加了鍍層的滑移阻力使鍍層強化，提高了硬度。到400℃時，彌散強化效果最好，硬度達到最高。

    3·結論

    高磷非晶態化學鍍Ni-P鍍層具有較好的耐鹽酸腐蝕性。熱處理溫度影響化學鍍鎳層的耐蝕性。非晶Ni-P鍍層經200℃熱處理後，可進一步提高鍍層的耐蝕性，使耐蝕性能力提高37%；熱處理溫度達到300℃和400℃時，出現晶界並伴有亞穩相和穩定相析出，與基體間可形成腐蝕微電池而加速腐蝕鍍層，耐蝕性能降低，但耐蝕性仍優於鍍態Ni-P鍍層。熱處理不僅可提高Ni-P鍍層的耐蝕性，還可進一步提高鍍層的硬度。硬度值隨熱處理溫度的升高而提高，在400℃時顯微硬度達到1129.06HV。

    參考文獻：

    ［1］Z H Li，Z Y Chen，S S Liu，etal．Corrosion and wearp roperties

    of electroless Ni-P plating layer on AZ91 Dmagnesium alloy［J］．

    Trans．NonferrousMet．Soc．China，2008，18(4)：819－824．

    ［2］唐娟，程凱，張韌，等．化學鍍鎳-磷的研究與應用［J］．電鍍與塗飾，2011，30(8)：24－27．

    ［3］李新躍，曾憲光，鄭興文，等．低碳鋼快速化學鍍Ni-P合金的研究［J］．電鍍與環保，2011，31(4)：21－24．

    ［4］梁婷，孫杰，張麗麗，等．碳鋼Ni-P化學鍍耐鹼性溶液腐蝕性能的研究［J］．表面技術，2009，38(1)：28－29．

    ［5］王霞，彭健鋒，陳玉祥，等．化學鍍Ni-P合金耐蝕性能優化的研究方向［J］．表面技術，2006，35(4)：9－12．

    ［6］李雪松，王金波，杜立輝．熱處理對化學鍍Ni-P合金耐蝕性及晶體結構的影響［J］．電鍍與環保，2007，27(2)：20－22．

    ［7］宋玉強，王引真，何豔玲．化學鍍Ni-P鍍層高溫熱處理後耐蝕性的研究［J］．材料保護，2003，36(5)：31－33．

    ［8］TRabizadeh，SRAllahkaram，AZarebidaki．Aninvestigationon

    effectsofheattreatmentoncorrosionpropertiesofNi-Pelectroless

    nano-coatings［J］．Mater．Des，2010，31(7)：3174－3179．

    ［9］吳化，李延取，李雪松．化學鍍鎳-磷合金鍍層耐腐蝕性能的研究［J］．電鍍與塗飾，2008，30(10)：10－12．

責任編輯：周良坤

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