涂层与化学镀NiP用于铸件表面处理的研究

摘要：本文采用溶胶凝胶法先在铸件表面涂覆一层TiO薄膜，再对铸件进行化学镀NiP处理。研究表明，TiO涂层可以有效减小铸件表面的孔隙率，弥补了NiP镀层直接覆盖在铸件表面易产生针孔的缺陷。与现有的铸件表面处理方法相比，本工艺改善了铸件的耐腐蚀性，而且较大地提高了沉积速率。在不增加过多成本的情况下，还节约了能源。
论文关键词：薄膜,化学镀,孔隙,沉积速率,耐腐蚀性
引言
随着经济全球化，中国企业面临巨大的商机，给我国制造业带来了空前的发展机遇。然而我国机械设备60%部件为铸件，长久以来对铸件的处理都以镀锌为主，对环境造成了严重的污染。同时金属锈蚀问题也一直困扰着制造业的产品加工、运输及储存等。
低毒的化学镀NiP，镀层厚度均匀，镀层性能优越，有较好的耐腐蚀性、耐磨性和较高的硬度，在石油化工、机械、电子等行业有较广泛的应用。化学镀NiP为均匀的非晶态结构，不存在晶界、位错、层错的缺陷，且基体结合致密,耐腐蚀性比电镀铬要好。但由于其沉积速率慢、镀层薄，表面容易产生针孔等缺陷。若镀层存在与基体相通的孔隙时，腐蚀介质渗人到镀层孔隙与基体金属接触，镀层将成为微孔电池的阴极，基体金属则构成这种电池的阳极而导致基体金属加速腐蚀。
TiO薄膜耐酸、耐碱，抗光腐蚀，为优良的耐腐蚀材料。但TiO薄膜大多用于光催化材料以降解有机物，而用于钢铁耐腐蚀性能的研究较少。本文在原有化学镀NiP工艺的基础上增加了涂覆TiO薄膜的工序，形成的TiO薄膜有效填补了铸件孔隙，有利于NiP镀层与基体的完美结合，可提高耐腐蚀性和硬度。同时在进行化学镀的过程中，TiO表现出较高的催化性。
1、实验部分
材料与仪器：铸件样件，钛酸丁酯，化学纯;冰醋酸，分析纯;无水乙醇，分析纯;丙酮，分析纯;硫酸镍，分析纯;次亚磷酸钠，分析纯;醋酸钠，分析纯;乳酸，分析纯;氨基乙酸，分析纯;葡萄酸钠，分析纯;硫脲，分析纯;蒸馏水;氨水，化学纯;5%NaCL溶液;5%HCL溶液;10%HCL溶液
恒温磁力加热搅拌器;RIM2.810A型马弗炉;电热鼓风干燥箱;TN100B型扭力天平(精度0.01g);XJL02A立式金相显微镜
工艺流程：
机械除锈→化学除油→水洗→涂覆TiO薄膜→干燥→化学镀NiP→水洗→干燥→热处理
实验步骤：
1.样件预处理：先将样件用砂轮打磨平整，用丙酮脱脂，蒸馏水清洗，最后放入乙醇中浸泡，备用。
2.TiO溶胶的制备：在48ml的钛酸丁酯中加入8ml的冰醋酸，混合均匀至不再放热后，在剧烈的搅拌下慢慢加入250ml水。继续搅拌3小时至水解完全后，加入2ml70%的硝酸，加热到80℃继续搅拌2小时，得到半透明的胶体溶液。
3.TiO薄膜的制备：将预处理的样件浸入所得的胶体中，浸渍30s后以约5mm/s的速度提拉;湿涂层在100℃条件热处理5分钟后重复浸渍5次。所得涂层需先在100℃干燥箱中干燥30分钟，再放入马弗炉(400℃)内烘烤1小时(包括升温时间)，取出，在室温下冷却。最后得到涂有TiO薄膜的铸铁样件。
4.化学镀NiP制备：根据样件表面积确定出需要配制的镀液体积和各组分的用量，用蒸馏水溶解。依次在烧杯中加入16.8g硫酸镍、9.95ml乳酸、7.2g醋酸钠、16.8g次亚磷酸钠、0.48g硫脲、7.2g氨基乙酸和2.4g葡萄酸钠;再搅拌过程中缓慢加入氨水，调节PH值为4.5~5。将附有TiO薄膜的样件经盐酸酸洗后放入镀液中，用电炉加入并维持在80℃。保温1小时后将试样取出，干燥后得到附有TiO薄膜的化学镀NiP样件。
2、实验结果与讨论
2.1沉积速率的测定
采用重量法，准确测定试样施镀前后的重量，按以下公式计算沉积速率：
式中
、
分别表示施镀前后试样的重量，密度
取7.8g/cm,
为试件表面积(cm),
为施镀时间(h)。
表1为不同工艺的沉积速率对比表，从表中可以看到先涂TiO薄膜再镀NiP的工艺能显著提高沉积速率。
表1不同工艺的沉积速率对比
Tab.1Thecontrastofthedepositionvelocityofdifferenttechniques
工艺沉积速率/_{#FormatImgID_6#}电镀锌15~23化学镀NiP9.5~15先涂TiO薄膜再镀NiP20~252.2耐腐蚀性能实验结果对比及讨论将普通化学镀层和先经TiO薄膜处理的化学镀NiP试样浸泡在不同的化学介质中，测量其耐腐蚀性能。试验结果见表2及图1，可见在各种腐蚀液中经TiO薄膜处理后的化学镀层的耐腐蚀性均得到有效提高。
表2浸泡实验结果
Tab.2Theresultsofsoakingtests
腐蚀介质腐蚀速率/_{#FormatImgID_7#}普通化学镀层先经TiO薄膜处理的化学镀层5%NaCL溶液0.03850.023510%NaOH溶液0.005340.004165%HCL溶液0.11210.095710%HCL溶液0.16700.1241图1两种不同工艺镀层的耐腐蚀实验对比
Fig.1Thecontrastbetweentwodifferentcraftcoatingsofresistanttocorrosionexperiment
2.3表面形貌观测
将各种样件用金相显微镜放大160倍观察其表面结构，获得如下的图像。
图2未经任何处理的样件图3化学镀NiP后的样件
Fig.2ThesamplewithoutanytreatmentFig.3ThesampleafterchemicalplatingNi-P
图2是未经处理的样件，图3是化学镀NiP后的样件。
由图3可以看出化学镀NiP对铸件的表面处理不够理想，对孔隙的填补很不充分。一旦腐蚀性物质从孔隙渗人基体，将会加快基体的腐蚀，化学镀NiP的防腐优势得不到发挥。
图4附着TiO薄膜的样件图5附着TiO薄膜的化学镀NiP样件
Fig.4ThesamplewithTiOthinfilmFig.5Thesamplewithchemicalplating
Ni-PandTiOthinfilm
图4是附着薄膜的样件表面形貌，图5是附着TiO薄膜的化学镀NiP样件。由图4可见附着薄膜的样件表面已看不见孔隙，再经化学镀处理后，铸件试样表面十分致密，可以达到钢件化学镀的效果。由于TiO薄膜本身十分致密，硬度较高又有较强的防腐蚀性，镀NiP后的硬度及防腐性可以达到国家标准的十级。
3、结论
本实验利用了TiO的致密性对铸件进行了表面超精细加工，填补了基体表面的孔隙，再配合进一步的化学镀NiP，处理效果良好，甚至超过镀锌在处理铸件方面的优势。改进后的工艺仅在原有化学镀NiP流程中添加一道TiO涂层工序，操作简单易行，不仅有利于镀镍技术改进，还有利于镀锌镀铬厂家利用原有设备进行工艺转型。
另外在实验中，TiO在加大沉积速率方面所起的作用，完全不同于在降解有机物方面的光催化性。关于它的工作作用机理，我们将进一步研究讨论。
参考文献
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