TiO涂层与化学镀Ni—P用于铸件表面处理的研究

论文导读:：低毒的化学镀Ni—P。若镀层存在与基体相通的孔隙时。但由于其沉积速率慢、镀层薄。有较好的耐腐蚀性、耐磨性和较高的硬度。
论文关键词：TiO₂薄膜，化学镀Ni—P，孔隙，沉积速率，耐腐蚀性
 

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Ni—P，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^[1]。化学镀Ni—P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^[2],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耐腐蚀性，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。

TiO₂薄膜耐酸、耐碱，抗光腐蚀，为优良的耐腐蚀材 料^[3]。但TiO₂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Ni—P工艺的基础上增加了涂覆TiO₂薄膜的工序，形成的TiO₂薄膜有效填补了铸件孔隙，有利于Ni—P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，TiO₂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；RIM—2.8—10A型马弗炉；电热鼓风干燥箱；TN—100B型扭力天平（精度0.01g）；XJL—02A立式金相显微镜

工艺流程：

机械除锈→化学除油→水洗→涂覆TiO₂薄膜→干燥→化学镀Ni—P→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．TiO₂溶胶的制备^[4] ：在48ml的钛酸丁酯中加入8ml的冰醋酸耐腐蚀性，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．TiO₂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TiO₂薄膜的铸铁样件。

4．化学镀Ni—P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，用蒸馏水溶解论文发表。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^[5]。将附有TiO₂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TiO₂薄膜的化学镀Ni—P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：

（μm/h）

式中W₁、W₂、分别表示施镀前后试样的重量，密度取7.8g/cm³，A为试件表面积（cm²），t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TiO₂薄膜再镀Ni—P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. 1 The contrast of thedeposition velocity of different techniques

2.2耐腐蚀性能实验结果对比及讨论

将普通化学镀层和先经TiO₂薄膜处理的化学镀Ni—P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TiO₂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. 2 The results of soakingtests

图1 两种不同工艺镀层的耐腐蚀实验对比

Fig.1 The contrast betweentwo different craft coatings of resistant to corrosion experiment

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

Fig.2 The sample without anytreatment

图3化学镀Ni—P后的样件

Fig.3The sample after chemical plating Ni-P

图2是未经处理的样件，图3是化学镀Ni—P后的样件。由图3可以看出化学镀Ni—P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Ni—P的防腐优势得不到发挥。

图4附着TiO₂薄膜的样件

Fig.4 The sample with TiO₂ thin film

图5附着TiO₂薄膜的化学镀Ni—P样件

Fig.5 The sample withchemical plating Ni-P and TiO₂ thin film

图4是附着薄膜的样件表面形貌耐腐蚀性，图5是附着TiO₂薄膜的化学镀Ni—P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TiO₂薄膜本身十分致密，硬度较高又有较强的防腐蚀性，镀Ni—P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TiO₂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Ni—P，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Ni—P流程中添加一道TiO₂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，TiO₂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]
[1]周海晖.化学镀镍磷溶液稳定性的研究[J]. 电镀与环保，1999，1.
[2]张而耕，王志文.溶胶——凝胶法制备纳米TiO2超细粉末[J]. 机械工程材料，2002，3.
[3]张永峰，崔朝霞，马玲俊.化学镀镍超载荷稳定性试验[J]. 电镀与环保，2001，4.
[4]朱力群，吴俊.化学镀镍层封孔新工艺的研究[J]. 电镀与涂饰，2002，3.