電沉積Ni-Fe-PTFE復合鍍層的微觀形貌及耐蝕性

何龍生， 任曉東， 楊 友， 李雪松

（長春工業大學 先進結構材料省部共建教育部重點實驗室，吉林 長春130012）

0 前言

制取復合材料的方法有多種，其中復合電沉積就是一種很有價值的獲得復合材料鍍層的表面強化新工藝。所謂復合電沉積，就是在電鍍或化學鍍溶液中加入非水溶性的固體微粒，使其與主體金屬共沉積在基材上的涂覆工藝，所得到的鍍層稱為復合鍍層［1-3］。復合電沉積在國外已有近70年的歷史，國內起步較晚，近20多年才得以迅速發展［4-5］。近年來，復合電沉積技術多以單金屬、單固體微粒復合鍍層為主。這類復合鍍層與單金屬鍍層相比，其耐磨性提高了70%，但耐蝕性較差［6-7］。目前，科技工作者越來越重視兼具耐磨性和耐蝕性或耐磨性和抗高溫氧化性的多元復合材料鍍層，并取得了一定進展。通過對二元復合鍍層的研究表明：純金屬主體往往強度潛力有限，而采用合金主體，復合鍍層則具有更高的硬度、耐蝕性和耐磨性［8-9］。

本文采用二元電沉積技術，添加聚四氟乙烯（PTFE）微粒，利用其優良的自潤滑性、非黏著性、耐水性、耐高溫性和耐蝕性，通過電沉積的方法制得金屬基PTFE復合鍍層，并討論電流密度對復合鍍層的微觀形貌、結構及耐蝕性的影響。

1 實驗

1.1 工藝流程

基體為40mm×20mm×2mm的低碳鋼試樣。工藝流程為：試片打磨化學除油水洗蒸餾水洗活化處理復合電鍍水洗鍍后處理。

1.2 鍍液成分及工藝條件

復合鍍液的組成為：硫酸鎳180～220g／L，硫酸亞鐵10～40g／L，氯化鈉25～30g／L，硼酸45～55g／L，檸檬酸鈉20～30g／L。

電鍍工藝參數為：pH值3.0～4.5，溫度60～65℃，電流密度3～7A／dm2，攪拌方式 機械攪拌＋超聲波攪拌，時間40min。

1.3 鍍液配制

將計算好的硫酸鎳、硫酸亞鐵、氯化鈉、檸檬酸鈉等藥品分別用適量的熱去離子水溶解。其中硼酸需要用70℃左右的熱水進行溶解，硫酸亞鐵用pH值約為3的酸性去離子水溶解。所有藥品溶解之后的溶液總體積不超過1 000mL。

將各溶液混合攪拌均勻，并進行過濾處理。調節過濾后溶液的pH值在3.0～3.5范圍內，之后對溶液進行電解處理。電解所用陰極板為較大的瓦楞鋼板，陽極板為小面積的鎳板，電解時間為12h，電流密度為0.1A／dm2。將8g PTFE粉末在機械攪拌加超聲波攪拌的條件下加入到電解后的混合溶液中，分散2h后備用。

1.4 鍍層性能檢測

用HXD-1000型顯微硬度儀進行硬度測試。試樣為有鍍層的低碳鋼試片，載荷為100g，加載時間為15s，測試十個點取平均值。利用JSM-5500LV型掃描電子顯微鏡觀察試樣的微觀形貌。用IVIUMSTAT型電化學測試系統對試樣的耐蝕性進行測試，輔助電極為鉑電極，參比電極為氯化銀電極，掃描速率50mV／s，掃描區間為-2～2V。

2 結果與討論

2.1 電流密度對鍍層微觀形貌的影響

圖1為不同電流密度下所得鍍層的微觀形貌。由圖1可以看出：隨著電流密度的增大，鍍層結晶逐漸變得細致；但當電流密度增大到一定值后，結晶粗糙；當電流密度為5A／dm2時，鍍層表面結晶最細致。其原因為：當電流密度很低時，陰極極化一般也很小，不利于形核，鍍層晶體只在原有基體結構的基礎上長大；在電流密度升至一定程度以后，有利于形核，結晶細致。過高的電流密度會使陰極表面離子貧乏，形成海綿或枝狀沉積，有時析氫也很嚴重［10］。所以電流密度為5A／dm2時，鍍層結晶最細致。

2.2 電流密度對鍍層相組成的影響

圖2為不同電流密度下所得鍍層的XRD圖譜。由圖2可以看出：隨著電流密度的變化，通過XRD檢測到鍍層的相組成為單一的Ni3Fe相，并沒有其他相出現。這表明PTFE的加入，并沒有改變復合鍍層的相組成。

2.3 電流密度對鍍層耐蝕性的影響

圖3和圖4分別為pH值在3.0～3.5范圍內，不同電流密度下得到的極化曲線和阻抗圖譜。由圖3可以看出：隨著電流密度的增大，鍍層的自腐蝕電位先減小后增大；當電流密度為5A／dm2時，鍍層的自腐蝕電位最正，自腐蝕電流密度最低，表現出較好的耐蝕性［11］。由圖4可以看出：當電流密度為5 A／dm2時，鍍層的阻抗曲線的半徑最大，耐蝕性最好。這是因為電流密度較小時，電沉積速率較小，導致鍍層中PTFE的質量分數較低。隨著電流密度的增大，電沉積速率增大，結晶細致，鍍層表面變得光滑平整，并且鍍層中帶入較多的PTFE，因此，鍍層具有較好的耐蝕性。當電流密度過大時，Ni-Fe合金的沉積速率過大，導致鍍層積瘤、粗糙，PTFE的質量分數降低，鍍層結晶粗大，耐蝕性降低。

圖1 不同電流密度下所得鍍層的微觀形貌

圖2 不同電流密度下所得鍍層的XRD圖譜

圖3 不同電流密度下所得鍍層的極化曲線

圖4 不同電流密度下所得鍍層的阻抗圖譜

3 結論

（1）隨著電流密度的增大，鍍層表面趨于平整，晶粒均勻。但是在過高的電流密度下，鍍層表面會出現較大的積瘤。當電流密度為5A／dm2時，鍍層結晶最為均勻細致，XRD檢測到合金鍍層的相組成為單一的Ni3Fe相。

（2）隨著電流密度的增大，鍍層在質量分數為3.5%的NaCl溶液中的自腐蝕電位增加。極化曲線和交流阻抗測試表明：當電流密度為5A／dm2時，鍍層表現出較好的耐蝕性。

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