SiCp/Al復合材料化學鍍鎳－磷的工藝研究

尹明勇， 馬立群， 王 娟， 金榮榮， 丁 毅

（南京工業大學 材料科學與工程學院，江蘇 南京 210009）

SiCp/Al復合材料化學鍍鎳－磷的工藝研究

尹明勇， 馬立群， 王 娟， 金榮榮， 丁 毅

（南京工業大學 材料科學與工程學院，江蘇 南京 210009）

采用鈀鹽對SiCp/Al復合材料表面進行活化，化學鍍后在復合材料表面獲得Ni-P鍍層。利用掃描電鏡（SEM）、能譜成分分析儀（EDS）、極化曲線、X射線衍射儀（XRD）以及熱震測試等手段對鍍層的性能進行了研究，并觀察了鍍覆過程中鍍層表面形貌的變化。結果表明：鈀鹽的活化作用較好，鈀原子優先在復合材料的基體晶界、SiCp/Al界面及SiCp表面粗糙處形成催化活化中心；鋁合金基體與SiCp增強相表面均被鍍覆，且鍍層光亮、致密、連續，耐蝕性好，結合力高，屬于中磷鍍層。

SiCp/Al復合材料；化學鍍；鈀；Ni-P鍍層；耐蝕性

0 前言

碳化硅增強鋁基（SiCp/Al）復合材料是目前國內外研究和應用較多的一種金屬基復合材料。近來，該復合材料的耐蝕性也越來越受到國內外學者的關注，其耐蝕性主要受基體和增強相的性能、制備工藝以及使用環境等因素的影響［1］。化學鍍Ni-P合金是改善材料表面性能較常用的一種方法。

在SiCp/Al復合材料上進行化學鍍存在以下難點［2－3］：（1）鋁基體表面容易形成致密的氧化膜，嚴重影響鍍層與復合材料之間的結合力；（2）鋁不具有自催化活性，且自腐蝕電位較低，容易與多種金屬離子發生置換反應，析出的金屬會導致鍍層疏松；（3）鋁是兩性金屬，在堿性鍍液及酸性鍍液中均容易發生腐蝕；（4）陶瓷相SiCp的存在使基體與增強相的前處理效果不同步，鍍層存在較大的內應力，導致結合力降低。將傳統的浸鋅工藝引入SiCp/Al復合材料表面化學鍍同樣存在一些問題［4］：（1）浸鋅工藝復雜，設備要求多；（2）浸鋅層在鍍覆過程中發生溶解，形成的Zn2＋對鍍液有毒化作用，使鍍液的使用壽命降低；（3）鍍覆結束后，如果浸鋅層溶解不完全，則在潮濕環境中容易與鍍層形成電偶腐蝕，造成鍍層剝落。

金屬鈀具有優良的自催化活化特性［4］，本文采用合理質量濃度的鈀鹽活化液及還原溶液對復合材料進行前處理，在酸性鍍液中鍍覆獲得Ni-P鍍層，通過相關測試手段分析鍍層的性能。

1 實驗

1.1 實驗材料

采用攪拌鑄造法制備SiCp/Al復合材料，其中增強微粒的質量分數為10%。增強微粒采用普通市售綠色α-SiC（純度≥99%），平均粒徑為80μm。基體合金采用質量分數為99.7%的工業純Al，其主要成分的質量分數：Si 0.086%，Mg 0.014%，Fe 0.130%，Cu 0.001%，Ga 0.014%，Al余量；并添加3%的純Mg。試樣尺寸為25mm×15mm×2 mm。

1.2 工藝流程

600＃SiC 砂紙打磨—→除油—→酸蝕—→活化（鈀鹽活化液0.5g/L，pH值6.5～7.0，5min）—→還原（次磷酸鈉30g/L，pH 值6.5～7.0，10min）— → 化學鍍Ni-P，各步驟間用蒸餾水沖洗干凈。

1.3 鍍液配方及工藝條件

NiSO4·6H2O 30g/L，NaH2PO2·H2O 24 g/L，H3BO312g/L，乳酸10mL/L，NaAc 12g/L，NH4Cl 10g/L，硫脲0.001g/L，pH 值4.5，85℃，60min。

1.4 性能測試

（1）鍍層形貌及成分分析

采用JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡觀察鍍層的表面形貌與截面形貌。采用Noran-Vantage型EDS能譜成分分析儀對鍍層進行成分分析。

（2）物相結構測試

采用ARL X’TRA型X射線衍射儀分析鍍層的相結構，測試條件為：Cu靶Ka輻射，掃描速率5°/min，掃描范圍20°～80°。

（3）電化學測試

采用CHI 660B型電化學工作站進行動電位掃描極化曲線測試，腐蝕介質為質量分數為3.5% 的NaCl溶液，參比電極為飽和甘汞電極（SCE），輔助電極為石墨。

（4）結合力測試

根據GB/T 5270，通過熱震實驗，觀察鍍層脫落情況，判斷鍍層的結合力。

2 結果與討論

2.1 表面形貌與成分分析

圖1為SiCp/Al復合材料在化學鍍過程中不同時刻的表面形貌。圖1（a）為復合材料的原始形貌。鍍覆1min后，SiCp與基體表面均沉積有少量鍍層，如圖1（b）所示。鈀離子被還原為鈀原子而優先吸附于酸蝕形成的基體晶界、SiCp/Al界面以及SiCp表面粗糙處，成為化學鍍的催化活化中心，因此鍍層優先形成于這些區域，如圖中A，B點分別為基體晶界和SiCp/Al界面。鍍覆3min后，SiCp/Al復合材料表面基本上已沉積一層較均勻的Ni-P鍍層，但是微粒與基體處仍有部分區域未被鍍覆，而且鍍層尚未形成明顯的胞狀組織，如圖1（c）所示。鍍覆15 min后，Ni-P鍍層已經開始生成胞狀組織，而且SiCp/Al界面與基體處的胞狀組織較多，說明這些區域鍍速較快，如圖1（d）所示。鍍覆60min后，SiCp/Al復合材料表面被完全鍍覆，基體與SiCp表面鍍層較平整、均勻，而SiCp/Al界面處胞狀組織較大，進一步說明了該區域鍍層生長較快，如圖1（e）所示。

圖1 鍍層的表面形貌變化

圖2為化學鍍60min后所得Ni-P鍍層的EDS譜圖。由圖2可知：鍍層中Ni的質量分數為92.82%，P的質量分數為7.18%。可見，該Ni-P鍍層屬于中磷鍍層。

圖2 鍍層的EDS譜圖

2.2 截面形貌

圖3為化學鍍60min后所得Ni-P鍍層的截面形貌。由圖3可知：SiCp與基體表面均被鍍覆，鍍層的厚度約為15～20μm，鍍層較致密。值得注意的是，基體上的鍍層較為平整，而SiCp/Al界面處因腐蝕嚴重而較粗糙，進而提高了鍍層的結合力。

2.3 物相結構

圖4為Ni-P鍍層的XRD衍射圖。實驗結果顯示：XRD衍射圖并非為完全的晶態結構，而是有一定的寬化，說明該鍍層的相結構為晶態與非晶態的混合物。出現非晶態結構的原因為：隨著P的質量分數的增加，P原子進入Ni晶格，致使Ni晶格發生畸變，呈現出非晶態結構特征。非晶態結構有助于提高鍍層的耐蝕性［5］。

圖3 鍍層的截面形貌

圖4 Ni-P鍍層的XRD衍射圖

2.4 耐蝕性

圖5 極化曲線

圖5為SiCp/Al復合材料及Ni-P鍍層在質量分數為3.5%的NaCl溶液中的極化曲線。由圖5可知：SiCp/Al復合材料的自腐蝕電位為－1.32V，而Ni-P鍍層的自腐蝕電位為－0.16V。可見，經化學鍍后，復合材料表面的自腐蝕電位大幅度提高。這表明SiCp/Al復合材料經化學鍍Ni-P后發生腐蝕的可能性降低。此外，Ni-P鍍層具有相對較低的維鈍電流密度，進一步從動力學上體現出SiCp/Al復合材料經化學鍍Ni-P后的耐蝕性有了很大提高［6］。

2.5 結合力

對鍍層進行熱震測試，將鍍層在220℃下保溫1h，然后急冷。通過測試并未發現鍍層有起皮、起泡、脫落等現象，說明SiCp/Al復合材料中SiC微粒及鋁基體均與鍍層有較好的結合力。

3 結論

（1）經鈀鹽活化處理后，Ni-P鍍層優先在SiCp/Al復合材料的基體晶界、SiCp/Al界面以及SiCp表面粗糙處沉積。

（2）SiCp/Al復合材料表面被完全鍍覆。Ni-P鍍層的厚度約為15～20μm。鍍層中Ni的質量分數為92.82%，P的質量分數為7.18%，屬于中磷鍍層。同時，該鍍層的相結構為晶態與非晶態的混合物。

（3）經化學鍍后，SiCp/Al復合材料的自腐蝕電位得到了大幅度提高，維鈍電流密度明顯減小，進而顯著提高了復合材料的耐蝕性。

（4）SiCp/Al復合材料中SiCp及鋁基體均與鍍層結合較好，復合材料整體與Ni-P鍍層具有較高的結合力。

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［1］歐陽求保，崔光華，顧海麟，等.碳化硅顆粒增強7A04鋁基復合材料的腐蝕行為［J］.材料保護，2009，42（9）：24-26.

［2］李寧，屠振密.化學鍍實用技術［M］.北京：化學工業出版社，2003.

［3］趙斌，董世知.鋁合金化學鍍Ni-P合金的研究進展［J］.電鍍與涂飾，2008，27（1）：24-26.

［4］黃曉梅，李寧，蔣麗敏，等.鋁及其合金浸鋅技術的發展及現狀［J］.電鍍與精飾，2006，28（3）：22-28.

［5］袁亮，馬立群，秦鐵男，等.磷含量對AZ 31鎂合金化學鍍Ni－P層結構和耐蝕性能的影響［J］.腐蝕與防護，2010，31（9）：696-699.

［6］賀忠臣，丁毅，秦鐵男，等.熱處理溫度與6 063鋁合金化學鍍鎳層的耐蝕性［J］.腐蝕與防護，2010，31（3）：231-233.

A Study of Electroless Ni-P Plating on SiCp/Al Composite Material

YⅠN Ming－yong， MA Li-qun， WANG Juan， JⅠN Rong-rong， DⅠNG Yi
（College of Materials Science and Engineering，Nanjing University of Technology，Nanjing 210009，China）

A Ni-P coating was obtained on the surface of SiCp/Al composite material after Pd activation and electroplating.The properties of the coating were investigated by means of SEM，EDS，polarization curve，XRD，thermal shock test，etc.，and the changes of the coating surface morphology during plating were also observed.The results show that the composite material is well activated by Pd，Pd atoms preferentially forming a catalytic and active centre in the grain boundary of aluminum alloy matrix，SiCp/Al interface and rough area of SiCpsurface.Both the surfaces of aluminum alloy matrix and SiCpreinforcing phase are covered.And the coating is bright，compact and continuous，with a good corrosion resistance and a high binding force，belonging to medium phosphorous coating.

SiCp/Al composite material；electroless plating；palladium；Ni-P coating；corrosion resistance

TQ 153

A

1000-4742（2013）01-0027-03

2011-09-05