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关 键 词：电沉积,Fe-Ni-Cr合金,工艺,耐蚀性 作 者：杨放,谢发勤,吴向清 内 容： （西北工业大学航空学院，陕西西安710072） 摘要：在氯化物-硫酸盐体系中，采用电沉积法在45#钢基体上制备Fe-Ni-Cr合金镀层，研究了电流密度、温度及pH值对合金镀层成分的影响。借助扫描电镜、能谱仪、X射线衍射分析了合金镀层的表面形貌、成分和相组成，采用电化学法和盐雾实验评价了镀层的耐蚀性。结果表明：Fe-Ni-Cr三元合金镀层均匀、致密、光滑，镀层中Cr的质量分数为15.63 %,Ni的质量分数为9.96 %;在一定范围内提高电流密度、镀液的pH值和温度可以增加镀层中的Cr的质量分数，镀层的耐蚀性也得到相应的提高。 关键词：电沉积； Fe-Ni-Cr合金；工艺；耐蚀性 中图分类号：TQ 153 文献标识码：A 文章编号：1000-4742（2011）03-0014-04 0 前言 Fe-Ni-Cr合金具有优良的耐磨性和耐蚀性，光泽柔和，是理想的防护装饰材料，也是一种高导磁材料，因此受到广泛关注。用电沉积法制备Fe-Ni-Cr合金镀层，不仅具有冶炼法生产的同类合金的优点，同时还具有结构均匀、成分容易调整、硬度高、外表美观、耐蚀性好、工艺简单、操作方便、能耗小、成本低[1-4]等特点；且相较于六价铬，三价铬电沉积Fe-Ni-Cr合金具有毒性小、深镀能力和均镀能力好、结晶速率快、电流密度范围宽、电流效率较高、可常温操作等优点。 目前，电沉积Fe-Ni-Cr合金镀层主要有4种体系，分别是氯化物体系、硫酸盐体系、氯化物-硫酸盐混合体系以及DMF-水溶液体系[5-8]。本文在氯化物-硫酸盐混合体系下研究了电沉积工艺参数对合金镀层中Cr的质量分数的影响以及镀层耐蚀性与镀层中Cr的质量分数的关系。 1 实验 1.1 实验材料 阳极为镍板，阴极为45#钢，试样规格为30 mm×20 mm×3 mm。 1.2 实验仪器 WYZ-8型直流稳压电源（额定电压0~50 V,额定电流0~7.5 A），C32-A型电流表，JB25-W型恒温玻璃水浴槽，PHS-3C型精密pH计，电子恒速搅拌机。 1.3 镀液组成 镀液组成：CrCl3·6H2O 120 g/L,ρNi2+∶ρFe2+=0.02,NaBr 20 g/L,H3BO340 g/L,柠檬酸35g/L,柠檬酸钠30 g/L,润湿剂、稳定剂、光亮剂均适量。试剂均为分析纯，用去离子水配制镀液。 1.4 测试方法 采用Hitachi S-570型扫描电子显微镜和Kratosxsam 800型电子能谱仪对镀层成分、微观组织形貌进行分析。 采用SHIMADZU公司生产的XRD-7000型X射线衍射仪分析镀层组织结构和镀层腐蚀产物。主要参数为：衍射角2°，Cu靶，扫描范围20°~80°，电压40 kV,电流35 mA,扫描速率10°/min。 采用Parstat 2273型电化学工作站，在质量分数为3.5 %的NaCl溶液中测定镀层的极化曲线。采用三电极体系，其中工作电极为Fe-Ni-Cr合金镀层，辅助电极为铂片，参比电极为饱和甘汞电极。利用SY/Q-750型盐雾腐蚀试验箱，采用铜盐加速乙盐雾实验检测镀层的耐蚀性。 2·结果与讨论 2.1 工艺条件对镀层的影响 2.1.1 电流密度的影响 Fe-Ni-Cr合金镀层的厚度随着电流密度的增大几乎成正比例增大。这是由于随着电流密度增大，Fe-Ni-Cr合金电沉积的反应速率加快所致；但当电流密度过大（>20 A/dm2）时，析氢副反应加剧，镀层表面容易出现针孔和气道，镀层周边高电流密度区更容易出现烧焦现象，导致镀层的质量严重下降。
由图1可知：当阴极电流密度增大时，镀层中Cr的质量分数增加。这是由于随着电流密度的增加，阴极极化增大，有利于电位较负的金属Cr的沉积。由此可见，电流密度对镀层组成影响较大。 2.1.2 pH值的影响 pH值对镀层的影响主要是由于其改变了金属离子的化学结合状态，对配位离子的组成和稳定性影响较大。
图2为pH值对镀层中Cr的质量分数的影响。由图2可知：当pH值过低时，析氢反应占优势，三价铬几乎不沉积，镀液覆盖能力差，镀层灰白并破裂；随着pH值逐渐升高，析氢反应受到的抑制作用增强，当pH值为2.0左右时，镀层中Cr的质量分数达到最大值；当pH值超过2.0后，镀层中Cr的质量分数随pH值升高而逐渐下降。这是因为阴极扩散层内的三价铬与溶液中的OH-容易发生羟桥基聚合反应，生成非常稳定的聚合物，使三价铬很难从中脱逸出来，不利于Cr的电沉积。此外，当pH值为2.5左右时，镀层厚度达到最大值。 2.1.3 温度的影响 图3为温度对镀层中Cr的质量分数的影响。由图3可知：当温度较低时，镀层中Cr的质量分数随温度升高而升高，当温度高于32℃以后，镀层中Cr的质量分数则出现下降趋势。这是因为当温度过低时，金属离子的扩散速率较慢，槽电压较高，不利于电化学反应的进行，镀层色泽灰暗，四周有大面积灰黑色物质产生，不适合于Fe-Ni-Cr合金镀层的形成。而当温度过高后，一方面使电化学极化减小，不利于电位较负的三价铬沉积；另一方面降低了氢析出的过电位，阴极析氢加剧，pH值升高，加速了三价铬的羟桥基化反应，阻碍了三价铬的电沉积。同时，温度过高，镀液挥发损失严重，也不利于金属的电沉积。
经过上述分析讨论，最终确定镀液的组成及工艺条件为：pH值1.8,20 A/dm2,30°C。 2.2 镀层性能测试 2.2.1 镀层形貌 图4为采用优化工艺制备得到的Cr的质量分数为15 %的Fe-Ni-Cr合金镀层的表面形貌。由图4可知：镀层表面由均匀、致密的球形晶粒组成，没有明显的凸起或凹陷。
2.2.2 镀层成分与结构 图5为采用优化电镀工艺制备得到的Fe-Ni-Cr合金镀层的EDS图。由图5可知：Fe-Ni-Cr合金镀层中Cr的质量分数为15.63 %,镍的质量分数为9.69 %。
图6为采用优化电镀工艺制备得到的Fe-Ni-Cr合金镀层的XRD图。图中没有发现金属Cr的衍射峰，镀层是以Fe-Ni-Cr固溶体形式存在的，在2θ为44.645°和64.975°附近出现明显的衍射峰，表明其为晶体结构，对应面为（110）和（200）。
2.2.3 电化学腐蚀实验 图7和表1分别为在质量分数为3.5 %的NaCl溶液中测定45#钢基体和不同成分Fe-Ni-Cr合金镀层的极化曲线及其自腐蚀电流密度和开路电位。可以看出：Fe-Ni-Cr合金镀层与基体相比，开路电位正移，自腐蚀电流密度减小，说明合金镀层提高了基体的耐蚀性；当镀层中Cr的质量分数为15.63 %时，自腐蚀电流密度最小，为7.943μA/dm2,镀层耐蚀性能最好。
2.2.4 铜盐加速乙酸盐雾实验（CASS） Fe-Ni-Cr合金镀层经铜盐加速乙酸盐雾实验（CASS）后出现锈蚀的时间，如表2所示。由表2可知：随镀层中Cr的质量分数的提高，镀层出现锈蚀的时间延长。这与电化学腐蚀实验的结果相符。
3 结论 通过以上分析和讨论，得到以下结论： （1）采用优化的配方和工艺条件，可以在45#钢上沉积出Cr的质量分数为15.63 %、Ni的质量分数为9.69 %的Fe-Ni-Cr三元合金镀层。 （2） Fe-9.69Ni-15.63Cr三元合金镀层结晶细致，表面光洁、无裂纹。 （3） Fe-Ni-Cr三元合金镀层可以明显改善45#钢的耐蚀性，且镀层中Cr的质量分数的升高有利于提高镀层的耐蚀性。 参考文献： [1]马正青，黎文献，肖于德，等。电沉积Fe-Ni-Cr合金工艺参数对镀层铬含量的影响[J].材料保护，2000,33（6）：417-419. [2]冯绍彬，冯丽婷，商士波。电镀不锈钢工艺及镀液稳定性的研究[J].材料保护，2004,37（1）：46-47. [3]徐泽玮。电源技术中应用的软磁材料发展回顾和分析[J].金属功能材料，2001,8（6）：1-9. [4]屠振密。电镀合金原理与工艺[M].北京：国防工业出版社，1993. [5]冯绍彬，董会超，夏同驰。 Fe-Ni-Cr不锈钢镀层的电镀工艺研究[J].郑州轻工业学报：自然科学版，2002 ,17（2）：1-4. [6]李东林，郭芳洲。电镀Fe-Ni-Cr合金及Fe-Ni合金相组成研究[J].电镀与精饰， 1994,16（2）：9-13. [7]邓姝皓。脉冲电沉积纳米晶铬-镍-铁合金工艺及其基础理论研究[D].长沙：中南大学， 2003. [8]何湘柱。电沉积非晶态Fe-Ni-Cr合金工艺研究[D] .长沙：中南工业大学，1999. 注：本站部分资料需要安装PDF阅读器才能查看，如果你不能浏览文章全文，请检查你是否已安装PDF阅读器！ |
