SiCp/Al復(fù)合材料化學(xué)鍍鎳－磷的工藝研究

尹明勇， 馬立群， 王 娟， 金榮榮， 丁 毅

（南京工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210009）

SiCp/Al復(fù)合材料化學(xué)鍍鎳－磷的工藝研究

尹明勇， 馬立群， 王 娟， 金榮榮， 丁 毅

（南京工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210009）

采用鈀鹽對(duì)SiCp/Al復(fù)合材料表面進(jìn)行活化，化學(xué)鍍后在復(fù)合材料表面獲得Ni-P鍍層。利用掃描電鏡（SEM）、能譜成分分析儀（EDS）、極化曲線(xiàn)、X射線(xiàn)衍射儀（XRD）以及熱震測(cè)試等手段對(duì)鍍層的性能進(jìn)行了研究，并觀察了鍍覆過(guò)程中鍍層表面形貌的變化。結(jié)果表明：鈀鹽的活化作用較好，鈀原子優(yōu)先在復(fù)合材料的基體晶界、SiCp/Al界面及SiCp表面粗糙處形成催化活化中心；鋁合金基體與SiCp增強(qiáng)相表面均被鍍覆，且鍍層光亮、致密、連續(xù)，耐蝕性好，結(jié)合力高，屬于中磷鍍層。

SiCp/Al復(fù)合材料；化學(xué)鍍；鈀；Ni-P鍍層；耐蝕性

0 前言

碳化硅增強(qiáng)鋁基（SiCp/Al）復(fù)合材料是目前國(guó)內(nèi)外研究和應(yīng)用較多的一種金屬基復(fù)合材料。近來(lái)，該復(fù)合材料的耐蝕性也越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，其耐蝕性主要受基體和增強(qiáng)相的性能、制備工藝以及使用環(huán)境等因素的影響［1］?；瘜W(xué)鍍Ni-P合金是改善材料表面性能較常用的一種方法。

在SiCp/Al復(fù)合材料上進(jìn)行化學(xué)鍍存在以下難點(diǎn)［2－3］：（1）鋁基體表面容易形成致密的氧化膜，嚴(yán)重影響鍍層與復(fù)合材料之間的結(jié)合力；（2）鋁不具有自催化活性，且自腐蝕電位較低，容易與多種金屬離子發(fā)生置換反應(yīng)，析出的金屬會(huì)導(dǎo)致鍍層疏松；（3）鋁是兩性金屬，在堿性鍍液及酸性鍍液中均容易發(fā)生腐蝕；（4）陶瓷相SiCp的存在使基體與增強(qiáng)相的前處理效果不同步，鍍層存在較大的內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致結(jié)合力降低。將傳統(tǒng)的浸鋅工藝引入SiCp/Al復(fù)合材料表面化學(xué)鍍同樣存在一些問(wèn)題［4］：（1）浸鋅工藝復(fù)雜，設(shè)備要求多；（2）浸鋅層在鍍覆過(guò)程中發(fā)生溶解，形成的Zn2＋對(duì)鍍液有毒化作用，使鍍液的使用壽命降低；（3）鍍覆結(jié)束后，如果浸鋅層溶解不完全，則在潮濕環(huán)境中容易與鍍層形成電偶腐蝕，造成鍍層剝落。

金屬鈀具有優(yōu)良的自催化活化特性［4］，本文采用合理質(zhì)量濃度的鈀鹽活化液及還原溶液對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行前處理，在酸性鍍液中鍍覆獲得Ni-P鍍層，通過(guò)相關(guān)測(cè)試手段分析鍍層的性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

采用攪拌鑄造法制備SiCp/Al復(fù)合材料，其中增強(qiáng)微粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%。增強(qiáng)微粒采用普通市售綠色α-SiC（純度≥99%），平均粒徑為80μm?；w合金采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.7%的工業(yè)純Al，其主要成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)：Si 0.086%，Mg 0.014%，F(xiàn)e 0.130%，Cu 0.001%，Ga 0.014%，Al余量；并添加3%的純Mg。試樣尺寸為25mm×15mm×2 mm。

1.2 工藝流程

600＃SiC 砂紙打磨—→除油—→酸蝕—→活化（鈀鹽活化液0.5g/L，pH值6.5～7.0，5min）—→還原（次磷酸鈉30g/L，pH 值6.5～7.0，10min）— → 化學(xué)鍍Ni-P，各步驟間用蒸餾水沖洗干凈。

1.3 鍍液配方及工藝條件

NiSO4·6H2O 30g/L，NaH2PO2·H2O 24 g/L，H3BO312g/L，乳酸10mL/L，NaAc 12g/L，NH4Cl 10g/L，硫脲0.001g/L，pH 值4.5，85℃，60min。

1.4 性能測(cè)試

（1）鍍層形貌及成分分析

采用JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡觀察鍍層的表面形貌與截面形貌。采用Noran-Vantage型EDS能譜成分分析儀對(duì)鍍層進(jìn)行成分分析。

（2）物相結(jié)構(gòu)測(cè)試

采用ARL X’TRA型X射線(xiàn)衍射儀分析鍍層的相結(jié)構(gòu)，測(cè)試條件為：Cu靶Ka輻射，掃描速率5°/min，掃描范圍20°～80°。

（3）電化學(xué)測(cè)試

采用CHI 660B型電化學(xué)工作站進(jìn)行動(dòng)電位掃描極化曲線(xiàn)測(cè)試，腐蝕介質(zhì)為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5% 的NaCl溶液，參比電極為飽和甘汞電極（SCE），輔助電極為石墨。

（4）結(jié)合力測(cè)試

根據(jù)GB/T 5270，通過(guò)熱震實(shí)驗(yàn)，觀察鍍層脫落情況，判斷鍍層的結(jié)合力。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面形貌與成分分析

圖1為SiCp/Al復(fù)合材料在化學(xué)鍍過(guò)程中不同時(shí)刻的表面形貌。圖1（a）為復(fù)合材料的原始形貌。鍍覆1min后，SiCp與基體表面均沉積有少量鍍層，如圖1（b）所示。鈀離子被還原為鈀原子而優(yōu)先吸附于酸蝕形成的基體晶界、SiCp/Al界面以及SiCp表面粗糙處，成為化學(xué)鍍的催化活化中心，因此鍍層優(yōu)先形成于這些區(qū)域，如圖中A，B點(diǎn)分別為基體晶界和SiCp/Al界面。鍍覆3min后，SiCp/Al復(fù)合材料表面基本上已沉積一層較均勻的Ni-P鍍層，但是微粒與基體處仍有部分區(qū)域未被鍍覆，而且鍍層尚未形成明顯的胞狀組織，如圖1（c）所示。鍍覆15 min后，Ni-P鍍層已經(jīng)開(kāi)始生成胞狀組織，而且SiCp/Al界面與基體處的胞狀組織較多，說(shuō)明這些區(qū)域鍍速較快，如圖1（d）所示。鍍覆60min后，SiCp/Al復(fù)合材料表面被完全鍍覆，基體與SiCp表面鍍層較平整、均勻，而SiCp/Al界面處胞狀組織較大，進(jìn)一步說(shuō)明了該區(qū)域鍍層生長(zhǎng)較快，如圖1（e）所示。

圖1 鍍層的表面形貌變化

圖2為化學(xué)鍍60min后所得Ni-P鍍層的EDS譜圖。由圖2可知：鍍層中Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為92.82%，P的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.18%。可見(jiàn)，該Ni-P鍍層屬于中磷鍍層。

圖2 鍍層的EDS譜圖

2.2 截面形貌

圖3為化學(xué)鍍60min后所得Ni-P鍍層的截面形貌。由圖3可知：SiCp與基體表面均被鍍覆，鍍層的厚度約為15～20μm，鍍層較致密。值得注意的是，基體上的鍍層較為平整，而SiCp/Al界面處因腐蝕嚴(yán)重而較粗糙，進(jìn)而提高了鍍層的結(jié)合力。

2.3 物相結(jié)構(gòu)

圖4為Ni-P鍍層的XRD衍射圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：XRD衍射圖并非為完全的晶態(tài)結(jié)構(gòu)，而是有一定的寬化，說(shuō)明該鍍層的相結(jié)構(gòu)為晶態(tài)與非晶態(tài)的混合物。出現(xiàn)非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的原因?yàn)椋弘S著P的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，P原子進(jìn)入Ni晶格，致使Ni晶格發(fā)生畸變，呈現(xiàn)出非晶態(tài)結(jié)構(gòu)特征。非晶態(tài)結(jié)構(gòu)有助于提高鍍層的耐蝕性［5］。

圖3 鍍層的截面形貌

圖4 Ni-P鍍層的XRD衍射圖

2.4 耐蝕性

圖5 極化曲線(xiàn)

圖5為SiCp/Al復(fù)合材料及Ni-P鍍層在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液中的極化曲線(xiàn)。由圖5可知：SiCp/Al復(fù)合材料的自腐蝕電位為－1.32V，而Ni-P鍍層的自腐蝕電位為－0.16V?？梢?jiàn)，經(jīng)化學(xué)鍍后，復(fù)合材料表面的自腐蝕電位大幅度提高。這表明SiCp/Al復(fù)合材料經(jīng)化學(xué)鍍Ni-P后發(fā)生腐蝕的可能性降低。此外，Ni-P鍍層具有相對(duì)較低的維鈍電流密度，進(jìn)一步從動(dòng)力學(xué)上體現(xiàn)出SiCp/Al復(fù)合材料經(jīng)化學(xué)鍍Ni-P后的耐蝕性有了很大提高［6］。

2.5 結(jié)合力

對(duì)鍍層進(jìn)行熱震測(cè)試，將鍍層在220℃下保溫1h，然后急冷。通過(guò)測(cè)試并未發(fā)現(xiàn)鍍層有起皮、起泡、脫落等現(xiàn)象，說(shuō)明SiCp/Al復(fù)合材料中SiC微粒及鋁基體均與鍍層有較好的結(jié)合力。

3 結(jié)論

（1）經(jīng)鈀鹽活化處理后，Ni-P鍍層優(yōu)先在SiCp/Al復(fù)合材料的基體晶界、SiCp/Al界面以及SiCp表面粗糙處沉積。

（2）SiCp/Al復(fù)合材料表面被完全鍍覆。Ni-P鍍層的厚度約為15～20μm。鍍層中Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為92.82%，P的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.18%，屬于中磷鍍層。同時(shí)，該鍍層的相結(jié)構(gòu)為晶態(tài)與非晶態(tài)的混合物。

（3）經(jīng)化學(xué)鍍后，SiCp/Al復(fù)合材料的自腐蝕電位得到了大幅度提高，維鈍電流密度明顯減小，進(jìn)而顯著提高了復(fù)合材料的耐蝕性。

（4）SiCp/Al復(fù)合材料中SiCp及鋁基體均與鍍層結(jié)合較好，復(fù)合材料整體與Ni-P鍍層具有較高的結(jié)合力。

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［1］歐陽(yáng)求保，崔光華，顧海麟，等.碳化硅顆粒增強(qiáng)7A04鋁基復(fù)合材料的腐蝕行為［J］.材料保護(hù)，2009，42（9）：24-26.

［2］李寧，屠振密.化學(xué)鍍實(shí)用技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

［3］趙斌，董世知.鋁合金化學(xué)鍍Ni-P合金的研究進(jìn)展［J］.電鍍與涂飾，2008，27（1）：24-26.

［4］黃曉梅，李寧，蔣麗敏，等.鋁及其合金浸鋅技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀［J］.電鍍與精飾，2006，28（3）：22-28.

［5］袁亮，馬立群，秦鐵男，等.磷含量對(duì)AZ 31鎂合金化學(xué)鍍Ni－P層結(jié)構(gòu)和耐蝕性能的影響［J］.腐蝕與防護(hù)，2010，31（9）：696-699.

［6］賀忠臣，丁毅，秦鐵男，等.熱處理溫度與6 063鋁合金化學(xué)鍍鎳層的耐蝕性［J］.腐蝕與防護(hù)，2010，31（3）：231-233.

A Study of Electroless Ni-P Plating on SiCp/Al Composite Material

YⅠN Ming－yong， MA Li-qun， WANG Juan， JⅠN Rong-rong， DⅠNG Yi
（College of Materials Science and Engineering，Nanjing University of Technology，Nanjing 210009，China）

A Ni-P coating was obtained on the surface of SiCp/Al composite material after Pd activation and electroplating.The properties of the coating were investigated by means of SEM，EDS，polarization curve，XRD，thermal shock test，etc.，and the changes of the coating surface morphology during plating were also observed.The results show that the composite material is well activated by Pd，Pd atoms preferentially forming a catalytic and active centre in the grain boundary of aluminum alloy matrix，SiCp/Al interface and rough area of SiCpsurface.Both the surfaces of aluminum alloy matrix and SiCpreinforcing phase are covered.And the coating is bright，compact and continuous，with a good corrosion resistance and a high binding force，belonging to medium phosphorous coating.

SiCp/Al composite material；electroless plating；palladium；Ni-P coating；corrosion resistance

TQ 153

A

1000-4742（2013）01-0027-03

2011-09-05