中溫高磷化學(xué)鍍鎳工藝及鍍層合金組織與性能的研究*

唐星星，王 坤

（浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院材料工程系，浙江溫州325003）

高磷化學(xué)鍍鎳層是一種優(yōu)良的功能性鍍層，不僅具有突出的耐蝕性和優(yōu)良的耐磨性，還具有耐熱、低溫度系數(shù)及高電阻率等特點(diǎn)[1-3]，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)硬盤、石油化工管道設(shè)備、汽車零部件等領(lǐng)域[4]。高磷化學(xué)鍍鎳通常施鍍溫度較高（約90℃），造成鍍液穩(wěn)定性降低、揮發(fā)量較大、工作環(huán)境較惡劣，因此在適當(dāng)降低施鍍溫度下研究高磷化學(xué)鍍鎳工藝及所得鍍層組織與性能的研究具有重要意義。本文以鍍速、鍍層磷含量、鍍層硬度和鍍層微觀形貌為評(píng)價(jià)指標(biāo)[5]，通過正交優(yōu)化得到了鍍速7μm/h左右、鍍層結(jié)構(gòu)均勻致密，磷含量在9%以上的中溫高磷化學(xué)鍍鎳工藝。

1實(shí)驗(yàn)

1.1工藝流程

基材為鍍鋅鐵片，尺寸為 50 mm×50 mm×1 mm。工藝流程為：鍍鋅鐵片─鹽酸（50%體積分?jǐn)?shù)）褪鋅皮─擦洗─純水洗─H2SO4（5%質(zhì)量分?jǐn)?shù)）活化─純水洗─化學(xué)鍍鎳─吹干─性能檢測。

1.2基礎(chǔ)鍍液組成和工藝

實(shí)驗(yàn)所用試劑及相關(guān)工藝條件見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)所用試劑及相關(guān)工藝條件

鍍液 PH用50%體積分?jǐn)?shù)分析純氨水調(diào)節(jié)。

1.3性能及相關(guān)檢測

1.3.1沉積速率

稱重法測量，沉積速率為：

式中，m1、m2為施鍍前后試樣的質(zhì)量（g），A為試樣施鍍面積（cm2），ρ為鍍層密度（取7.80 g/cm3），t為施鍍時(shí)間（h）。

1.3.2鍍層磷含量[6]

鍍層磷含量采用美國賽默飛能量色散X-熒光光譜儀（Thermo Scientific ARL QUANT'X EDXRF Analyzer）測得。

1.3.3鍍層硬度

采用HXD-1000TC圖析手轉(zhuǎn)顯微硬度計(jì)測量鍍層的顯微硬度，載荷100 g，持續(xù)時(shí)間15 s，每個(gè)試片取5個(gè)不同位置測試，取平均值。

1.3.4鍍層形貌

鍍層宏觀形貌通過HDX-1000TC圖析手轉(zhuǎn)顯微硬度計(jì)的圖析功能進(jìn)行觀察，鍍層微觀形貌通過日本日立S-3700N型掃描電子顯微鏡得到，加速電壓EHT=10 kV，放大倍數(shù)Mag=x2.00 k。

1.3.5耐腐蝕性能

采用濃硝酸試驗(yàn)法檢測鎳磷合金鍍層的耐腐蝕性能，通過測定鍍層耐濃硝酸變色時(shí)間來評(píng)定鍍層的耐蝕性能[7]。操作方法為：將鍍鎳試片的一半浸入68%濃硝酸中，另一半暴露空氣中，記錄試樣表面第一個(gè)變色點(diǎn)顯示時(shí)間。

2結(jié)果與討論

2.1正交試驗(yàn)

以苯駢三氮唑(因素A)、丁二酸(因素B)、硫酸高鈰(因素C)為添加劑，以鍍速、磷含量為指標(biāo)，采用L9(34)正交表對(duì)鍍液配方進(jìn)行正交優(yōu)化，結(jié)果列于表2。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

由極差分析可知，各因素影響不同指標(biāo)的大小順序?yàn)椋哄兯?，A＞B＞C；磷含量，B＞C＞A。苯駢三氮唑?qū)﹀兯俚挠绊懽畲?，且隨著苯駢三氮唑濃度的增大，鍍速先降低后升高，由于磷含量高于9 w.t.%，即處于高磷范疇，以鍍速作為選擇的第一指標(biāo)，選擇水平A1，即C（苯駢三氮唑）=0.5mg/L；丁二酸濃度對(duì)鍍層磷含量影響最大，但B2、B3兩個(gè)水平差別不大，考慮磷含量已滿足要求，可選擇水平B3，由于硫酸高鈰濃度對(duì)鍍速影響較小，應(yīng)選擇C3，故中溫高磷化學(xué)鍍鎳的最佳工藝配方組成為：A1B3C3，即試驗(yàn)3號(hào)。

2.2中溫高磷化學(xué)鍍鎳合金組織及性能分析

在最佳工藝條件下，根據(jù)施鍍時(shí)間的不同，分別制得鍍層厚度為 5μm、8μm、11μm、14μm、17μm等一系列中溫高磷化學(xué)鍍鎳鍍層，對(duì)其進(jìn)行合金組織及性能的分析。

2.2.1表面形貌

對(duì)最佳工藝條件下所得鍍層的表面形貌進(jìn)行分析。不同厚度鍍鎳層表面形貌基本一致，鍍層肉眼觀察為光亮，無點(diǎn)坑、針孔等現(xiàn)象。圖1、2分別為厚度8μm的中溫高磷化學(xué)鍍層的顯微放大照片（放大倍數(shù)400倍）和SEM圖（放大倍數(shù)2000倍）。通過圖片可以看到，該工藝條件下所得中溫高磷鍍層外觀較為平整、細(xì)膩，鍍層在放大2000倍情況下，僅可見少量微孔，無明顯缺陷。

圖1 中溫高磷鍍層的顯微照片（×400）

圖2 中溫高磷鍍層SEM圖（×2000）

2.2.2顯微硬度

表3為所得中溫高磷化學(xué)鍍層在不同厚度下所測顯微硬度，從表中可以看到隨著鍍層厚度增加，鍍層顯微硬度也隨之增加，當(dāng)鍍層厚度11μm時(shí)，顯微硬度（HV0.1）在500以上。

表3 中溫高磷鍍層顯微硬度

2.2.3耐腐蝕性能

表4為所得中溫高磷化學(xué)鍍層的耐硝酸色變性能數(shù)據(jù)表。由表可知，隨著厚度的增加，中溫高磷鍍層的耐硝酸色變能力也隨之增加，厚度17μm的中溫高磷化學(xué)鍍層耐硝酸色變時(shí)間約5min，耐腐蝕性能良好。

表4 中溫高磷鍍層耐硝酸色變性能

3結(jié)論

（1）對(duì)中溫高磷化學(xué)鍍鎳的鍍液配方進(jìn)行了正交實(shí)驗(yàn)研究，在基本配方的基礎(chǔ)上，當(dāng)添加劑BTA 0.5mg/L，丁二酸 0.07mol/L，Ce(SO4)2· 4H2O 6mg/L時(shí)進(jìn)行中溫高磷化學(xué)鍍鎳時(shí)效果最好，鍍層磷含量 10.83%，鍍速達(dá)7.02μm/h。

（2）最佳工藝條件下所得鎳磷合金鍍層外觀平整，表面硬度高，當(dāng)鍍層厚度11μm時(shí)，顯微硬度（HV0.1）在500以上，同時(shí)具有較好的耐蝕性能，厚度17μm鍍層耐硝酸色變時(shí)間約5min。

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[1]蔣太祥,吳輝煌.化學(xué)鍍鎳–高磷合金的微觀結(jié)構(gòu)及晶化行為研究[J].高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報(bào),2001,22(6):976-979.

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[3]王福生,許蕓蕓,宋兵魁,等.化學(xué)鍍Ni–P合金工藝的研究[J].天津化工,2004,18(5):1-3.

[4]姜曉霞,沈偉.化學(xué)鍍理論與實(shí)踐[M].北京:國防工業(yè)出版社,2001:4-7,8-20,46-53,54-57,66-67,181-182.

[5]王勇.中溫高磷化學(xué)鍍鎳工藝的研究[D].華南理工大學(xué)大學(xué),2011.

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[7]俞宏英,孫冬柏,孟惠民,等.化學(xué)鍍鎳磷合金鍍層在68﹪硝酸中的腐蝕行為[A].第五屆全國化學(xué)鍍會(huì)議論文集[C].2000.