??
【簡(jiǎn)介】
(北京化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,北京100029)
摘 要：采用化學(xué)預(yù)鍍鎳+復(fù)合電鍍的工藝方法在鎂合金表面成功地制得了納米TiO2/Ni復(fù)合鍍層,并通過(guò)NaCl溶液浸泡試驗(yàn)和極化曲線測(cè)定了復(fù)合鍍層的耐蝕性。其電沉積鍍速達(dá)到26μm/h,鍍層表面致密平整,厚度均勻,與基體結(jié)合良好。納米TiO2/Ni復(fù)合鍍層的硬度比鎂合金基體和電鍍Ni鍍層有明顯提高,在3.5% NaCl溶液中浸泡120 h未出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象,極化曲線結(jié)果也表明該復(fù)合鍍層可提高鎂合金的耐腐蝕性。
關(guān)鍵詞：鎂合金;電鍍;鎳;復(fù)合鍍層;納米TiO2陶瓷顆粒
中圖分類號(hào)：TG174.44
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
文章編號(hào)：1005-748X(2010)03-0208-04
0 引言
在鎂合金表面上形成的涂覆層主要包括電鍍、化學(xué)鍍、陽(yáng)極氧化膜、有機(jī)涂層等。納米顆粒具有很多獨(dú)特的物理及化學(xué)性能[1,2],將納米不溶性顆粒加入鍍液中,使之在鍍液中充分懸浮,在金屬還原的同時(shí)沉積包裹在鍍層中可得到復(fù)合鍍層[3-5]。加入高硬度的納米陶瓷顆粒時(shí),其彌散強(qiáng)化作用可能提高鍍層的硬度和耐磨性。雖然納米陶瓷顆粒本身耐腐蝕,但其在復(fù)合鍍層中形成大量界面,其的加入對(duì)鍍層的耐腐蝕性的作用尚待研究。
已有在鎂合金基體上進(jìn)行納米陶瓷顆粒/Ni復(fù)合化學(xué)鍍的報(bào)道[6]。與化學(xué)鍍相比,電鍍有鍍速快、表面平整、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)。目前關(guān)于鎂合金電沉積鎳鍍層中共沉積納米TiO2顆粒方面的研究沿未見(jiàn)報(bào)道。本工作用化學(xué)預(yù)鍍+復(fù)合電沉積的方法在鎂合金基體表面制備了納米TiO2/Ni復(fù)合鍍層,并測(cè)試了鍍層的性能。
1·試驗(yàn)方法
1.1 鍍層制備
基底用50 mm×25 mm×2 mm的AZ31鑄造鎂合金。納米陶瓷顆粒為北京化大天瑞公司生產(chǎn)的納米TiO2顆粒,平均粒徑為24 nm,其中的金紅石型與銳鈦礦型的質(zhì)量比為4∶1。施鍍?cè)贒F-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器中進(jìn)行。
切割后的試樣依次用200#、360#、800#、1200#砂紙打磨表面,用自來(lái)水清洗,隨后進(jìn)行超聲丙酮清洗,之后進(jìn)行堿洗、酸洗和活化。每步清洗之后都用去離子水清洗,以清除試樣表面殘余溶液。堿洗、酸洗和活化的配方及工藝如表1所示。
鎂合金是難鍍金屬[7],因此在電沉積復(fù)合鍍層前需進(jìn)行化學(xué)預(yù)鍍,保護(hù)鎂基體在通電后不被電鍍液腐蝕。化學(xué)預(yù)鍍的配方如表2所示。用氨水調(diào)節(jié)pH值至5.5~6.5,溫度為85℃,磁力攪拌的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為300 r/min。
化學(xué)預(yù)鍍后立刻用去離子水沖洗試樣,然后直接進(jìn)行復(fù)合電鍍。復(fù)合電鍍液配方如表3所示。先用適量的NiSO4·6H2O、NiCl2·6H2O、H3BO3和十二烷基硫酸鈉配成預(yù)制水溶液。將分散劑制成少量水溶液,將納米TiO2顆粒加入該水溶液中充分潤(rùn)濕,在超聲波下振蕩分散2~3 h,然后將其加入預(yù)制水溶液,即制成復(fù)合電鍍液。施鍍條件為:溫度50~55℃,陰極電流密度1.0~2.5 A/dm2,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速400 r/min,時(shí)間60 min,pH值4~5.5。在表3的配方中不加納米TiO2和分散劑,用同樣的工藝條件在化學(xué)預(yù)鍍后進(jìn)行電鍍鎳,將得到的鍍層與復(fù)合電鍍層進(jìn)行對(duì)比。
1.2 鍍層性能檢測(cè)
用肉眼觀察鍍層的表面質(zhì)量。用4XC型金相顯微鏡觀察鍍層的表面形貌和測(cè)量厚度。用HXS1000A型顯微硬度計(jì)測(cè)定鍍層表面硬度,測(cè)試的載荷為100 g,保載時(shí)間為12 s。硬度取5個(gè)測(cè)試點(diǎn)的平均值。用日本理學(xué)公司生產(chǎn)的D/Max2500VB2/PC型X射線衍射儀測(cè)試鍍層成分,測(cè)試條件為:Cu靶Kα輻射,管電壓40 kV,管電流400 mA,掃描速度10°/min,采樣寬度0.02°。用彎曲試驗(yàn)、熱震試驗(yàn)、銼刀試驗(yàn)測(cè)量鍍層的結(jié)合力。參照文獻(xiàn)[8]對(duì)鍍層進(jìn)行彎曲試驗(yàn),即將試樣沿直徑最小12 mm的芯軸繞180°,檢查鍍層表面;熱震試驗(yàn):即將化學(xué)鍍鎳層在(200±10)℃的爐內(nèi)加熱1 h,在室溫水中淬火,循環(huán)3次;銼刀試驗(yàn):銼刀與鍍層呈45°角以剝離鍍層的方向銼去非主要表面,至露出基體金屬/鍍層的界面。
浸泡試驗(yàn):將試樣鍍層表面全部浸沒(méi)在3.5%NaCl溶液中,觀察表面狀況并記錄。電化學(xué)測(cè)試采用三電極體系,以試樣為工作電極,鉑電極為輔助電極,飽和甘汞電極為參比電極。采用CS300電化學(xué)測(cè)試系統(tǒng),測(cè)試動(dòng)電位掃描曲線,測(cè)試溫度為25℃,掃描速度為5 mV/s,掃描電位范圍為-2.0~1.2V,腐蝕介質(zhì)為3.5% NaCl溶液。
2·試驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1 鍍層的形貌和結(jié)合力
化學(xué)預(yù)鍍后試樣表面和截面的金相照片如圖1所示,可見(jiàn)化學(xué)預(yù)鍍后試樣表面有許多顆粒狀突起,表面粗糙,這有利于與下一步的電鍍層的良好結(jié)合。施鍍45 min后預(yù)鍍層厚度約9μm,其平均鍍速為12μm/h。
在上述預(yù)鍍層上進(jìn)行納米復(fù)合電鍍,鍍液溫度為55℃,電流密度為1.5 A/dm2,電鍍液中加入5 g/L納米TiO2顆粒,分散劑加入量為0.5 g/L,pH值4,電沉積1 h。肉眼可見(jiàn)復(fù)合電鍍層的表面為銀白色,具有金屬光澤。復(fù)合電鍍層的表面和截面形貌如圖2所示。可見(jiàn)鍍層的表面平整、致密,復(fù)合鍍層完全覆蓋了化學(xué)預(yù)鍍層的粗糙表面。由截面形貌未見(jiàn)到化學(xué)預(yù)鍍層與納米復(fù)合電鍍層的界線,說(shuō)明兩層之間有良好的結(jié)合。兩層的總厚度約35μm,除去預(yù)鍍層厚度,則復(fù)合電鍍層的厚度約26μm,計(jì)算其平均鍍速為26μm/h,比化學(xué)鍍速提高了一倍多。試驗(yàn)隨復(fù)合電鍍中電流密度的提高鍍速提高,但電流密度高于1.5 A/dm2后鍍層表面出現(xiàn)針孔,隨著電流密度的進(jìn)一步增加,針孔量逐漸增多,并且復(fù)合鍍層表面變?yōu)榘祷疑?
對(duì)鍍層進(jìn)行彎曲試驗(yàn)、熱震試驗(yàn)和銼刀試驗(yàn),均未發(fā)現(xiàn)鍍層有起皮、龜裂、剝離、剝落等現(xiàn)象,說(shuō)明復(fù)合鍍層與基底和化學(xué)預(yù)鍍層的結(jié)合強(qiáng)度良好。
2.2 鍍層的成分
復(fù)合鍍層X(jué)RD譜圖如圖3所示。譜圖中可見(jiàn)鎳三個(gè)晶面很強(qiáng)的特征尖峰,同時(shí)可以看到TiO2明顯的特征峰,表明在復(fù)合鍍層中電沉積鎳的同時(shí)共沉積了納米TiO2顆粒。
2.3 鍍層的硬度和耐腐蝕性
圖4為鎂合金基體及不同鍍層表面的硬度測(cè)試結(jié)果。可見(jiàn)有鍍層的鎂合金表面硬度比沒(méi)鍍層時(shí)高很多。化學(xué)預(yù)鍍層的硬度最高,這是因?yàn)樵撳儗邮欠蔷ф嚵缀辖饘印ｋ婂兗冩噷与m然鍍速較快,但其表面硬度比化學(xué)鍍層低很多。納米復(fù)合電鍍不僅獲得了較高的鍍速,同時(shí)獲得了與化學(xué)鍍相近的表面硬度,其原因可歸結(jié)于分布在鎳電鍍層中的納米TiO2顆粒的彌散強(qiáng)化作用。
納米復(fù)合鍍層在3.5% NaCl溶液中連續(xù)浸泡120 h時(shí)表面未出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。
圖5為鎂合金基體和電鍍層在3.5% NaCl溶液中的極化曲線。圖中可以看出鎂合金基體的自腐蝕電位為-1.51V,化學(xué)預(yù)鍍+電鍍鎳和化學(xué)預(yù)鍍+納米復(fù)合電鍍的自腐蝕電位分別為-1.00V和-1.07V,可見(jiàn)兩種電鍍層的自腐蝕電位相近,都比鎂合金基體的高很多,并且鈍化電流均比鎂合金基體低很多。因此這兩種電鍍層都對(duì)鎂合金基體有良好的保護(hù)作用,納米TiO2顆粒的加入對(duì)鍍層的耐腐蝕性影響不大。考慮到復(fù)合鍍層的高硬度和鍍速,可以認(rèn)為納米TiO2/Ni復(fù)合電鍍獲得了良好的使用性能和工藝性能。
3·結(jié)論
(1)采用化學(xué)預(yù)鍍鎳+復(fù)合電鍍的方法在鎂合金表面成功地制得了納米TiO2/Ni復(fù)合鍍層,其鍍速為26μm/h,鍍層表面致密平整、厚度均勻、與基體結(jié)合良好。
(2)納米TiO2/Ni復(fù)合鍍層的硬度比鎂合金基體和電鍍Ni鍍層有很大提高,達(dá)到473HV,說(shuō)明納米顆粒的加入起到了明顯的彌散強(qiáng)化作用。
(3)復(fù)合鍍層在3.5% NaCl溶液中的浸泡120h未發(fā)生腐蝕,極化曲線測(cè)試表明復(fù)合鍍層和電鍍Ni層對(duì)鎂合金均有明顯的保護(hù)作用,納米TiO2陶瓷顆粒的加入對(duì)鍍層耐腐蝕性的影響不大。綜合考慮鍍速、硬度、耐腐蝕性等使用性能和工藝性能,可以認(rèn)為本工作采用的化學(xué)預(yù)鍍+納米TiO2陶瓷顆粒/Ni復(fù)合電鍍是一種良好的鎂合金保護(hù)方法。
參考文獻(xiàn):
[1]張立德,牟季美.納米材料和納米結(jié)構(gòu)[M].北京:科學(xué)出版社,2001:25-29.
[2]劉福春,韓恩厚,柯偉.納米復(fù)合涂料的研究進(jìn)展[J].材料保護(hù),2001,34(2):1-4.
[3]郭鶴桐,張三元.復(fù)合電鍍技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006:3-4.
[4]李志林,王波,關(guān)海鷹.納米TiO2-Ni-P復(fù)合鍍層的制備工藝及性能研究[J].腐蝕與防護(hù),2006,27(08):394-396.
[5]李志林,劉建軍,關(guān)海鷹. Ni-納米TiO2復(fù)合電鍍層的制備與性能研究[J].材料保護(hù),2006,39(07):20-25.
[6]李志林,任林,路景辰.鎂合金納米TiO2/Ni-P化學(xué)復(fù)合鍍層的制備與性能研究[J].材料保護(hù),2007,40(12):29-32.
[7]Liu X K,Xiang Y H,Hu W B,et al. A review of elec-troless nickel
plating on magnesium alloys[J]. Aero-space Materials & Technology,
2001,31(4):21-25.
[8]姜曉霞,沈偉.化學(xué)鍍鎳?yán)碚摷皩?shí)踐[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2000:215-216.
