四硼酸钠对化学镀镍磷非晶镀层镀速及耐蚀性能的影响.pdf

文章编号: ( ) 四硼酸钠对化学镀镍磷非晶镀层镀速及耐蚀性能的影响 张庆乐, 付传起, 雍帆, 骆旭梁, 王宙 ( 大连大学 物理学院表面工程中心, 辽宁 大连 ;大连大学 机械工程学院, 辽宁 大连 ) 摘要:采用化学镀的方法在 碳钢试样表面制 备了四硼酸钠( 硼砂) 促进N i P沉积的非晶镀层.利 用扫描电子显微镜和X射线观察及分析了镀层的表 面形貌与表面结构, 研究了四硼酸钠的浓度对非晶镀 层的表面形貌、 沉积速率、 P含量、 孔隙率以及耐蚀性 能的影响.结果表明, 添加一定量的四硼酸钠能使镀 层晶粒更加细化, 分布更为均匀, 镀层的沉积速率有很 大的提高.随着四硼酸钠含量的增加, 沉积速率逐渐 升高, 而镀层中的磷含量逐渐降低.当四硼酸钠的含 量超过 g /L时, 镀液的稳定性会大大的降低; 镀速 达到最大值 m/h; 磷含量最低为 .四硼 酸钠的加入对镀层的耐蚀性影响不大, 但可以提高沉 积速率从而提高镀层的使用周期, 具有很好的经济效 益和使用价值. 关键词:化学镀N i P非晶镀层; 四硼酸钠; 耐蚀性; 镀速 中图分类号:T G 文献标识码: A D O I: / j i s s n 引言 化学镀N i P合金镀层是一种有效的耐蚀镀层, 其 硬度强度较高、 结合强度高、 耐磨耐蚀性能好, 因而在 石油、 机械、 电子、 航空等领域得以广泛应用 .在这 种镀层中, 当P含量的逐渐增加时, 镀层会逐步由晶态 向非晶态转变, 如此镀层的耐蚀效果也会越来越好. 然而P含量的增加会导致镀层的镀速逐渐降低, 造成 镀层厚度减少, 因而大大降低了镀层耐蚀性能 .四 硼酸钠可以充当辅助络合剂, 起到提高化学镀N i P合 金镀层镀速的作用 . 为了获得综合性能优异的镍磷非晶镀层, 本文在 高磷合金镀层的工艺基础上, 通过添加不同浓度的四 硼酸钠, 研究不同四硼酸钠浓度对镀层表面形貌、 镀层 镀速和镀层磷含量、 镀层孔隙率及镀层耐蚀性能的影 响, 并确定了最佳工艺参数. 实验 材料 实验选用尺寸为 mm mm mm的 碳钢片作为化学镀基体材料. 工艺流程 工艺流程为抛光打磨除油水洗除锈水洗 活化水洗化学沉积水洗烘干. 镀液组成与工艺条件 镀液组成包括硫酸镍(N i S O HO) g /L、 次亚磷酸钠(N a HP OHO) g /L、 乙酸钠 (N a C HO) g /L、 柠檬酸(C HOHO) g /L、 四硼酸钠(N a BO HO) g /L. 镀液 p H 值为 , 恒温水浴温度控制在 之间, 施镀时间为h.施镀完毕取出试片用去离子水 清洗后烘干. 性能分析 S EM、D E S、X R D 利用S EM(S U 日 立 高 新 技 术 公 司) 、E D S ( S U 日立高新技术公司) 、X R D(D X 日本岛 津公司) 分析镀层的表面形貌和组织结构( 各设备型号 和参数) . 镀速 由增重法测定称量覆镀前后试样的质量, 以单位 时间内的增重作为沉积速率.计算式为 M M tA ( ) 式中,为镀速, m /h;M、M分别为试样镀前、 镀后的质量, g;t为施镀时间,h;A为试样表面积, c m ; 为化学镀镍层密度, 取 g /c m . 镀层的孔隙率 采用蓝点法测量镀层的孔隙率.室温下, 把在 g /LK F e(C N) 和 g /LN a C l溶液中浸泡后 的滤纸贴在试样表面, m i n后检查单位面积滤纸上 的蓝褐色斑点数( 个/c m ) . 镀层的腐蚀速率 将试片分别置于 ( 质量分数)N a C l、( 质 量分数)HC l和( 质量分数) HC l溶液中浸泡 h 进行腐蚀实验, 第次在 h时取出, 而后每隔 h 取出通过天子天平进行称重, 利用失重法, 据公式计算 出镀层的平均腐蚀速率 年第期( ) 卷 基金项目: 中国石油科技创新基金资助项目( D ) 收到初稿日期: 收到修改稿日期: 通讯作者: 付传起,E m a i l: f c h q c o m 作者简介: 张庆乐( ) , 男, 山东菏泽人, 在读硕士, 师从王宙教授、 付传起副教授, 从事材料表面改性研究. v m Sh ( ) 式中,v为镀层的腐蚀速率,mm/a;m为镀层腐 蚀前后样品的质量差, g;S为样品的表面面积,c m ; 为化学镀镍层密度, 取 g /c m ) ; h为腐蚀时间. 实验结果与讨论 N i P非晶镀层的表面形貌 图所示(a) (f) 分别表示四硼酸钠浓度在, , ,和 g/L时 复 合 镀 层 的 表 面 形 貌 ( ) .由图可以看出, 与未添加四硼酸钠的镀 层( 图(a) ) 相比, 加入四硼酸钠后化学镀N i P非晶镀 层( 图(b) (f) ) 中粒子分布均匀且粒度细小. 图为四硼酸钠浓度为g/L时镀层的能谱图 样.由图可以看出, 添加四硼酸钠后非晶镀层中含 有N i、P元素, 表明镀层中含有N i、P元素.而在图样 中并未发现B所对应的峰, 说明四硼酸钠只是起到促 进剂的作用并不参与直接反应.从镀层的X R D( 图) 可以看出, 添加四硼酸钠浓度为g/L的镀层的X R D 峰在为 之间, 具有宽阔的“ 馒头包” 状弱衍 射峰, 说明通过添加四硼酸钠镀层为非晶结构. 图不同浓度的四硼酸钠的扫描电镜图 F i gS EMi m a g e so f t h es a m p l e sw i t hd i f f e r e n t s o d i u mt e t r a b o r a t e 图四硼酸钠浓度为g/L镀层的能谱图 F i gE D A Xs p e c t r ao f t h e c o m p o s i t e c o a t i n gw i t hs o d i u mt e t r a b o r a t ec o n c e n t r a t i o no f g /L 镀液中不同含量的四硼酸钠对镀速及磷含量的 影响 图示出四硼酸钠的浓度对镀速的影响曲线.由 图可知, 四硼酸钠的加入明显提高了沉积速率.随 着四硼酸钠浓度的增加, 沉积速率呈现出逐渐升高的 变化趋势. 图四硼酸钠浓度为g/L镀层的X射线衍射图 F i gX R Dp a t t e r n so f t h e c o m p o s i t e c o a t i n gw i t hs o d i u mt e t r a b o r a t ec o n c e n t r a t i o no f g /L 四 硼 酸 钠 能 提 高 镀 速 的 原 因 是 由 于 还 原 剂 HP O中氧原子可被一种外来的酸根取代而形成配 位化合物, 或者说四硼酸钠的催化作用是由于形成了 杂多酸, 在空间位阻作用下使HP键能减弱, 从而有 利于次 磷 酸 根 离 子 脱 氢. 四 硼 酸 钠 的 浓 度 超 过 g/L时, 沉积速度升高的趋势有所减缓.根据大量 的实验发现, 当四硼酸钠的含量超过 g /L时, 由于溶 张庆乐 等: 四硼酸钠对化学镀镍磷非晶镀层镀速及耐蚀性能的影响 液的稳定性大大降低, 镀液极易失效而导致无法沉积镍 磷镀层.所以, 四硼酸钠的含量最大值为 g /L. 图四硼酸钠的浓度对镀速的影响曲线 F i gC u r v e so fe f f e c to fs o d i u mt e t r a b o r a t ec o n c e n t r a t i o no nd e p o s i t i o nr a t ec o n t e n to ft h ec o a t i n g s 图为四硼酸钠的浓度对磷含量的影响曲线.由 图可以看出, 随着四硼酸钠加入量的增加, 镀层中的 磷含量逐渐降低.这主要是因为镀层的沉积速率较快 导致磷的沉积速率相对降低( 非晶镀层中P沉积相对 于N i沉积比较困难) 的原因.当四硼酸钠的含量为 g/L时, 磷含量最低为 , 而化学镀镀层的磷 含量超过时为非晶镀层 .所以在镀液中加入一 定量的四硼酸钠并不影响非晶形态. 图四硼酸钠的浓度对P含量的影响曲线 F i gC u r v e so fe f f e c to fs o d i u mt e t r a b o r a t ec o n c e n t r a t i o no nPc o n t e n to f t h ec o a t i n g s 镀液中四硼酸钠的浓度对孔隙率的影响 图示出四硼酸钠的浓度对孔隙率的影响曲线. 图四硼酸钠的浓度对孔隙率的影响曲线 F i gC u r v e so fe f f e c to fs o d i u mt e t r a b o r a t ec o n c e n t r a t i o no np o r o s i t yo f t h ec o a t i n g s 由图可知, 四硼酸钠的加入对孔隙率的影响不 大.随着四硼酸钠含量的增加镀层的孔隙率略有上 升.当四硼酸钠含量为g/L时, 镀层的孔隙率为最 小值 ( 个/c m ) ; 当四硼酸钠含量为 g /L时, 镀 层的孔隙率达到最大值 ( 个/c m ) .这是由于随 着四硼酸钠含量的增加, 镀层的沉积速率不断增加导 致N i P粒子重新在N i P粒子上附着过快产生的. 镀液中四硼酸钠的浓度对腐蚀性的影响 图示出四硼酸钠的浓度对腐蚀性的影响曲线. 由图可知四硼酸钠的加入对腐蚀速率影响很小, 镀 层的腐蚀速率具有稳定性.这是因为随着四硼酸钠含 量的增加, 镀层中磷含量最低值为 , 镀层仍为非 晶镀层.而非晶镀层具有很好的耐蚀性, 同时由于镀 层具有较低的孔隙率, 所以镀层在HC l、 HC l、 N a C l溶液中不会产生局部腐蚀.四硼酸钠的加入 对腐蚀速率影响很小, 腐蚀速率具有很好的稳定性. 在HC l溶液中腐蚀速率较快为每年 mm, 在 N a C l中腐蚀速度很慢为每年 mm. 图四硼酸钠的浓度在不同溶液中腐蚀速率的影响 曲线 F i gC u r v e so fe f f e c to fs o d i u mt e t r a b o r a t ec o n c e n t r a t i o no nr a t eo fc o r r o s i o no ft h ec o a t i n g si n d i f f e r e n t s o l u t i o n 结论 ( )镀液中加入四硼酸钠可以提高镀速.随着 四硼酸钠含量的增加, 镀层的沉积速率逐渐增加.当 四硼酸钠含量达到 g /L时, 镀层的沉积速率上升 的趋势有所减缓; 当四硼酸钠含量超过 g /L时, 镀 液的稳定性大大降低.根据镀液的稳定性、 腐蚀速率、 镀速等因素综合考虑四硼酸钠含量为g/L时效果最 优. ( )镀液中加入四硼酸钠后, 镀层的磷含量具有 降低的趋势.但是镀层的最低磷含量为 镀层仍 然为非晶镀层.随着四硼酸钠含量的增加, 镍磷镀层 的孔隙率略有升高. ( )镀液中加入四硼酸钠镀层的腐蚀速率基本 不变.通过添加四硼酸钠可以提高镀层镀层的沉积速 率, 从而增加镀层的厚度, 提高了镀层是使用年限. 参考文献: G uC,L i a nJ,L iG,e t a l H i g hc o r r o s i o n r e s i s t a n tN i P/ N i/N i Pm u l t i l a y e r c o a t i n g so ns t e e lJ S u r f a c e I n s t i t u t eo fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g,D a l i a nU n i v e r s i t y,D a l i a n ,C h i n a) A b s t r a c t:S o d i u mt e t r ab o r a t e(b o r a x)p r o m o t e dN i Pa m o r p h o u s c o a t i n gw e r ep r e p a r e do n t h e c a r b o ns t e e l s s p e c i m e n sb ye l e c t r o l e s sd e p o s i t i o n T h es u r f a c em o r p h o l o g ya n ds t r u c t u r eo ft h ec o a t i n g sw e r ea n a l y z e db y s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e(S EM)a n dX r a yd i f f r a c t i o n,a n dt h ed e p o s i t i o nr a t e s,t h ee l e m e n to fPc o n t e n t, p o r o s i t y i nt h ec o a t i n ga n dt h ef o u l i n gr a t e so ft h ec o m p o s i t ec o a t i n g sw e r ei n v e s t i g a t e d T h er e s u l t si n d i c a t e t h a ta d d e ds i g n i f i c a n t l ys o d i u mt e t r ab o r a t e i n t o t h eb a t h i n c r e a s e dd e n s i t yo f c o a t i n ga n dd e p o s i t i o nr a t e s W i t h t h e i n c r e a s i n gS o d i u mt e t r ab o r a t e c o n t e n t,t h ed e p o s i t i o nr a t e sh a s a r i s i n g t r e n d,g r a d u a l l y t h e t r e n do fPc o n t e n t r e d u c e Wh e nt h ec o n t e n to f s o d i u mt e t r ab o r a t e i s l a r g e r t h a ng/Ls o l u t i o no f s t a b i l i t yw i l lb eg r e a t l y r e d u c e d T h ec o n t e n to f s o d i u mt e t r ab o r a t ew a sg/Lp l a t i n gs p e e dt oam a x i m u mo f m/h,a n dt h e c o n t e n to fPw a s T h ea d d i t i o no fS o d i u mt e t r ab o r a t eh a s l i t t l ee f f e c to nt h ec o r r o s i o nr e s i s t a n c eo f t h e c o a t i n g I nc o n t r a s t,t h e i n c r e a s i n go f p l a n t i n gs p e e d t h a t c a n i m p r o v e t h e c y c l eo f c o a t i n gm a k e sb e t t e r e c o n o m i ce f f i c i e n t a n du s i n gv a l u e K e yw o r d s:e l e c t r o l e s sd e p o s i t i o nN i Pa m o r p h o u s c o a t i n g;s o d i u mt e t r ab o r a t e;c o r r o s i o nr e s i s t a n c e;p l a n t i n g s p e e d 张庆乐 等: 四硼酸钠对化学镀镍磷非晶镀层镀速及耐蚀性能的影响