热门搜索:园区

首页

资讯

产品

企业

园区

会展

培训

专家

人才

技术

下载

视频

协会

电镀   涂装   新材料   热浸镀   热喷涂   工业涂料  
您当前位置:首页 > 技术 > 电镀 > 正文
45钢表面化学镀NiB涂层的耐蚀性及摩擦学性能*
作者:张明星, 曹磊, 王艳艳, 万勇 2016-01-14

    0 引 言

  45钢由于具有良好的机械性能而广泛应用于机械制造业,然而其表面硬度低,耐磨和耐腐蚀性能差,特别是在海洋性气候环境下,45钢表面腐蚀十分严重。零件的磨损、腐蚀和疲劳损坏大多是从表面开始的,为了提高零件的使用寿命,人们研究出各种性能良好的表面涂层以改善基体的性能,其中化学镀Ni-B涂层由于具有优异的结构特征[1,2],良好的耐磨性[3,4]、耐腐蚀性[5,6]以及优异的导电性能[7]而广受关注。化学镀Ni-B涂层是通过溶液中含硼的还原剂(如硼氢化钠)的自催化作用使溶液中的镍离子在基体表面还原沉积得到的[8, 9, 10]。彭淑合[11]、Bülbül[12,13]及Correa[14]等人分别在镁合金、316L不锈钢及铝镁合金表面沉积了Ni-B涂层,并对其性能进行了研究。但目前关于在碳钢上沉积Ni-B涂层的结构及性能等方面的研究报道还比较少,此外,以往的研究大多关注Ni-B涂层在干摩擦条件下的摩擦学性能,鉴于Ni-B涂层表现出良好的耐蚀性能,有必要开展Ni-B涂层在水腐蚀特别是盐水腐蚀条件下的摩擦学性能的研究。因此,文中采用化学镀的方法在45钢基体上沉积Ni-B涂层,研究镀层的表面形貌及结构,重点考察涂层在去离子水及3.5% NaCl溶液腐蚀下的摩擦学性能。

  1 试验部分

  1.1 薄膜的制备

  将加工好的45钢块(尺寸为10 mm×20mm×4 mm)先用粒径为80 μm的砂纸去除加工硬化层,然后抛光至镜面。用无水乙醇(分析纯)和丙酮(分析纯)分别超声清洗10 min,氮气吹干,放入4 mol/L的盐酸溶液中活化15 s,用去离子水冲洗干净,氮气吹干。

  按照表 1所示的成分配置镀液并调节溶液pH=14,将处理后的钢块迅速放入镀液中,88 ℃下恒温施镀90 min。施镀后的样品经去离子水清洗后,氮气吹干。

  表 1 NiB镀液的成分

  Table 1 ComparisonChemical composition of the electroless depositionof Ni-B coating(g/L)

表 1 NiB镀液的成分

Table 1 ComparisonChemical composition of the electroless deposition of Ni-B coating(g/L)

Composition

Concentration

NaHB4

1

NiCl2

30

Ethylenediamine(C2H8N2)

90

NaOH

90

Pb(NO3)2

0.03

  1.2 薄膜的表征

  采用Hitachi S-3500N(日本)扫描电子显微镜(SEM)观察钢块施镀前后的表面形貌。用SPM-9500原子力显微镜(日本岛津公司)(AFM)表征薄膜的表面形貌。利用UMT-3微观摩擦磨损试验机(美国CETR公司)测定涂层的摩擦磨损性能,对偶件为Φ 4 mm轴承钢球。具体试验条件:室温(20 ℃),相对湿度保持在40%~50%,往复行程6 mm,往复频率2 Hz,所施加载荷1N,最大赫兹接触应力为0.86 GPa,摩擦时间为1 200s。腐蚀试验采用滴液加入方式,腐蚀剂为去离子水和质量分数为3.5% NaCl水溶液。试验前,在接触区加一滴腐蚀液(约30 μL),每10 min再补加一滴。

  电化学测试采用荷兰Autolab PGSTAT30 电化学工作站,电解池为三电极体系,辅助电极为Pt电极,参比电极为饱和甘汞电极(SCE),电解液为3.5%NaCl溶液,极化曲线测试电位范围在自然腐蚀电位附近±250 mV,扫描速度为0.167 mV/s。

  2 结果和讨论

  2.1 NiB涂层的结构

  图 1为45钢和45钢上Ni-B涂层表面形貌的SEM和AFM照片。如图 1(a)所示,未处理的45钢表面除部分机械加工的痕迹外,表面是十分光滑的。其AFM三维图(高度模式)示于图 1(b)中,利用AFM工作站的附带程序对表面粗糙度进行分析,显示在20 μm×20 μm范围内表面的粗糙度Ra为24 nm。图 1(c)是45钢表面Ni-B涂层表面形貌,表明涂层具有“花瓣”结构,每个“花瓣”结构是由多个球形颗粒粘结在一起构成,分布均匀。图 1(d)为涂层的AFM三维图,显示在20 μm×20 μm范围内表面的粗糙度Ra为176 nm。

  图 1 45钢和Ni-B涂层表面的SEM形貌和AFM图像

  Fig. 1 SEM and AFM morphologies of the uncoated and the Ni-B coated45 steel

  图 2为45钢表面Ni-B涂层质量随沉积时间的变化。在施镀开始20 min内,薄膜沉积的平均速度为1.17 mg/min;之后的40 min内,沉积的平均速度增加到1.89 mg/min,随后沉积速度开始下降;在80 min后,Ni-B涂层的沉积速度几乎为零,最终得到的涂层厚度约为20 μm。

  图 2 45钢表面Ni-B涂层质量随沉积时间的变化

  Fig. 2 Mass of the Ni-B coating as a function of the deposited times

  图 3为45钢表面Ni-B涂层的XRD图谱。可以看出,除了在2θ=44.9°处有较强的衍射吸收峰(对应于Fe(110)晶面)外,XRD图谱呈宽阔的“馒头状”衍射峰,说明镀层表面结构为典型的非晶态结构。这与饶群力等人的研究结果相一致,镍硼合金镀层的结构随沉积过程中镍的相对沉积速度而改变,当沉积速度较慢时,涂层以非晶结构存在[15,16]。

  图 3 45钢表面Ni-B涂层的XRD图谱

  Fig. 3 XRD diffraction pattern of the Ni-B coating

  维氏硬度计测得钢表面上Ni-B涂层的硬度为660 HV,与以往文献报道结果相一致[6,16]。

  2.2 钢表面NiB涂层的耐腐蚀性能

  文中采用浓度为3.5%的NaCl溶液作为腐蚀液,绘制动电位极化曲线。通过比较涂覆Ni-B涂层前后45钢基底的极化曲线可以评价镀层是否对基体起到保护作用。拟合结果(见图 4)表明,45钢的自腐蚀电位为-0.53 V,而Ni-B涂层的自腐蚀电位增加到-0.47 V。同时,与45钢相比,Ni-B涂层的阳极极化曲线趋于平缓,具有较低的阳极极化电流。

  以上数据表明,Ni-B涂层能够有效提高45钢的耐腐蚀性能,使钢在3.5% NaCl溶液腐蚀介质中的腐蚀速度明显降低。但在腐蚀电压为-0.21 V处出现腐蚀电流密度急速增大的现象,这极有可能是Ni-B涂层在这一电位下被击穿的缘故。

  图 4 45钢和Ni-B涂层的极化曲线

  Fig. 4 Polarization curves of the uncoated and the Ni-B coated 45 steel

  45钢在NaCl溶液中的腐蚀属于典型的电化学腐蚀。在腐蚀过程中,阳极反应为金属的失电子溶解过程,阴极反应是析氢过程。NaCl溶液中活性Cl-的渗入改变了钢表面氧化膜的结构,破坏了氧化膜,加速金属阳极的溶解。而化学镀Ni-B合金是一种孔隙少的致密镀层,它能有效地将基体材料密封,以避免和腐蚀介质发生反应。

  2.3 NiB涂层的摩擦学性能

  2.3.1 干摩擦条件

  采用球盘接触式摩擦磨损试验机考察了45钢和Ni-B涂层在干摩擦条件下的摩擦学性能,图 5是摩擦因数随滑动时间的变化,图 6是其磨痕形貌。对于45钢,经过短暂的磨合后,摩擦因数稳定在0.8左右,磨痕形貌观察(图 6(a)(b))发现,磨痕上存在着沿滑动方向的犁沟,并有磨屑存在于接触区。对于Ni-B涂层,摩擦因数稳定在0.43左右。如图 6(c)(d)所示,磨痕表面形貌分析发现,除了“花瓣”颗粒状结构发生塑性变形外,并没有观察到明显的脆性断裂和剥落,同时Ni-B涂层的磨痕宽度也明显较窄。因此在干摩擦条件下,Ni-B涂层可明显改善基体的摩擦学性能,其主要磨损类型是粘着磨损。

  图 5 干摩擦条件下摩擦因数随滑动时间的变化

  Fig. 5 Friction coefficient as a function of sliding times under thedry sliding condition

  图 6 干摩擦条件下45钢和Ni-B涂层的磨痕形貌

  Fig. 6 Wear scar morphologies of the uncoated and the Ni-B coated 45steel under the dry sliding condition

  2.3.2 去离子水条件

  考虑到钢表面Ni-B涂层具有较好的耐腐蚀性能,我们对Ni-B涂层在去离子水和3.5%NaCl水溶液中的摩擦学特性进行了表征。图 7给出了去离子水腐蚀条件下,45钢和Ni-B涂层与钢球对摩时摩擦因数随滑动时间的变化曲线,图 8为相应的磨痕形貌。不难看出,在去离子水腐蚀下,钢-钢摩擦副的摩擦因数稳定在0.36左右,比干摩擦条件下的摩擦因数大幅降低(0.8),但观察其磨痕表面(图 8(a)(b))发现,与干摩擦下磨痕形貌(图 6(a)(b))相比,表面出现了更明显的犁沟,并且存在由于腐蚀产生的小坑,这与试验过程中在接触区观察到腐蚀液呈现铁锈颜色相一致。

  图 7 去离子水条件下摩擦因数随滑动时间的变化

  Fig. 7 Friction coefficient as a function of sliding times under thewater condition

  图 8 去离子水条件下45钢和Ni-B涂层的磨痕形貌

  Fig. 8 Wear scar morphologies of the uncoated and the Ni-B coated 45steel under the water lubrication condition

  对于Ni-B涂层,滑动一开始时摩擦因数增大到0.5左右,但经过大约100 s的滑动后,摩擦因数突然降低并逐步下降至0.27左右,而且随滑动时间的延长,摩擦因数呈缓慢下降的趋势。这可能是由于在滑动过程中水与Ni-B涂层之间发生摩擦化学反应造成的。从磨痕形貌(图 8(c)(d))来看,表面上“花瓣”颗粒状结构发生塑性变形,同时部分颗粒被磨去,表面呈现不连续的颗粒状结构,但表面上并没有明显的腐蚀现象。这说明,Ni-B涂层可明显改善基体在去离子水腐蚀下的摩擦学性能,其磨损机制仍以粘着磨损为主。

  2.3.3 3.5%NaCl溶液条件

  进一步考察钢表面Ni-B涂层在3.5% NaCl溶液腐蚀下的摩擦学性能,结果示于图 9,图 10为相应的磨痕形貌。对于45钢,经磨合后摩擦因数稳定在0.35左右,尽管与去离子水腐蚀下的数值相当,但从磨痕形貌观测(图 10(a)(b))发现,表面出现了更明显的犁沟,同时存在着比去离子水腐蚀下更为严重的腐蚀磨损,这主要是因为溶液中Cl-渗入并破坏钢表面氧化物薄膜造成的。而对于钢表面Ni-B涂层,如图 9所示,滑动开始时摩擦因数波动较大,但滑动300 s后,摩擦因数稳定在0.25左右,对磨痕形貌(图10(c)(d)),未发现明显的腐蚀现象,磨痕宽度也明显小于未保护钢的磨痕宽度,说明在3.5 %NaCl水溶液腐蚀下Ni-B涂层也可以明显改善45钢的摩擦学性能。

  图 9 3.5%NaCl溶液下摩擦因数随滑动时间的曲线

  Fig. 9 Friction coefficient as a function of sliding times under the3.5% NaCl water condition

  图 10 3.5%NaCl条件下45钢和Ni-B涂层的磨痕形貌

  Fig. 10 Wear scar morphologies of uncoated and Ni-B coated 45 steelunder the 3.5% NaCl water condition

  图 11为不同腐蚀条件下45钢表面Ni-B涂层磨痕深度随滑动时间的变化。从图中可以看出,在干摩擦条件下磨痕深度约14 μm,而在水腐蚀和3.5%NaCl腐蚀条件下,磨痕深度曲线十分接近,都在3.5 μm左右,几乎是干摩擦条件下磨痕深度的1/4,这表明45钢表面镍硼涂层在水和3.5%NaCl条件下比干摩擦条件下具有更好的耐磨性。

  图 11 不同腐蚀条件下涂层磨痕深度随滑动时间的变化

  Fig. 11 Depth of the wear tracks of Ni-B coatings as a function ofsliding times under different corrosion

  3 结 论

  (1) 45钢表面化学镀Ni-B涂层呈现“花瓣”结构,为非晶态,对45钢具有良好的腐蚀保护作用。

  (2) 在干摩擦、水腐蚀和3.5% NaCl水溶液腐蚀下,Ni-B涂层具有明显的减摩耐磨性能,其磨损机制主要以粘着磨损为主。

  参考文献[1]Saito T, Sato E, Matsuoka M, et al. Electroless deposition ofNi-B, Co-B and Ni-Co-B alloys using dimethylamineborane as a reducing agent[J]. Journal of Applied Electrochemistry, 1998, 28(5): 559-563.

           [2]Ogihara H, Udagawa K, Saji T. Effect of boron content andcrystalline structure on hardness in electrodeposited Ni-B alloy films [J].Surface & Coatings Technology, 2012, 206(11/12): 2933-40.

           [3]Duncan R N, Arney T L. Operation and use ofsodium-borohydride-reduced electroless nickel [J]. Plating and SurfaceFinishing, 1984, 71(12): 49-54.

           [4]Riddle Y M, Bailer T O. Friction wear reduction via an Ni-Belectroless bath coating for metal alloys [J]. Journal of Metals, 2005, 57(4):40-45.

           [5]Baskaran I, Sakthi R, Narayanan T S, et al. Formation ofelectroless Ni-B coatings using low temperature bath and evaluation of theircharacteristic properties [J]. Surface & Coatings Technology, 2006,200(24): 6888-94.

           [6]邝刘伟, 范希梅, 郝军, 等. 化学镀Ni-B合金镀层性能[J]. 中国腐蚀与防护学报, 2011, 31(4): 315-318.Kuang LW, Fang X M, Hao J, et al. Studies on properties of electroless Ni-B [J].Journal of Chinese Society for Corrosion and Protection, 2011, 31(4): 315-318(in Chinese).

           [7]Tsukimura M, Inoue H, Ezawa H, et al. Ni-B electroless plating ascap layer for Ag multi-level metallization [J]. Materials Transactions, 2002,43(7): 1615-20.

           [8]Anik M, Korpe E, Sen E. Effect of coating bath composition on theproperties of electroless Ni-B coatings [J]. Surface & Coatings Technology,2008, 202(9): 1718-27.

           [9]Vitry V, Kanta A F, Delaunois F. Mechanical and wearcharacterization of electroless nickel-boron coatings [J]. Surface &Coatings Technology, 2011, 206(7): 1879-85.

           [10]Vitry V, Kanta A F, Dille J, et al. Structural state ofelectroless Ni-B deposits (5 wt % B): characterization by XRD and TEM [J].Surface & Coatings Technology, 2012, 206(16): 3444-9.

           [11]彭淑合, 贾飞, 唐毅, 等. 镁合金直接化学镀Ni-B镀层的腐蚀电化学行为研究 [J]. 腐蚀科学与防护技术, 2009, 21(2): 191-193.Peng SH, Jia F, Tang Y, et al. Corrosion electrochemical behavior of Ni-B coating onMagnesium Alloy AZ91D prepared by directly electroless plating [J]. CorrosionScience and Protection Technology, 2009, 21(2): 191-193 (in Chinese).

           [12]Bülbül F, Altun H, Kü?ük? , et al. Tribological and corrosionbehaviour of electroless Ni-B coating possessing a blackberry like structure[J]. Metals and Materials International, 2012, 18(4): 631-637.

           [13]Bülbül F, Altun H, Kü?ük? , et al. Investigation of structural,tribological and corrosion properties of electroless Ni-B coating deposited on316L stainless steel [J]. Proceedings of the Institution of MechanicalEngineers Part J-Journal of Engineering Tribology, 2013, 227(6): 629-639.

           [14]Correa E, Leta A A, Guerra L, et al. Tribological behavior ofelectroless Ni-B coating on magnesium and AZ91D alloy [J]. Wear, 2013,305(1/2): 115-123.

           [15]Rao Q L, Bi G, Lu Q H, et al. Microstructure evolution ofelectroless Ni-B film during its depositing process [J]. Applied SurfaceScience, 2005, 240(1): 28-33.

           [16]Krishnaveni K, Sankara Narayanan T S N, Seshadri S K.Electroless Ni-B coatings: preparation and evaluation of hardness and wearresistance [J]. Surface & Coatings Technology, 2005, 190(1): 115-121.

         

版权与免责声明:

① 凡本网注明"来源:中国表面工程协会电镀分会"的所有作品,版权均属于中国表面处理网,未经本网授权不得转载、摘编或利用其它方式使用。已获本网授权的作品,应在授权范围内使用,并注明"来源:中国表面工程协会电镀分会"。违者本网将追究相关法律责任。
② 本网凡注明"来源:xxx(非本网)"的作品,均转载自其它媒体,转载目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责,且不承担此类作品侵权行为的直接责任及连带责任。如其他媒体、网站或个人从本网下载使用,必须保留本网注明的"稿件来源",并自负版权等法律责任。
③ 如涉及作品内容、版权等问题,请在作品发表之日起两周内与本网联系,否则视为放弃相关权利。

产业经济

更多>>

热评文章

关于我们 | 宣传推广 | 人才招聘 | 网站留言 | 友情链接 | 网站地图 | 联系方式 | 版权隐私
Copyright © 2011-2014 All Right Reserved 主办:中国表面工程协会电镀分会
邮箱:zgbmcl@126.com zgddxh@126.com 服务电话:010-82235918 传真:010-82237151
京ICP备12023615号-1  技术支持:清木源科技
您是第 位客人