粉末冶金零件的化學鍍鎳技術(shù)原理及應用

對于用在特定場合的機械零件來說,當要求它既美觀又有好的耐蝕性時,人們往往通過對零件表面電鍍一層耐蝕性好的金屬來解決問題,如鍍鉻、鍍鎳等等。但粉末冶金零件由于存在孔隙,往往很難對其施鍍,或者是受鍍后的零件耐蝕性依然很差,且腐蝕往往從零件內(nèi)部開始并向表面擴展,達不到預期的效果。因此,粉末冶金零件的電鍍問題長期以來被人們視為難題。迄今為止,國內(nèi)僅有少數(shù)廠家解決了粉末冶金零件的電鍍問題,但亦由于鍍前必須先填堵孔隙,由此帶來電鍍工藝復雜化,電鍍成本大幅度提高,使得對粉末冶金零件的電鍍喪失了經(jīng)濟性。

作者通過大量試驗,成功地應用化學催化方法在鐵基粉末冶金零件表面鍍上一層厚度均勻且致密的非晶態(tài)Ni-P合金。由于鍍層是在零件表面催化反應獲得的,鍍層與零件表面是化學鍵的結(jié)合,因而其結(jié)合強度很好;又因鍍層呈非晶態(tài)結(jié)構(gòu),其耐蝕性能也很佳。試驗證明,粉末冶金零件的化學鍍鎳層完全能滿足實際應用的要求。

2化學鍍鎳原理及工藝

2.1化學鍍鎳原理[1]

在催化劑Fe的催化作用下,溶液中的次磷酸根在催化表面催化脫氫,形成活性氫化物,并被氧化成亞磷酸根;活性氫化物與溶液中的鎳離子進行還原反應而沉積鎳,其本身氧化成氫氣。即:

2H2PO2-+2H2O+Ni2+→Ni0+H2↑+4H++2HPO32-。

與此同時,溶液中的部分次磷酸根被氫化物還原成單質(zhì)磷進入鍍層。即:

H2PO2-+[H+](催化表面)→P+H2O+OH-,所形成的化學鍍層是NiP合金,呈非晶態(tài)簿片結(jié)構(gòu)。

2.2化學鍍鎳工藝

2.2.1工藝流程

化學鍍鎳工藝流程如下:拋光→清洗→除油→清洗→活化→清洗→化學鍍鎳→清洗→精拋。

2.2.2工藝參數(shù)化學鍍鎳鍍液主要原料配比

3鍍層的性能3.1鍍層的附著強度[2]

用3種方法對鍍層的附著強度做定性試驗,并與合格的電鍍鎳粉末冶金零件比較。3.1.1銼刀試驗

將化學鍍鎳和電鍍鎳的粉末冶金零件各鋸開一個斷面,然后將零件在虎鉗上夾緊,用粗齒扁銼從基體向鍍層方向銼粉末冶金零件,銼時銼刀與鍍層約成45°夾角。銼削全過程中,化學鍍鎳件鍍層未出現(xiàn)剝離現(xiàn)象,而電鍍鎳件鍍層部分剝離。

3.1.2磨、鋸試驗

對化學鍍鎳件和電鍍鎳粉末冶金件,用Al2O3砂輪片從基體向鍍層方向磨削鍍件邊緣,用鋼鋸從基體向鍍層方向鋸鍍件。

磨削過程中電鍍鎳件鍍層出現(xiàn)部分剝離,鋸削過程中兩種鍍層均未出現(xiàn)剝離。

3.1.3熱震試驗

將化學鍍鎳粉末冶金件和電鍍鎳粉末冶金件分別在箱式爐里加熱到某一溫度,保溫10min,取出后在水中激冷。

電鍍鎳件加熱至300℃,取出后在水中激冷時出現(xiàn)鍍層脫落現(xiàn)象,而化學鍍鎳層加熱至600℃,取出后在水中激冷未出現(xiàn)脫落現(xiàn)象。

3.2耐蝕試驗

在相同試驗條件下,比較電鍍鎳和化學鍍鎳粉末冶金零件的耐蝕性能。321CO氣體腐蝕試驗

將電鍍鎳和化學鍍鎳的粉末冶金零件置于室溫、常壓及CO濃度為1%～2%的環(huán)境中,測定鍍層出現(xiàn)銹斑的時間。結(jié)果是電鍍鎳件表面312h出現(xiàn)銹斑,化學鍍鎳件表面360h出現(xiàn)銹斑。3.2.2NaCl溶液腐蝕試驗

按50g/L的濃度配制2000mLNaCl溶液,然后分裝在兩只規(guī)格為1000mL的燒杯中,再分別將已用尼龍絲扎好的化學鍍鎳粉末冶金件和電鍍鎳件懸吊于溶液中間。結(jié)果是電鍍鎳粉末冶金件表面76h出現(xiàn)銹斑,化學鍍鎳件表面100h才出現(xiàn)銹斑。

33化學鍍鎳層的穩(wěn)定性試驗

將化學鍍鎳零件(家用針織機拔條座)置于室外的百葉箱中,使零件在常壓下不受陽光直曬和雨水浸蝕,百葉箱內(nèi)空氣流通。零件在輕微工業(yè)性氣體介質(zhì)腐蝕(相當于城郊大氣條件,空氣呈輕微酸性,環(huán)境溫度6～36℃)的條件下,從1999年10月放置至今(已三年時間)依然光亮如鏡,表明化學鍍鎳層穩(wěn)定性和耐久性良好,完全能滿足實際使用的要求。

4討論

化學鍍鎳技術(shù)與傳統(tǒng)電鍍鎳技術(shù)的比較:

(1)化學鍍鎳其過程是在催化劑(Fe)的催化作用下,零件表面發(fā)生化學反應的過程。所獲得的鍍層與基體之間是化學鍵的連接。而電鍍鎳工藝所獲得的鍍層是在電流作用下單向沉積的單金屬鎳層。化學鍍鎳層與基體的結(jié)合強度及耐蝕性優(yōu)于電鍍鎳層。

(2)化學鍍鎳工藝能適應任何型面的施鍍,只要鍍液能浸泡到的型面均可鍍到,而電鍍鎳工藝只能對簡單的型面施鍍。

(3)粉末冶金件化學鍍鎳工藝簡單,零件無需堵孔,設備投資小,容易實現(xiàn)批量生產(chǎn)。而粉末冶金件電鍍工藝復雜,零件必須堵孔,設備投資大。

(4)化學鍍鎳工藝成本低,電能僅用以供鍍液加熱使用;在連續(xù)作業(yè)時,使用過的鍍液經(jīng)補加鍍液成分后可繼續(xù)使用,大大節(jié)約電能。而電鍍鎳工藝在零件電鍍時所需電流密度為2～25A/dm2,同時鍍液仍然要加熱到40～50℃。經(jīng)測算,化學鍍鎳工藝每平方分米鍍層平均耗電008kW·ｈ,而電鍍鎳工藝則耗電01kW·ｈ。

(5)化學鍍鎳工藝成本為02～03元/m2,而電鍍鎳工藝則為04～05元/m2。

(6)化學鍍鎳工藝無廢氣排放,僅有少量的清洗液,經(jīng)處理后不污染環(huán)境。而電鍍鎳工藝則有大量的廢氣、廢水排放,污染環(huán)境。

綜上所述,化學鍍鎳工藝是鐵基粉末冶金零件鍍覆的較先進的工藝,有著傳統(tǒng)電鍍鎳工藝不可比擬的優(yōu)越性。極具推廣應用價值。

我公司已將化學鍍鎳技術(shù)應用于針織機粉末冶金撥條座的批量生產(chǎn),獲得一定的經(jīng)濟效益和社會效益。

5結(jié)論

1)化學鍍鎳工藝能使鐵基粉末冶金零件表面獲得厚度均勻、性能優(yōu)良的非晶態(tài)NiP合金層。

2)化學鍍鎳技術(shù)能實現(xiàn)鐵基粉末冶金零件的大批量鍍覆,具有廣闊的應用前景。