[摘　要]在45#鋼表面先電鍍高硫鎳,再化學鍍Ni-P合金鍍層獲得電鍍/化學鍍雙層鎳,并制備了單

一化學鍍Ni-P合金層進行對比。采用中性鹽水、酸性鹽水和濃鹽酸浸泡實驗考查了鍍層的耐蝕性能,采用熱震實驗和銼刀實驗考查了鍍層的結合強度,并分析了鍍層的表面形貌和硬度。結果表明:電鍍/化學鍍雙層鎳在較薄時就具有與單層Ni-P合金鍍鎳層相當?shù)哪臀g性能,且與鋼基體結合良好。

隨著化學鍍鎳關鍵技術的突破,化學鍍非晶態(tài)Ni-P合金在國內(nèi)外許多行業(yè)普遍使用,特別是在石油與天然氣行業(yè)的廣泛運用收到了良好的效果?；瘜W鍍Ni-P合金對鋼鐵材料只有在鍍鎳層絕對完好(即無空隙)的情況下才能起到保護作用,倘若存在孔隙等缺陷,鍍鎳層與缺陷中的基體就會形成腐蝕電池而使得基體被腐蝕,此時鍍鎳層對基體不但沒有保護作用,反而會加速其腐蝕?；谏鲜鲈?文獻報道的化學鍍Ni-P合金鍍層一般厚為30~75μm[1],其目的是減少孔隙等缺陷,但無疑增加了生產(chǎn)成本。雖有文獻報道采用雙層化學鍍鎳來降低厚度,但其生產(chǎn)成本與單層Ni-P鍍鎳層幾乎沒有區(qū)別[2]。

筆者提出先電鍍鎳層,再化學鍍Ni-P合金層的方法,其目的是充分利用電鍍鎳層和化學鍍Ni-P合金層的優(yōu)點,獲得較薄且性能好的鍍鎳層,以降低生產(chǎn)成本。文中將從其耐蝕性、物理特性等方面進行探討。

1·電鍍/化學鍍雙層鎳的沉積機理

化學鍍Ni-P合金沉積過程是一個異相自催化反應過程,過程機理十分復雜,目前尚不清楚全部細節(jié)。比較普遍承認的反應機理是由G.Guzteit在前人實驗基礎之上提出的氫自由基機理,可描述為:首先,還原劑H2PO2在催化或加熱的條件下化學吸附在Ni的表面上,P—H鍵斷裂生成氫自由基;之后,Ni2+被還原成Ni,氫自由基和H2PO2相互作用而析出P,同時放出氫氣[3]。沉積的鎳膜具有自催化性,可使反應繼續(xù)下去,即Ni沉積在鍍件表面發(fā)生自催化。反應過程的基本步驟為:反應物(Ni2+,H2PO2等)向工件表面擴散→反應物在催化表面上吸附→在催化表面上發(fā)生化學反應→副產(chǎn)物(H+,H2,H2PO3等)從表面層脫附→副產(chǎn)物擴散離開表面。

2·實驗

2.1　鍍鎳工藝

文中涉及的是電鍍高硫鎳/化學鍍鎳(高磷)。所用基材為若干100 mm×50 mm×1 mm的45#鋼,頂端打孔。電鍍/化學鍍雙層鎳樣品的制備工藝流程為:除油→水洗→酸洗→水洗→活化→水洗→電鍍鎳→水洗→活化→水洗→化學鍍Ni-P→水洗→干燥→封閉。為作比較,實驗中還制備了單一化學鍍Ni-P層。電鍍鎳(高硫)配方為:硫酸鎳90~110 g/L,檸檬酸90~110 g/L,硼酸30~40 g/L,市售添加劑5~8 g/L。電鍍時,控制pH值為5.0~6.0,溫度為40~55℃?；瘜W鍍Ni-P合金鍍液采用市售成品,由1份主鹽HA劑、1份還原劑HB、2份蒸餾水配制而成,鍍層磷含量為7%~13%(文中的百分數(shù)均為質量分數(shù))?；瘜W鍍時,控制pH值4.0~4.8,溫度82~88℃。

2.2　性能檢測

1)用DMI5000電子掃描顯微鏡放大1 000倍觀察樣品的形貌。

2)用5%NaCl中性溶液、pH=3的5%NaCl酸性溶液(用醋酸調整)和37.5%濃鹽酸對樣品進行浸泡,記錄開始出現(xiàn)銹點的時間,以分析鍍層的耐蝕性。

3)參照GB/T 13913—1992,采用熱震實驗和銼刀實驗評價雙層鎳鍍層的結合強度。熱震實驗是將試片加熱至(300±10)℃保溫1 h,之后在室溫下于自來水中淬火冷卻。銼刀實驗中銼鍍層時,銼刀與鍍層呈45°,銼去鍍層,露出基體金屬/鍍層的界面。4)按GB/T 13913—1992標準評價鍍層硬度。

3　實驗結果與分析

3.1　形貌觀察與分析

圖1a為直接化學鍍Ni-P合金層的形貌,鍍層厚30μm;圖1b為電鍍/化學鍍雙層鎳形貌,電鍍鎳層厚5μm,化學鍍Ni-P合金層厚8μm。

從圖1可見,化學鍍Ni-P合金層的表面形貌為典型的“菜花狀”,表面致密且無缺陷,電鍍/化學鍍雙層鎳則更加平整、致密。兩種鍍鎳層都是由細小的球形顆粒密集而成,顆粒之間存在縫隙。電鍍/化學鍍雙層鎳的表面質量要比化學鍍Ni-P合金層好,是因為在具有自催化活性的Ni表面進行化學鍍Ni-P合金,更利于Ni-P合金的形核,因此鍍層更加致密、細小[4]。

3.2　耐蝕性分析

電鍍/化學鍍雙層鎳在中性鹽水、酸性鹽水和濃鹽酸中浸泡的結果見表1。

表1數(shù)據(jù)表明,電鍍/化學鍍雙層鎳總厚度只有10μm左右,約為單層Ni-P鍍層的1/3,但其耐蝕性能與單層Ni-P合金層相當。這主要是因為:一方面,電鍍高硫鎳層含有0.1%~0.15%的硫,且有微孔隙,化學鍍Ni-P有填補孔隙的作用,并且兩鍍鎳層分界面上的硫、磷元素形成穩(wěn)定的S—P鍵,這種原子鍵有極強的修復能力,使受到腐蝕破壞的兩鍍層界面得到修復[5],從而延緩了局部腐蝕的發(fā)生;另一方面,表層的Ni-P合金層存在孔隙,由于電鍍高硫鎳層與Ni-P合金層電位差別小,使得陰極電流密度小而減緩腐蝕速度[6],所以基體點蝕被抑制,從而也有效地防止了基體局部腐蝕的發(fā)生。

3.3　物理性能分析

化學鍍Ni-P合金(厚度30μm)和電鍍/化學鍍雙層鎳(一種電鍍層5μm,化學鍍層8μm;另一種電鍍層3μm,化學鍍層9μm)試片經(jīng)熱震實驗后,鍍層均未產(chǎn)生起泡、脫落現(xiàn)象;經(jīng)銼刀實驗后,鍍層不起皮。Ni-P合金層鍍態(tài)硬度為450~550HV,熱處理后,硬度可達850~950HV以上[3]。一般而言,單層Ni-P合金層熱處理后,其耐蝕性能會降低[1]。電鍍/化學鍍雙層鎳熱處理時,其底層的硫與外層的磷元素相對析出,在分界面有富余,形成三元合金組織,在某些溫度下,三元合金形成耐蝕性能較強的合金組織[5]。由于三元合金組織的形成,電鍍/化學鍍雙層鎳熱處理后,其硬度略有上升。

4·實踐經(jīng)驗

電鍍高硫層的厚度不應太厚,也不應太薄,太厚則應力過大,易起皮,太薄起不了防腐蝕作用,一般在4~8μm為宜,且應均勻。電鍍過程中可適當加溫和使陰極移動。電鍍鎳完成后應立即化學鍍Ni-P合金,化學鍍Ni-P合金時需采用特殊的洗滌、活化工藝,不然鍍件會產(chǎn)生漏鍍、暗紋等缺陷。

由于化學鍍鎳溶液呈酸性,鋼件基體在鍍的過程中易溶解,造成溶液污染,有電鍍鎳作底層,幾乎不會溶解鋼鐵基體,且鎳離子更易于沉積,使得化學鍍鎳層平整性更好、孔隙率更低,從而提高了化學鍍鎳層的完整性。

5·結語

電鍍/化學鍍雙層鎳在較薄時就具有與單層Ni-P合金鍍層相當?shù)哪臀g性能,且其成本降低一半以上。根據(jù)電鍍/化學鍍雙層鎳技術性能和經(jīng)濟特點,它將比單層Ni-P合金具有更廣泛的應用前景。