TiO2涂層與化學鍍Ni—P用于鑄件表面處理的研究

趙亞楠

（陜西廣播電視大學，陜西 西安 710119）

TiO2涂層與化學鍍Ni—P用于鑄件表面處理的研究

趙亞楠

（陜西廣播電視大學，陜西 西安 710119）

本文采用溶膠—凝膠法先在鑄件表面涂覆一層TiO2薄膜，再對鑄件進行化學鍍Ni—P處理。研究表明，TiO2涂層可以有效減小鑄件表面的孔隙率，彌補了Ni—P鍍層直接覆蓋在鑄件表面易產生針孔的缺陷。與現有的鑄件表面處理方法相比，本工藝改善了鑄件的耐腐蝕性，而且較大地提高了沉積速率。在不增加過多成本的情況下，還節約了能源。

TiO2薄膜；化學鍍Ni—P；孔隙；沉積速率；耐腐蝕性

隨著經濟全球化，中國企業面臨巨大的商機，給我國制造業帶來了空前的發展機遇。然而我國機械設備60%部件為鑄件，長久以來對鑄件的處理都以鍍鋅為主，對環境造成了嚴重的污染。同時金屬銹蝕問題也一直困擾著制造業的產品加工、運輸及儲存等。

低毒的化學鍍Ni—P，鍍層厚度均勻，鍍層性能優越，有較好的耐腐蝕性、耐磨性和較高的硬度，在石油化工、機械、電子等行業有較廣泛的應用[1]。化學鍍Ni—P為均勻的非晶態結構，不存在晶界、位錯、層錯的缺陷，且基體結合致密[2],耐腐蝕性比電鍍鉻要好。但由于其沉積速率慢、鍍層薄，表面容易產生針孔等缺陷。若鍍層存在與基體相通的孔隙時，腐蝕介質滲人到鍍層孔隙與基體金屬接觸，鍍層將成為微孔電池的陰極，基體金屬則構成這種電池的陽極而導致基體金屬加速腐蝕。

TiO2薄膜耐酸、耐堿，抗光腐蝕，為優良的耐腐蝕材料[3]。但TiO2薄膜大多用于光催化材料以降解有機物，而用于鋼鐵耐腐蝕性能的研究較少。本文在原有化學鍍 Ni—P工藝的基礎上增加了涂覆TiO2薄膜的工序，形成的TiO2薄膜有效填補了鑄件孔隙，有利于Ni—P鍍層與基體的完美結合，可提高耐腐蝕性和硬度。同時在進行化學鍍的過程中，TiO2表現出較高的催化性。

1 .實驗部分

材料與儀器：鑄件樣件，鈦酸丁酯，化學純；冰醋酸，分析純；無水乙醇，分析純；丙酮，分析純；硫酸鎳，分析純；次亞磷酸鈉，分析純；醋酸鈉，分析純；乳酸，分析純；氨基乙酸，分析純；葡萄酸鈉，分析純；硫脲，分析純；蒸餾水；氨水，化學純；5%NaCl溶液；5%HCL溶液；10%HCl溶液

恒溫磁力加熱攪拌器；RIM—2.8—10A型馬弗爐；電熱鼓風干燥箱；TN—100B型扭力天平（精度0.01g）；XJL—02A立式金相顯微鏡

工藝流程：

機械除銹→化學除油→水洗→涂覆TiO2薄膜→干燥→化學鍍Ni—P→水洗→干燥→熱處理

實驗步驟：

1.樣件預處理：先將樣件用砂輪打磨平整，用丙酮脫脂，蒸餾水清洗，最后放入乙醇中浸泡，備用。

2.TiO2溶膠的制備[4]：在48ml的鈦酸丁酯中加入8ml的冰醋酸，混合均勻至不再放熱后，在劇烈的攪拌下慢慢加入250ml水。繼續攪拌3小時至水解完全后，加入2ml70%的硝酸，加熱到80℃繼續攪拌2小時，得到半透明的膠體溶液。

3.TiO2薄膜的制備：將預處理的樣件浸入所得的膠體中，浸漬30s后以約5mm/s的速度提拉；濕涂層在100℃條件熱處理5分鐘后重復浸漬5次。所得涂層需先在100℃干燥箱中干燥30分鐘，再放入馬弗爐（400℃）內烘烤1小時（包括升溫時間），取出，在室溫下冷卻。最后得到涂有TiO2薄膜的鑄鐵樣件。

4.化學鍍Ni—P制備：根據樣件表面積確定出需要配制的鍍液體積和各組分的用量，用蒸餾水溶解。依次在燒杯中加入16.8g硫酸鎳、9.95ml乳酸、7.2g醋酸鈉、16.8g次亞磷酸鈉、0.48g硫脲、7.2g氨基乙酸和2.4g葡萄酸鈉；再攪拌過程中緩慢加入氨水，調節pH值為4.5～5[5]。將附有TiO2薄膜的樣件經鹽酸酸洗后放入鍍液中，用電爐加入并維持在80℃。保溫1小時后將試樣取出，干燥后得到附有TiO2薄膜的化學鍍Ni—P樣件。

2 .實驗結果與討論

2.1 沉積速率的測定

采用重量法，準確測定試樣施鍍前后的重量，按以下公式計算沉積速率：

式中W1、W2、分別表示施鍍前后試樣的重量，密度ρ取7.8g/cm3，A為試件表面積（cm2），t為施鍍時間（h）。

表1為不同工藝的沉積速率對比表，從表中可以看到先涂TiO2薄膜再鍍Ni—P的工藝能顯著提高沉積速率。

表1 不同工藝的沉積速率對比Tab. 1 The contrast of the deposition velocity of different techniques

2.2 耐腐蝕性能實驗結果對比及討論

將普通化學鍍層和先經 TiO2薄膜處理的化學鍍 Ni—P試樣浸泡在不同的化學介質中，測量其耐腐蝕性能。試驗結果見表2及圖1，可見在各種腐蝕液中經TiO2薄膜處理后的化學鍍層的耐腐蝕性均得到有效提高。

表2 浸泡實驗結果Tab. 2 The results of soaking tests

圖1 兩種不同工藝鍍層的耐腐蝕實驗對比Fig.1 The contrast between two different craft coatings of resistant to corrosion experiment

2.3 表面形貌觀測

將各種樣件用金相顯微鏡放大160倍觀察其表面結構，獲得如下的圖像。

圖2 未經任何處理的樣件Fig.2 The sample without any treatment

圖3 化學鍍Ni—P后的樣件Fig.3 The sample after chemical plating Ni-P

圖2是未經處理的樣件，圖3是化學鍍Ni—P后的樣件。由圖3可以看出化學鍍Ni—P對鑄件的表面處理不夠理想，對孔隙的填補很不充分。一旦腐蝕性物質從孔隙滲人基體，將會加快基體的腐蝕，化學鍍 Ni—P的防腐優勢得不到發揮。

圖4 附著TiO2薄膜的樣件Fig.4 The sample with TiO2thin film

圖5 附著TiO2薄膜的化學鍍Ni—P樣件Fig.5 The sample with chemical plating Ni-P and TiO2thin film

圖4是附著薄膜的樣件表面形貌，圖5是附著TiO2薄膜的化學鍍Ni—P樣件。由圖4可見附著薄膜的樣件表面已看不見孔隙，再經化學鍍處理后，鑄件試樣表面十分致密，可以達到鋼件化學鍍的效果。由于TiO2薄膜本身十分致密，硬度較高又有較強的防腐蝕性，鍍Ni—P后的硬度及防腐性可以達到國家標準的十級。

3 .結論

本實驗利用了 TiO2的致密性對鑄件進行了表面超精細加工，填補了基體表面的孔隙，再配合進一步的化學鍍 Ni—P，處理效果良好，甚至超過鍍鋅在處理鑄件方面的優勢。改進后的工藝僅在原有化學鍍Ni—P流程中添加一道TiO2涂層工序，操作簡單易行，不僅有利于鍍鎳技術改進，還有利于鍍鋅鍍鉻廠家利用原有設備進行工藝轉型。

另外在實驗中，TiO2在加大沉積速率方面所起的作用，完全不同于在降解有機物方面的光催化性。關于它的工作作用機理，我們將進一步研究討論。

[1] 周海暉. 化學鍍鎳磷溶液穩定性的研究[J]. 電鍍與環保，1999，1.

[2] 張而耕，王志文. 溶膠——凝膠法制備納米 TiO2超細粉末[J].機械工程材料，2002，3.

[3] 張永峰，崔朝霞，馬玲俊. 化學鍍鎳超載荷穩定性試驗[J]. 電鍍與環保，2001，4.

[4] 朱力群，吳俊. 化學鍍鎳層封孔新工藝的研究[J]. 電鍍與涂飾，2002，3.

Combination of TiO2coating technique and chemical Ni-P depositon in cast surface processing

ZHAO Ya-nan

In this study, A TiO2film is coated on the cast surface by the sol-gel method before the chemical depositon of Ni-P is conducted. The results show that the TiO2coating can effectively reduce the cavity density on the cast surface, and avoids the disadvantages of the direct Ni-P deposition method that is likely to produce pinholes.Compared with the existing methods of cast surface processing,the present technique is charaterized by the combination of the TiO2film with an excellent performance and the environment-protective Ni-P chemical deposition method.This technique not only improves the corrosion-resistance of the cast,but also increases the deposition rate considerably.On the premise of no rxtra cost, it economizes the energy resource.

TiO2film;Ni-P chemical deposition; cavities; deposition speed; corrosion-resistance

TQ

A

1008-7427（2011）07-0156-02

2011-04-20