電沉積Fe-Ni-Cr合金工藝的研究

楊 放, 謝發勤, 吳向清

（西北工業大學航空學院,陜西西安 710072）

電沉積Fe-Ni-Cr合金工藝的研究

楊 放, 謝發勤, 吳向清

（西北工業大學航空學院,陜西西安 710072）

在氯化物-硫酸鹽體系中,采用電沉積法在45#鋼基體上制備Fe-Ni-Cr合金鍍層,研究了電流密度、溫度及p H值對合金鍍層成分的影響。借助掃描電鏡、能譜儀、X射線衍射分析了合金鍍層的表面形貌、成分和相組成,采用電化學法和鹽霧實驗評價了鍍層的耐蝕性。結果表明:Fe-Ni-Cr三元合金鍍層均勻、致密、光滑,鍍層中Cr的質量分數為15.63%,Ni的質量分數為9.96%;在一定范圍內提高電流密度、鍍液的p H值和溫度可以增加鍍層中的Cr的質量分數,鍍層的耐蝕性也得到相應的提高。

電沉積;Fe-Ni-Cr合金;工藝;耐蝕性

0 前言

Fe-Ni-Cr合金具有優良的耐磨性和耐蝕性,光澤柔和,是理想的防護裝飾材料,也是一種高導磁材料,因此受到廣泛關注。用電沉積法制備 Fe-Ni-Cr合金鍍層,不僅具有冶煉法生產的同類合金的優點,同時還具有結構均勻、成分容易調整、硬度高、外表美觀、耐蝕性好、工藝簡單、操作方便、能耗小、成本低[1-4]等特點;且相較于六價鉻,三價鉻電沉積Fe-Ni-Cr合金具有毒性小、深鍍能力和均鍍能力好、結晶速率快、電流密度范圍寬、電流效率較高、可常溫操作等優點。

目前,電沉積Fe-Ni-Cr合金鍍層主要有4種體系,分別是氯化物體系、硫酸鹽體系、氯化物-硫酸鹽混合體系以及DMF-水溶液體系[5-8]。本文在氯化物-硫酸鹽混合體系下研究了電沉積工藝參數對合金鍍層中Cr的質量分數的影響以及鍍層耐蝕性與鍍層中Cr的質量分數的關系。

1 實驗

1.1 實驗材料

陽極為鎳板,陰極為45#鋼,試樣規格為30 mm×20 mm×3 mm。

1.2 實驗儀器

WYZ-8型直流穩壓電源（額定電壓0～50 V,額定電流0～7.5 A）,C32-A型電流表,JB25-W型恒溫玻璃水浴槽,PHS-3C型精密p H計,電子恒速攪拌機。

1.3 鍍液組成

鍍液組成:CrCl3·6H2O 120 g/L,ρNi2+∶ρFe2+=0.02,NaBr 20 g/L,H3BO340 g/L,檸檬酸 35 g/L,檸檬酸鈉30 g/L,潤濕劑、穩定劑、光亮劑均適量。試劑均為分析純,用去離子水配制鍍液。

1.4 測試方法

采用 Hitachi S-570型掃描電子顯微鏡和Kratosxsam 800型電子能譜儀對鍍層成分、微觀組織形貌進行分析。

采用SHIMADZU公司生產的XRD-7000型X射線衍射儀分析鍍層組織結構和鍍層腐蝕產物。主要參數為:衍射角2°,Cu靶,掃描范圍20°～80°,電壓40 kV,電流35 mA,掃描速率10°/min。

采用Parstat 2273型電化學工作站,在質量分數為3.5%的NaCl溶液中測定鍍層的極化曲線。采用三電極體系,其中工作電極為Fe-Ni-Cr合金鍍層,輔助電極為鉑片,參比電極為飽和甘汞電極。

利用SY/Q-750型鹽霧腐蝕試驗箱,采用銅鹽加速乙鹽霧實驗檢測鍍層的耐蝕性。

2 結果與討論

2.1 工藝條件對鍍層的影響

2.1.1 電流密度的影響

Fe-Ni-Cr合金鍍層的厚度隨著電流密度的增大幾乎成正比例增大。這是由于隨著電流密度增大,Fe-Ni-Cr合金電沉積的反應速率加快所致;但當電流密度過大（＞20 A/dm2）時,析氫副反應加劇,鍍層表面容易出現針孔和氣道,鍍層周邊高電流密度區更容易出現燒焦現象,導致鍍層的質量嚴重下降。

圖1為電流密度對鍍層中Cr的質量分數的影響。

圖1 電流密度對鍍層中Cr的質量分數的影響

由圖1可知:當陰極電流密度增大時,鍍層中Cr的質量分數增加。這是由于隨著電流密度的增加,陰極極化增大,有利于電位較負的金屬Cr的沉積。由此可見,電流密度對鍍層組成影響較大。

2.1.2 p H值的影響

p H值對鍍層的影響主要是由于其改變了金屬離子的化學結合狀態,對配位離子的組成和穩定性影響較大。

圖2為p H值對鍍層中Cr的質量分數的影響。由圖2可知:當p H值過低時,析氫反應占優勢,三價鉻幾乎不沉積,鍍液覆蓋能力差,鍍層灰白并破裂;隨著p H值逐漸升高,析氫反應受到的抑制作用增強,當p H值為2.0左右時,鍍層中Cr的質量分數達到最大值;當p H值超過2.0后,鍍層中Cr的質量分數隨p H值升高而逐漸下降。這是因為陰極擴散層內的三價鉻與溶液中的OH-容易發生羥橋基聚合反應,生成非常穩定的聚合物,使三價鉻很難從中脫逸出來,不利于Cr的電沉積。此外,當p H值為2.5左右時,鍍層厚度達到最大值。

圖2 p H值對鍍層中Cr的質量分數的影響

2.1.3 溫度的影響

圖3為溫度對鍍層中Cr的質量分數的影響。由圖3可知:當溫度較低時,鍍層中Cr的質量分數隨溫度升高而升高,當溫度高于32℃以后,鍍層中Cr的質量分數則出現下降趨勢。這是因為當溫度過低時,金屬離子的擴散速率較慢,槽電壓較高,不利于電化學反應的進行,鍍層色澤灰暗,四周有大面積灰黑色物質產生,不適合于Fe-Ni-Cr合金鍍層的形成。而當溫度過高后,一方面使電化學極化減小,不利于電位較負的三價鉻沉積;另一方面降低了氫析出的過電位,陰極析氫加劇,p H值升高,加速了三價鉻的羥橋基化反應,阻礙了三價鉻的電沉積。同時,溫度過高,鍍液揮發損失嚴重,也不利于金屬的電沉積。

圖3 溫度對鍍層Cr的質量分數的影響

經過上述分析討論,最終確定鍍液的組成及工藝條件為:p H值 1.8,20 A/dm2,30°C。

2.2 鍍層性能測試

2.2.1 鍍層形貌

圖4為采用優化工藝制備得到的Cr的質量分數為15%的Fe-Ni-Cr合金鍍層的表面形貌。由圖4可知:鍍層表面由均勻、致密的球形晶粒組成,沒有明顯的凸起或凹陷。

圖4 優化工藝制備所得Fe-Ni-Cr合金鍍層的表面形貌

2.2.2 鍍層成分與結構

圖5為采用優化電鍍工藝制備得到的Fe-Ni-Cr合金鍍層的EDS圖。由圖5可知:Fe-Ni-Cr合金鍍層中Cr的質量分數為15.63%,鎳的質量分數為9.69%。

圖5 優化工藝后制備所得Fe-Ni-Cr合金鍍層EDS圖

圖6為采用優化電鍍工藝制備得到的Fe-Ni-Cr合金鍍層的XRD圖。圖中沒有發現金屬Cr的衍射峰,鍍層是以 Fe-Ni-Cr固溶體形式存在的,在2θ為44.645°和64.975°附近出現明顯的衍射峰,表明其為晶體結構,對應面為（110）和（200）。

圖6 優化工藝后制備所得Fe-Ni-Cr合金鍍層的XRD圖

2.2.3 電化學腐蝕實驗

圖7和表1分別為在質量分數為3.5%的NaCl溶液中測定45#鋼基體和不同成分 Fe-Ni-Cr合金鍍層的極化曲線及其自腐蝕電流密度和開路電位。可以看出:Fe-Ni-Cr合金鍍層與基體相比,開路電位正移,自腐蝕電流密度減小,說明合金鍍層提高了基體的耐蝕性;當鍍層中 Cr的質量分數為15.63%時,自腐蝕電流密度最小,為7.943μA/dm2,鍍層耐蝕性能最好。

圖7 不同成分的Fe-Ni-Cr合金鍍層的極化曲線

表1 Fe-Ni-Cr合金鍍層的自腐蝕電流密度與開路電位

2.2.4 銅鹽加速乙酸鹽霧實驗（CASS）

Fe-Ni-Cr合金鍍層經銅鹽加速乙酸鹽霧實驗（CASS）后出現銹蝕的時間,如表2所示。由表2可知:隨鍍層中Cr的質量分數的提高,鍍層出現銹蝕的時間延長。這與電化學腐蝕實驗的結果相符。

表2 Fe-Ni-Cr合金鍍層出現銹蝕時間

3 結論

通過以上分析和討論,得到以下結論:

（1）采用優化的配方和工藝條件,可以在45#鋼上沉積出Cr的質量分數為15.63%、Ni的質量分數為9.69%的Fe-Ni-Cr三元合金鍍層。

（2）Fe-9.69Ni-15.63Cr三元合金鍍層結晶細致,表面光潔、無裂紋。

（3）Fe-Ni-Cr三元合金鍍層可以明顯改善45#鋼的耐蝕性,且鍍層中Cr的質量分數的升高有利于提高鍍層的耐蝕性。

[1] 馬正青,黎文獻,肖于德,等.電沉積 Fe-Ni-Cr合金工藝參數對鍍層鉻含量的影響[J].材料保護,2000,33（6）:417-419.

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A Study of Fe-Ni-Cr Alloy Electroplating Process

YANG Fang, XIE Fa-qin, WU Xiang-qing

（School of Aeronautics,Northwestern Polytechnic University,Xi’an 710072,China）

A Fe-Ni-Cr alloy coating was electroplated on 45#steel substrate in chloride-sulfate system.The effects of current density,temperature and p H on the composition of the deposit were investigated.The surface morphology,components and phase composition of the coating were analyzed by scanning electron microscope（SEM）,energy dispersive spectrometer（EDS）and X-ray diffraction（XRD）.The corrosion resistance of the coating was evaluated by electrochemical and salt spray tests.The results show that the Ni-Fe-Cr alloy coating is uniform,compact and smooth.The mass fractions of Cr and Ni in the coating are 15.63%and 9.96%respectively.The mass fraction of Cr in the coating can be increased when current density,bath p H and bath temperature are raised within a certain range,which can improve the corrosion resistance ofthe coating correspondingly.

electroplating;Fe-Ni-Cr alloy;process;corrosion resistance

TQ 153

A

1000-4742（2011）03-0014-04

2010-09-13