20R鋼表面Ni-Cu-P和Ni-P化學鍍層性能研究

王洪志，李 壯，楊明俊，王意茹

(1.中國石油管道公司沈陽龍昌管道檢測中心，遼寧沈陽110034;2.中國石油寶雞石油鋼管有限責任公司遼陽鋼管廠，遼寧遼陽111000;3.吉林亞泰水泥有限公司，吉林長春130000;4.中國石油管道公司秦皇島輸油氣分公司，河北秦皇島066000)

Ni-P和Ni-Cu-P化學鍍層在很多溶液中表現出良好的耐蝕性［1］。本研究采用Ni-P和Ni-Cu-P化學鍍方法在20R鋼表面沉積了Ni-P與Ni-Cu-P合金鍍層，通過電化學方法，考察了鍍層在質量分數為15%NaOH溶液中的耐蝕性，并將兩種化學鍍層的耐蝕性進行了比較，可為工業應用提供參考。

1 實驗方法

1.1 試樣制備

采用20R鋼為化學鍍的基體材料，試樣尺寸大小為10 mm×10 mm×6 mm，其工藝流程為:用水磨砂紙打磨試樣至1500號，清洗試樣表面并用丙酮擦拭，將試樣和導線用焊錫連接并放在打磨成平滑的PVC管內灌入一定劑量的凝固劑，冷卻72 h，將制好的電化學試樣用水磨砂紙再次打磨試樣至1500號，丙酮擦拭后，用清水洗凈表面并放在質量分數為10%稀硫酸中活化，再次用清水洗凈表面，放入帶有化學鍍鍍液的水浴鍋中加熱，化學鍍后取出用清水洗凈表面，然后吹干，對試樣進行檢測。

化學鍍Ni-Cu-P鍍液的組成:NiSO4·6H2O為 25 g/L，NaH2PO2·H2O 為 26 g/L，C6H5Na3O7·2H2O 為 12 g/L，CH3COONa 20 g/L，CuSO4·5H2O為0.5 g/L。化學鍍 Ni-P鍍液的組成:NiSO4·6H2O 為25 g/L，NaH2PO2·H2O 為26 g/L，C6H5Na3O7·2H2O 為12 g/L，CH3COONa 為20 g/L。鍍液用去離子水和分析純試劑配制，采用HH-4電熱恒溫水浴鍋控制鍍液溫度為90℃，沉積時間為1 h。

實驗過程中采用TG504天平稱量試樣質量。采用掃描電鏡對鍍層表面形貌進行觀察。采用XRD對鍍層進行結構分析。

1.2 試樣硬度測試

采用維氏硬度測試儀對20R鋼基體、Ni-P鍍層與Ni-Cu-P鍍層的試樣進行硬度測試。

1.3 耐腐蝕性能測試

采用2273電化學測試系統進行動電位極化曲線及交流阻抗測試，實驗溫度為室溫，20R鋼和鍍層試樣為工作電極，飽和甘汞電極為參比電極，鉑片為輔助電極。動電位極化曲線測試的電位為－0.25(相對于開路電位)～0 V，掃描速度為0.6 mV/s。交流阻抗測試頻率為100 ～10 mHz，擾動電壓為10 mV，采用ZSimpwin3.10對測試數據進行數值擬合。

2 實驗分析與討論

2.1 鍍層表面硬度測試

對20R鋼、Ni-P與Ni-Cu-P鍍層進行顯微硬度測試，Ni-P鍍層和Ni-Cu-P鍍層維氏硬度的平均值分別HV473和HV516，而20R鋼的維氏硬度平均值則在HV207。Ni-P鍍層和Ni-Cu-P鍍層鍍層的維氏硬度分別是20R鋼的維氏硬度的2.29和2.49倍，說明了Ni-P鍍層和Ni-Cu-P鍍層改善了20R鋼的力學性能，并且Ni-Cu-P鍍層耐磨性能要稍好一些。

圖1 Ni-Cu-P鍍層與Ni-P鍍層表面形貌Fig.1 Surface morphology of Ni-Cu-P coating and Ni-P coating

2.2 鍍層表面形貌觀察

Ni-Cu-P與Ni-P鍍層的表面形貌見圖1。從圖1中可以看出，Ni-Cu-P與Ni-P鍍層均表現為胞狀物結構，兩種鍍層中存在大量的細小顆粒并且局部顆粒相互疊加。這使得鍍層表面趨于均勻、平整。由于銅的存在可抑制胞狀物的生長，導致Ni-Cu-P鍍層表面胞狀結構更加細化［2］。因此，Ni-Cu-P鍍層的胞狀物比Ni-P鍍層更加細小，測量Ni-Cu-P胞狀物直徑約為677～1 700 nm。

Ni-Cu-P與Ni-P鍍層的X射線衍射(XRD)圖見圖2。

圖2 鍍層XRD分析Fig.2 XRD analysis

從圖2中可以看出，Ni-P鍍層則表現為較為寬泛的漫散射峰，呈現單一的非晶態特征。加入Cu元素后，雖Ni-Cu-P鍍層其衍射峰的半高寬比較寬，但僅顯示出相對尖銳的衍射峰Ni(111)，并且沒有觀察到其他的晶體Ni的衍射峰，從而表現為存在晶態與非晶態的混晶結構。鍍層的非晶態結構使得其本身具有較高的反應活性，更易形成鈍化膜，鈍化膜的形成表現出良好的耐蝕性。而Ni-Cu-P鍍層的晶態特征是由于Cu的引入導致的，Cu的引入使得Ni-Cu-P鍍層更加的細化。

2.3 動電位極化曲線測試

Ni-Cu-P鍍層及Ni-P鍍層在質量分數為15%NaOH溶液中的極化曲線見圖3。由圖3可知，Ni-Cu-P鍍層及Ni-P鍍層的陰極極化均表現為氫去極化控制，兩者在陽極極化上均有鈍化趨勢，但是Ni-P鍍層的鈍化趨勢更為明顯，在極化電位達到－250 mV時，Ni-P鍍層出現了鈍化膜。而Ni-Cu-P鍍層的極化電位達到－300 mV時，出現了鈍化現象。這主要是由于Ni-P鍍層的非晶態特征更為明顯，而Ni-Cu-P鍍層的混晶結構所導致的。

圖3 鍍層極化曲線對比Fig.3 Polarization curves comparsion

由極化曲線擬合得知，20R鋼，Ni-P和Ni-Cu-P鍍層的自腐蝕電流密度分別為6.628，1.179和0.242 μA/cm2。自腐蝕電流的擬合結果表明，Ni-Cu-P鍍層和Ni-P鍍層具有較低的自腐蝕電流，具有更好的耐均勻腐蝕性能［3］。20R鋼在質量分數為15%的NaOH溶液中的自腐蝕電流密度是Ni-Cu-P鍍層的27.35倍，是 Ni-P鍍層的5.62倍。而20R鋼，Ni-P和Ni-Cu-P鍍層的自腐蝕電位分別為－998，－611和－494 mV，這與其自腐蝕電流密度的結果相一致。總之，Ni-Cu-P鍍層的耐蝕性最好，Ni-P鍍層次之，20R鋼基體最差。

2.4 交流阻抗測試

圖4為20R鋼、Ni-P與Ni-Cu-P鍍層在質量分數為15%NaOH溶液中的交流阻抗，從圖4中可以看出，容抗弧的直徑由大到小依次是Ni-Cu-P鍍層、Ni-P鍍層和20R鋼，而阻抗譜的容抗弧對應著電化學溶解速率的傳遞電阻［4］，弧度越大，腐蝕速率越小，由此可見，Ni-Cu-P鍍層在質量分數為15%NaOH溶液中的腐蝕速率最小，Ni-P鍍層次之，20R鋼的腐蝕速率最大。這一結果與動電位極化測試的結果相一致。

圖4 電化學阻抗譜對比Fig.4 Electrochemical Impedance Spectroscopy

將阻抗譜曲線采用等效電路進行擬合，其中Rs表示溶液電阻，Q表示電容，n代表彌散指數，Rct表示為測試電阻。n與其表面粗糙度有關，n值越大，其表面越光滑。20R鋼、Ni-P與Ni-Cu-P鍍層在質量分數為15%NaOH浸泡Rs(QRct)擬合數值見表1。從表1可以看出測試電阻由大到小依次是 Ni-Cu-P鍍層、Ni-P鍍層和20R鋼。20R鋼測試電阻分別是Ni-Cu-P鍍層的和Ni-P鍍層的0.51和0.64倍。

表1 等效電路各元件的擬合數值Table 1 Fitting value of each element in equivalent electro-circuit

3 結束語

采用化學鍍技術在20R鋼表面制備的Ni-P和Ni-Cu-P鍍層光滑、致密、平整。在質量分數為15%NaOH溶液中，Ni-P和 Ni-Cu-P鍍層較20R鋼中表現出更低的自腐蝕電流密度和更大的電荷轉移電阻，可明顯降低20R鋼在質量分數為15%NaOH溶液中的腐蝕速率。兩種鍍層相對比，Ni-Cu-P鍍層耐蝕性更優于Ni-P鍍層。

［1］ Farzaneh A，Ehteshamzadeh M，Mohammadi M.Corrosion performance of the electroless Ni–P coatings prepared in different conditions and optimized by the Taguchi method［J］.Journal of Applied Electrochemistry，2011，41(1):19-27.

［2］ 張安柱，佟富強.鋁合金表面Ni-Cu-P化學鍍層的性能研究［J］.蘇州大學學報:自然科學版，2010，26(1):61-65.

［3］ 張海軍，趙國剛，周月波，等.Ni-P-CNTs化學鍍層在酸性溶液中的電化學腐蝕行為［J］.表面技術，2009，38(6):13-15.

［4］ 安百剛，張學元，韓恩厚，等.Zn在模擬酸雨溶液中及其液膜下的腐蝕［J］.金屬學報，2004，40(2):202-206.