Ni-Co-B合金電鍍工藝優化及鍍層耐蝕性研究

劉佳明

（拓荊科技股份有限公司，遼寧 沈陽 110179）

合金電鍍是利用電化學方法在使兩種或兩種以上的金屬（包括非金屬）共沉積的過程，并形成一層較薄、均勻、致密鍍層，合金電鍍具有許多單金屬鍍層不具備的優良性能，它具有較高的致密性、硬度，較高的耐高溫性、耐磨性、良好的磁性、易釬焊性。本文是在鍍硬鎳的基礎上加入硼鹽和鈷鹽得到鎳鈷硼合金鍍層，并利用正交實驗獲得Ni-Co-B鍍層的最佳工藝條件，同時采用金相顯微鏡和掃描電鏡觀察鍍層的微觀形貌，最終通過中性鹽霧實驗評價鍍層的耐腐蝕性能。

1 實驗部分

1.1 基體材料

選用80 mm×50 mm×1 mm的普通碳鋼試片作為陰極，80 mm×55 mm×5 mm的鎳板作為陽極。合金電鍍前，先用400#、800#、1000#的砂紙打磨碳鋼試片，再用NaOH（60～80 g）+Na2CO3（20～60 g）+Na3PO4（30～40 g）+Na2SiO3（5～10 g）的溶液進行堿性除油，最后分別放入3%的H2SO4溶液（30 s）和3%的H2SO4溶液（1 min）進行酸洗和活化，最后取出試片清洗并干燥，待電鍍。

1.2 Ni-Co-B合金電鍍

以硫酸鎳為電鍍基礎溶液，所用試劑均為分析純，具體配方和工藝條件為：硫酸鎳180 g·L-1、硫酸鈷50～60 g·L-1、四硼酸鈉3 g·L-1、硼酸30 g·L-1、氯化銨25 g·L-1、十二烷基硫酸鈉3 g·L-1、糖精鈉2 g·L-1、溫度50 ℃、pH為4.5～5.5、電流密度7～8 A·dm-2、時間40 min。

1.3 鍍層性能檢測

1.3.1 形貌觀察

通過金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀察鍍層的宏觀形貌和微觀形貌。

1.3.2 鍍層顯微硬度檢測

將不同工藝條件下制備的Ni-Co-B合金鍍層樣品在金相砂紙上打磨出一小平臺，然后逐級打磨至光滑，直至出現鏡面光澤為止。用材料微納米力學測試系統測定Ni-Co-B合金鍍層的硬度值，顯微鏡放大倍數為100倍進行觀察，同時測量時顯微鏡放大倍數為400倍。顯微鏡壓頭所加載荷為300 mN，壓頭壓入的深度大約為3 μm，加載時間為10 s。在試樣表面均勻測出3個點的硬度值，然后取其算術平均值，即為該Ni-Co-B合金鍍層的硬度值。

1.3.3 中性鹽霧實驗

中性鹽霧試驗是在特定的鹽霧箱內，將含有3.5%的氯化鈉、pH值范圍為6.7～7.2的鹽水通過噴霧裝置進行噴霧，箱內溫度為33～37 ℃，被測試樣與水平呈30°～45°角放在鹽霧箱內，將需要進行測試的一面接受鹽霧自由沉降，但不被其直接噴射，降霧量為1～2 mL·h-1·cm-2，實驗中按照預定的時間觀察試樣表面形貌并進行數據記錄。

2 結果與討論

2.1 正交試驗結果與分析

以正交試驗考察硫酸鈷質量濃度（因素A）、電流密度（因素B）、鍍液pH（因素C）對鎳鈷硼鍍層硬度的影響。按照L9（34）的正交表進行試驗，結果和極差分析見表1。

表1 正交試驗結果

由表1正交試驗結果可知，利用極差R判斷影響因子的主次，根據表中極差R的大小順序可得出電流密度（B）影響鍍層硬度是最主要的因素，其次對鍍層硬度影響較大的因素為硫酸鈷的質量濃度（A），然后為鍍液的pH（C），因此影響因素主次順序可表示為B＞A＞C。由各因素（硫酸鈷濃度、電流密度、鍍液pH）均值比較可得出最佳因素水平組合為A2B3C3，即最佳的工藝條件為：硫酸鈷質量濃度60 g·L-1、電流密度8 mA·dm-2、鍍液pH=5.0。因此通過得到的優化配方重新配置鍍液，進行電鍍實驗，對鍍層進行相關性能測試及分析。

2.2 鍍層形貌觀察

采用金相顯微鏡放大500倍分別對工藝優化前后得到的鍍層進行了宏觀形貌觀察，結果見圖1。

圖1 優化前后Ni-Co-B合金鍍層的宏觀形貌

由圖1可以看出，優化前所得鍍層表面宏觀形貌較差，有很多凹槽，表面粗糙發暗。優化后所得鍍層表面宏觀形貌較好，結晶較為細密均勻，沒有毛刺、針孔等瑕疵。

采用掃描電子顯微鏡放大3 000倍分別對工藝優化前后得到的鍍層進行了微觀形貌觀察，得到結果見圖2。

圖2 優化前后Ni-Co-B合金鍍層的SEM微觀形貌

從掃描電鏡分析中可以看出，圖2（a）為優化前的Ni-Co-B合金鍍層的形貌，鍍層的表面平整，呈半光亮，鍍層晶粒較大；圖2（b）為優化后的Ni-Co-B合金鍍層的外貌，與圖（a）相比鍍層晶粒更細小，表面變得更平滑、均勻、致密，從宏觀形貌上看已經達到了全光亮甚至鏡面的程度。

2.3 鍍層的耐鹽霧腐蝕能力

將工藝優化前后的鍍Ni-Co-B試樣同時放入鹽霧試驗箱中，有效面積為3×4 cm2，其余部分用膠帶密封，在同樣的時間下（72 h）以試樣出現黃銹面積的大小為評價標準，最終得到的試樣腐蝕情況見圖3。

圖3 優化前后合金鍍層耐鹽霧腐蝕形貌

由圖3可知，在相同的時間下（72 h）進行鹽霧試驗時，優化前的Ni-Co-B合金鍍層出現明顯的銹蝕現象，銹蝕面積大約在50%。產生銹蝕的原因是在鹽霧試驗過程中，膜層在Cl-的侵蝕下首先發生點蝕使自身遭到破壞，然后在發生點蝕處腐蝕過程繼續進行，腐蝕面積逐漸增大，最終膜層失效，出現了基體的腐蝕，即產生黃銹。優化后的Ni-Co-B合金鍍層并沒有太大的銹蝕現象，鍍層表面基本處于光亮平整，這也說明優化后的鍍液配方基本達到耐腐蝕的要求。

3 結 論

采用復合電鍍工藝在碳鋼試片表面制備的Ni-Co-B合金鍍層的最佳工藝條件為：硫酸鎳180 g·L-1、硫酸鈷60 g·L-1、四硼酸鈉3 g·L-1、硼酸30 g·L-1、氯化銨25 g·L-1、十二烷基硫酸鈉3 g·L-1、糖精鈉2 g·L-1、溫度50 ℃、pH為5.0、電流密度8 A·dm-2、時間40 min。在最佳工藝條件下，所得的Ni-Co-B合金鍍層的耐蝕性優于工藝優化前的鍍層。