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【簡介】
楊 放， 謝發(fā)勤， 吳向清
（西北工業(yè)大學航空學院，陜西西安710072）
摘要：在氯化物-硫酸鹽體系中，采用電沉積法在45#鋼基體上制備Fe-Ni-Cr合金鍍層，研究了電流密度、溫度及pH值對合金鍍層成分的影響。借助掃描電鏡、能譜儀、X射線衍射分析了合金鍍層的表面形貌、成分和相組成，采用電化學法和鹽霧實驗評價了鍍層的耐蝕性。結果表明：Fe-Ni-Cr三元合金鍍層均勻、致密、光滑，鍍層中Cr的質(zhì)量分數(shù)為15.63 %,Ni的質(zhì)量分數(shù)為9.96 %;在一定范圍內(nèi)提高電流密度、鍍液的pH值和溫度可以增加鍍層中的Cr的質(zhì)量分數(shù)，鍍層的耐蝕性也得到相應的提高。
關鍵詞：電沉積； Fe-Ni-Cr合金；工藝；耐蝕性
中圖分類號：TQ 153
文獻標識碼：A
文章編號：1000-4742（2011）03-0014-04
0 前言
Fe-Ni-Cr合金具有優(yōu)良的耐磨性和耐蝕性，光澤柔和，是理想的防護裝飾材料，也是一種高導磁材料，因此受到廣泛關注。用電沉積法制備Fe-Ni-Cr合金鍍層，不僅具有冶煉法生產(chǎn)的同類合金的優(yōu)點，同時還具有結構均勻、成分容易調(diào)整、硬度高、外表美觀、耐蝕性好、工藝簡單、操作方便、能耗小、成本低[1-4]等特點；且相較于六價鉻，三價鉻電沉積Fe-Ni-Cr合金具有毒性小、深鍍能力和均鍍能力好、結晶速率快、電流密度范圍寬、電流效率較高、可常溫操作等優(yōu)點。
目前，電沉積Fe-Ni-Cr合金鍍層主要有4種體系，分別是氯化物體系、硫酸鹽體系、氯化物-硫酸鹽混合體系以及DMF-水溶液體系[5-8]。本文在氯化物-硫酸鹽混合體系下研究了電沉積工藝參數(shù)對合金鍍層中Cr的質(zhì)量分數(shù)的影響以及鍍層耐蝕性與鍍層中Cr的質(zhì)量分數(shù)的關系。
1 實驗
1.1 實驗材料
陽極為鎳板，陰極為45#鋼，試樣規(guī)格為30 mm×20 mm×3 mm。
1.2 實驗儀器
WYZ-8型直流穩(wěn)壓電源（額定電壓0~50 V,額定電流0~7.5 A），C32-A型電流表，JB25-W型恒溫玻璃水浴槽，PHS-3C型精密pH計，電子恒速攪拌機。
1.3 鍍液組成
鍍液組成：CrCl3·6H2O 120 g/L,ρNi2+∶ρFe2+=0.02,NaBr 20 g/L,H3BO340 g/L,檸檬酸35g/L,檸檬酸鈉30 g/L,潤濕劑、穩(wěn)定劑、光亮劑均適量。試劑均為分析純，用去離子水配制鍍液。
1.4 測試方法
采用Hitachi S-570型掃描電子顯微鏡和Kratosxsam 800型電子能譜儀對鍍層成分、微觀組織形貌進行分析。
采用SHIMADZU公司生產(chǎn)的XRD-7000型X射線衍射儀分析鍍層組織結構和鍍層腐蝕產(chǎn)物。主要參數(shù)為：衍射角2°，Cu靶，掃描范圍20°~80°，電壓40 kV,電流35 mA,掃描速率10°/min。
采用Parstat 2273型電化學工作站，在質(zhì)量分數(shù)為3.5 %的NaCl溶液中測定鍍層的極化曲線。采用三電極體系，其中工作電極為Fe-Ni-Cr合金鍍層，輔助電極為鉑片，參比電極為飽和甘汞電極。利用SY/Q-750型鹽霧腐蝕試驗箱，采用銅鹽加速乙鹽霧實驗檢測鍍層的耐蝕性。
2·結果與討論
2.1 工藝條件對鍍層的影響
2.1.1 電流密度的影響
Fe-Ni-Cr合金鍍層的厚度隨著電流密度的增大幾乎成正比例增大。這是由于隨著電流密度增大，F(xiàn)e-Ni-Cr合金電沉積的反應速率加快所致；但當電流密度過大（>20 A/dm2）時，析氫副反應加劇，鍍層表面容易出現(xiàn)針孔和氣道，鍍層周邊高電流密度區(qū)更容易出現(xiàn)燒焦現(xiàn)象，導致鍍層的質(zhì)量嚴重下降。
由圖1可知：當陰極電流密度增大時，鍍層中Cr的質(zhì)量分數(shù)增加。這是由于隨著電流密度的增加，陰極極化增大，有利于電位較負的金屬Cr的沉積。由此可見，電流密度對鍍層組成影響較大。
2.1.2 pH值的影響
pH值對鍍層的影響主要是由于其改變了金屬離子的化學結合狀態(tài)，對配位離子的組成和穩(wěn)定性影響較大。
圖2為pH值對鍍層中Cr的質(zhì)量分數(shù)的影響。由圖2可知：當pH值過低時，析氫反應占優(yōu)勢，三價鉻幾乎不沉積，鍍液覆蓋能力差，鍍層灰白并破裂；隨著pH值逐漸升高，析氫反應受到的抑制作用增強，當pH值為2.0左右時，鍍層中Cr的質(zhì)量分數(shù)達到最大值；當pH值超過2.0后，鍍層中Cr的質(zhì)量分數(shù)隨pH值升高而逐漸下降。這是因為陰極擴散層內(nèi)的三價鉻與溶液中的OH-容易發(fā)生羥橋基聚合反應，生成非常穩(wěn)定的聚合物，使三價鉻很難從中脫逸出來，不利于Cr的電沉積。此外，當pH值為2.5左右時，鍍層厚度達到最大值。
2.1.3 溫度的影響
圖3為溫度對鍍層中Cr的質(zhì)量分數(shù)的影響。由圖3可知：當溫度較低時，鍍層中Cr的質(zhì)量分數(shù)隨溫度升高而升高，當溫度高于32℃以后，鍍層中Cr的質(zhì)量分數(shù)則出現(xiàn)下降趨勢。這是因為當溫度過低時，金屬離子的擴散速率較慢，槽電壓較高，不利于電化學反應的進行，鍍層色澤灰暗，四周有大面積灰黑色物質(zhì)產(chǎn)生，不適合于Fe-Ni-Cr合金鍍層的形成。而當溫度過高后，一方面使電化學極化減小，不利于電位較負的三價鉻沉積；另一方面降低了氫析出的過電位，陰極析氫加劇，pH值升高，加速了三價鉻的羥橋基化反應，阻礙了三價鉻的電沉積。同時，溫度過高，鍍液揮發(fā)損失嚴重，也不利于金屬的電沉積。
經(jīng)過上述分析討論，最終確定鍍液的組成及工藝條件為：pH值1.8,20 A/dm2,30°C。
2.2 鍍層性能測試
2.2.1 鍍層形貌
圖4為采用優(yōu)化工藝制備得到的Cr的質(zhì)量分數(shù)為15 %的Fe-Ni-Cr合金鍍層的表面形貌。由圖4可知：鍍層表面由均勻、致密的球形晶粒組成，沒有明顯的凸起或凹陷。
2.2.2 鍍層成分與結構
圖5為采用優(yōu)化電鍍工藝制備得到的Fe-Ni-Cr合金鍍層的EDS圖。由圖5可知：Fe-Ni-Cr合金鍍層中Cr的質(zhì)量分數(shù)為15.63 %,鎳的質(zhì)量分數(shù)為9.69 %。
圖6為采用優(yōu)化電鍍工藝制備得到的Fe-Ni-Cr合金鍍層的XRD圖。圖中沒有發(fā)現(xiàn)金屬Cr的衍射峰，鍍層是以Fe-Ni-Cr固溶體形式存在的，在2θ為44.645°和64.975°附近出現(xiàn)明顯的衍射峰，表明其為晶體結構，對應面為（110）和（200）。
2.2.3 電化學腐蝕實驗
圖7和表1分別為在質(zhì)量分數(shù)為3.5 %的NaCl溶液中測定45#鋼基體和不同成分Fe-Ni-Cr合金鍍層的極化曲線及其自腐蝕電流密度和開路電位。可以看出：Fe-Ni-Cr合金鍍層與基體相比，開路電位正移，自腐蝕電流密度減小，說明合金鍍層提高了基體的耐蝕性；當鍍層中Cr的質(zhì)量分數(shù)為15.63 %時，自腐蝕電流密度最小，為7.943μA/dm2,鍍層耐蝕性能最好。
2.2.4 銅鹽加速乙酸鹽霧實驗（CASS）
Fe-Ni-Cr合金鍍層經(jīng)銅鹽加速乙酸鹽霧實驗（CASS）后出現(xiàn)銹蝕的時間，如表2所示。由表2可知：隨鍍層中Cr的質(zhì)量分數(shù)的提高，鍍層出現(xiàn)銹蝕的時間延長。這與電化學腐蝕實驗的結果相符。
3 結論
通過以上分析和討論，得到以下結論：
（1）采用優(yōu)化的配方和工藝條件，可以在45#鋼上沉積出Cr的質(zhì)量分數(shù)為15.63 %、Ni的質(zhì)量分數(shù)為9.69 %的Fe-Ni-Cr三元合金鍍層。
（2） Fe-9.69Ni-15.63Cr三元合金鍍層結晶細致，表面光潔、無裂紋。
（3） Fe-Ni-Cr三元合金鍍層可以明顯改善45#鋼的耐蝕性，且鍍層中Cr的質(zhì)量分數(shù)的升高有利于提高鍍層的耐蝕性。
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