NdFeB永磁體化學(xué)鍍Ni-Cu-P合金的研究

王憨鷹， 李成榮， 李增生， 陳煥銘

（1.榆林學(xué)院 能源工程學(xué)院，陜西 榆林719000；2.寧夏大學(xué) 物理電氣信息學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

NdFeB永磁體化學(xué)鍍Ni-Cu-P合金的研究

王憨鷹1， 李成榮1， 李增生1， 陳煥銘2

（1.榆林學(xué)院 能源工程學(xué)院，陜西 榆林719000；2.寧夏大學(xué) 物理電氣信息學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

在NdFeB永磁體表面化學(xué)鍍Ni-Cu-P合金鍍層，研究了鍍液配方對(duì)鍍層性能的影響。結(jié)果表明：鍍層表面形貌呈致密的胞狀結(jié)構(gòu)，Ni，Cu，P元素分布均勻；隨著鍍層中Cu和P的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化，鍍層結(jié)構(gòu)分別由晶態(tài)、混晶態(tài)和非晶態(tài)組成；晶態(tài)鍍層的硬度最高、結(jié)合力最好，非晶態(tài)鍍層的耐蝕性最好。

化學(xué)鍍；Ni-Cu-P合金；NdFeB永磁體

0 前言

NdFeB永磁體具有飽和磁化強(qiáng)度和矯頑力高、磁能積大、機(jī)械性能好等優(yōu)點(diǎn)，目前已在許多領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用［1－3］。但NdFeB永磁體存在耐蝕性差的缺點(diǎn)。工業(yè)上對(duì)NdFeB永磁體的防腐主要是在其表面化學(xué)鍍Ni-P合金鍍層，但Ni-P合金鍍層容易出現(xiàn)鼓泡、脫落等現(xiàn)象［4－5］。化學(xué)鍍非晶態(tài)Ni-Cu-P合金鍍層具有硬度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、耐蝕性及耐磨性好等特點(diǎn)，可成為NdFeB永磁體防護(hù)的一種重要手段［6－7］。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用的基體材料為NdFeB燒結(jié)永磁體，其主要成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：Fe 66%，Nd 33%，B 1%。試樣規(guī)格為20mm×10mm×10mm。

1.2 工藝流程

1.3 主要工序說明

（1）試樣打磨

將試樣分別用100＃，200＃，400＃，600＃，800＃的砂紙打磨。

（2）封孔

將硬脂酸鋅加熱至150～160℃，使其呈熔融狀態(tài)，然后放入試樣，加壓浸漬，經(jīng)一定時(shí)間后取出。

（3）化學(xué)除油

NaOH 10g／L，Na3PO4·12H2O 70g／L，Na2CO350g／L，pH 值9～10，80℃，3～5min。

（4）酸洗

質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的 HNO340mL／L，硫脲1mg／L，pH值4～5，室溫，20～30s。

（5）活化

磺基水楊酸20～25g／L，氟化氫銨10～15 g／L，室溫，30～40s。

1.4 鍍液配方及工藝條件

配方1：硫酸鎳25g／L，硫酸銅0.2g／L，次磷酸鈉20g／L，檸檬酸鈉48g／L，硫酸銨50g／L，穩(wěn)定劑 微量，光亮劑 微量，pH值9～10，80℃，1h。所得鍍層用鍍層1表示。

配方2：硫酸鎳25g／L，硫酸銅0.4g／L，次磷酸鈉35g／L，檸檬酸鈉48g／L，硫酸銨50g／L，穩(wěn)定劑 微量，光亮劑 微量，pH值9～10，80℃，1h。所得鍍層用鍍層2表示。

配方3：硫酸鎳25g／L，硫酸銅0.6g／L，次磷酸鈉30g／L，檸檬酸鈉48g／L，硫酸銨50g／L，穩(wěn)定劑 微量，光亮劑 微量，pH值9～10，80℃，1h。所得鍍層用鍍層3表示。

配方4：硫酸鎳25g／L，硫酸銅0.8g／L，次磷酸鈉20g／L，檸檬酸鈉48g／L，硫酸銨50g／L，穩(wěn)定劑 微量，光亮劑 微量，pH值9～10，80℃，1h。所得鍍層用鍍層4表示。

配方5：硫酸鎳25g／L，硫酸銅1.0g／L，次磷酸鈉20g／L，檸檬酸鈉48g／L，硫酸銨50g／L，穩(wěn)定劑 微量，光亮劑 微量，pH值9～10，80℃，1h。所得鍍層用鍍層5表示。

配方6：硫酸鎳25g／L，硫酸銅1.2g／L，次磷酸鈉35g／L，檸檬酸鈉48g／L，硫酸銨50g／L，穩(wěn)定劑 微量，光亮劑 微量，pH值9～10，80℃，1h。所得鍍層用鍍層6表示。

1.5 性能測(cè)試

采用SSX-550型掃描電子顯微鏡觀察鍍層的表面形貌。采用D／MAX 2200PC型X射線衍射儀分析鍍層的結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面形貌

圖1為基體的表面形貌。由圖1可知：在基體表面存在許多劃痕，這些劃痕是用砂紙打磨試樣時(shí)留下的。

圖1 基體的表面形貌

圖2 硫酸銅的質(zhì)量濃度對(duì)鍍層表面形貌的影響

圖2為硫酸銅的質(zhì)量濃度對(duì)鍍層表面形貌的影響。由圖2可知：硫酸銅的質(zhì)量濃度為0.2g／L時(shí)，鍍層表面為均勻、致密的胞狀結(jié)構(gòu)，胞狀物的平均尺寸約為0.5μm；硫酸銅的質(zhì)量濃度為0.4g／L時(shí)，鍍層表面較為光滑、平整，表面分布有少量尺寸為10～30μm的胞狀物；硫酸銅的質(zhì)量濃度分別為0.6 g／L，0.8g／L和1.0g／L時(shí)，鍍層表面均勻、致密，胞狀物的平均尺寸更加細(xì)小，分別為0.1μm，0.25 μm和0.3μm；硫酸銅的質(zhì)量濃度為1.2g／L時(shí)，鍍層表面光滑、致密，表面分布有較多平均尺寸約為3 μm的胞狀物。在施鍍后期，隨著形核率的增加，鍍層表面出現(xiàn)較多中等尺寸的胞狀物，這可能是由于鍍液中Cu2＋的質(zhì)量濃度過高，不能完全被配位而在鍍層表面置換析出所致。

2.2 結(jié)構(gòu)及成分

六種鍍層的XRD譜圖，如圖3所示。由圖3可知：鍍層1的衍射圖中出現(xiàn)了Ni（111）和（200）兩個(gè)主峰，且強(qiáng)度較高，表明鍍層1為晶態(tài)結(jié)構(gòu)的Ni固溶體（含Cu和P元素）；鍍層2的衍射圖中出現(xiàn)了“饅頭”狀的衍射峰，表明鍍層2為典型的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)；鍍層3，鍍層4，鍍層5和鍍層6既不是完全的非晶態(tài)也不是完全的晶態(tài)，而是由非晶相和晶相組成的“微晶”結(jié)構(gòu)，稱之為“混晶態(tài)”。

圖3 鍍層的XRD譜圖

由鍍層的XRD譜圖還可以發(fā)現(xiàn)：非晶態(tài)結(jié)構(gòu)和混晶態(tài)結(jié)構(gòu)鍍層的衍射圖中，只有Ni的（111）面所對(duì)應(yīng)的衍射峰表現(xiàn)得較為明顯；晶態(tài)鍍層的衍射圖中，也只出現(xiàn)了Ni（111）和（200）兩個(gè)衍射峰，而磷和銅的衍射峰都沒出現(xiàn)，這說明磷和銅兩種元素均是固溶在面心立方結(jié)構(gòu)的鎳晶格中。此外，衍射圖中沒有出現(xiàn)基體的衍射峰，說明得到了完整的Ni-Cu-P合金鍍層。

六種鍍層的成分分析結(jié)果，如表1所示。由表1可知：對(duì)于化學(xué)鍍Ni-Cu-P合金鍍層而言，鍍層結(jié)構(gòu)從非晶態(tài)—混晶態(tài)—晶態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)，鍍層中磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈遞減的規(guī)律。磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)，可獲得晶態(tài)鍍層；磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí)，易獲得非晶態(tài)鍍層。

表1 鍍層成分

2.3 硬度

鍍層的硬度隨著鍍層結(jié)構(gòu)的變化而變化。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：晶態(tài)鍍層中磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低，但硬度最高，為7 834MPa；非晶態(tài)鍍層中磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，但硬度最低，為4 892MPa。可見，影響鍍層硬度的主要因素是鍍層結(jié)構(gòu)。

2.4 耐蝕性

圖4為硫酸銅的質(zhì)量濃度對(duì)鍍層耐蝕性的影響。由圖4可知：硫酸銅的質(zhì)量濃度為0.4g／L時(shí)，鍍層的耐蝕性最好；硫酸銅的質(zhì)量濃度為0.2g／L時(shí)，鍍層的耐蝕性最差。由于鍍層2為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，而鍍層1為晶態(tài)結(jié)構(gòu)。由此可得：非晶態(tài)鍍層的耐蝕性最好，而晶態(tài)鍍層的耐蝕性較差。硫酸銅的質(zhì)量濃度過低或過高都會(huì)使鍍層的耐蝕性下降。

圖4 鍍層腐蝕失重曲線

2.5 結(jié)合力

根據(jù) GB／T 5270-85和 GB／T 13913-92，采用劃痕實(shí)驗(yàn)測(cè)試鍍層的結(jié)合力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：晶態(tài)鍍層的結(jié)合力最好，而非晶態(tài)鍍層的結(jié)合力最差。可見，影響鍍層結(jié)合力的主要因素是鍍層結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論

（1）鍍層表面形貌呈致密的胞狀結(jié)構(gòu)，Ni，Cu，P元素分布均勻。

（2）隨著鍍層中Cu和P的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化，鍍層結(jié)構(gòu)分別由晶態(tài)、混晶態(tài)和非晶態(tài)組成。

（3）晶態(tài)鍍層的硬度最高、結(jié)合力最好，非晶態(tài)鍍層的耐蝕性最好。

［1］ 張守民，周永洽.NdFeB磁體防腐蝕研究［J］.材料保護(hù)，1999，32（9）：28-30.

［2］ 張小星.燒結(jié)NdFeB永磁體化學(xué)鍍防腐研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2005.

［3］ 胡建文，馬靜，刁美艷，等.釹鐵硼燒結(jié)永磁體復(fù)合化學(xué)鍍工藝的研究［J］.材料保護(hù)，2004，37（9）：25-26.

［4］ Wang Y W，Xiao C G，Deng Z G.Structure and corrosion resistance of electroless Ni-Cu-P［J］.Plating and Surface Finishing，1992，79（3）：57-59.

［5］ Balaraju J N，Anandan C，Rajam K S.Morphological study of ternary Ni-Cu-P alloys by atomic force microscopy［J］.Applied Surface Science，2005，195（1）：88-97.

［6］ 袁定勝，劉應(yīng)亮，李穎.金剛石化學(xué)鍍Cu-Ni-P工藝的研究［J］.材料保護(hù)，2005，38（6）：33-37.

［7］ 葉栩青，羅守福.化學(xué)鍍 Ni-Cu-P合金工藝研究［J］.腐蝕與防護(hù)，2000，21（3）：126-128.

A Study of Electroless Ni-Cu-P Alloy Plating on NdFeB Permanent Magnets

WANG Han-ying1， LI Cheng-rong1， LI Zeng-sheng1， CHEN Huan-ming2

（1.College of Energy Engineering，Yulin University，Yulin 719000，China；2.School of Physics Electrical Information Engineering，Ningxia University，Yinchuan 750021，China）

An electroless Ni-Cu-P coating was plated on the surface of NdFeB permanent magnet.The effects of bath formula on the properties of the coating were investigated.The results show that the surface morphology of the coating presents a compact cell structure with Ni，Cu，P elements evenly distributed.With the changing of Cu and P mass fraction，the coating structure consists of crystalline，mixed crystalline and amorphous states respectively.The crystalline coating has the highest hardness and best bonding strength，and the corrosion resistance of the amorphous coating is best.

electroless plating；Ni-Cu-P alloy；NdFeB permanent magnet

TQ 153

A

1000-4742（2012）04-0024-03

陜西省教育廳專項(xiàng)計(jì)劃科研項(xiàng)目（112H062）

2011-03-31