稀土元素添加对镍磷镀层微观结构及耐蚀性能的影响研究

摘要

论文研究了添加纳米稀土CeO2对酸性Ni-P化学镀层微观结构及耐蚀性能的影响。在前期试验研究化学镀的基础上，在低碳钢基体表面制备Ni-P/CeO2复合镀层。借助超声波震荡分散CeO2纳米颗粒；环境扫描电镜(E-SEM)对镀层晶粒微观形貌及浸泡试验的腐蚀形貌进行观察；透射电镜(TEM)对镀层晶粒结构观察；能谱(EDS)测定添加稀土对镀层化学成分的影响；X射线衍射仪(X-ray)对镀层晶体结构进行表征；恒电位仪进行电化学极化曲线(Tafel曲线)测定等。
　　 试验结果表明：稀土纳米颗粒CeO2合理加入量为(18～25)g·L-1，通过充分搅拌震荡，分散效果达到最佳。添加稀土能有效地提高镀层P含量(12％以上)。利用透射电子显微镜(TEM)对晶粒微观结构进行观察，借助X射线衍射仪对晶体结构分析，发现：添加稀土元素后晶体择优生长状况发生了改变，晶态结构也发生变化；Ni-P镀层呈部分非晶态并伴随Ni纳米晶，而Ni-P/CeO2复合镀层则完全是非晶态，添加稀土后，晶胞结构变得更加圆整致密，晶粒更细小且达纳米级。主要因为稀土与Ni-P镀层复合共沉积，提高了沉积电位和界面能，阻碍Ni沉积，相比之下，却使P形核数目增多，保证镀层形成非晶态所需P的含量。腐蚀试验观察表明：添加稀土后，镀层孔隙率降低，由原来局部点蚀变成均匀化腐蚀且腐蚀程度降低。在酸性镀液沉积过程中，部分离子Cen+(n=3，4)吸附在金属与液相双电层之间，阻碍晶粒Ni沉积，而提高P含量。恒电位仪进行Tafel极化曲线测定，发现：添加稀土前后镀层虽都呈负电位，但添加稀土后，复合镀层电位正移，腐蚀电流密度降低1个数量级。由电化学原理可知，腐蚀电位正移，电流密度变小，耐蚀性得到提高。
　　 此外，还研究了镀后时效热处理对镀层晶体结构、显微硬度等方面影响。研究发现：450℃2.5h时效热处理过程中，两种镀层均发生了Ni的纳米晶化和Ni3P相的沉淀析出，而Ni-P/CeO2复合镀层中还伴随产生NiCe2O4尖晶石相、纳米CeO2等相析出，并优先偏析钉扎在晶界、微孔等缺陷处。经过时效处理后，晶粒间缺陷得到有效填充和充分扩散，从而有效提高了致密度，显微硬度高达1000HV。主要由于在时效时，纳米稀土颗粒伴随Ni、P复合共沉积，填充在晶界等缺陷处，净化晶界，降低P、S等杂质元素活性；在晶界、孔隙等处生成致密氧化物CexOy，弥散强化作用，降低孔隙率，有效地提高致密度和耐蚀性。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

第一章 绪论

1.1引言

1.2稀土元素

1.2.1概述

1.2.2稀土在表面改性中作用

1.3课题来源及意义

1.4国内外研究状况及应用

1.4.1国内外研究状况

1.4.2国内外应用

1.5本论文研究的主要内容

第二章化学复合镀镍磷机理

2.1化学镀原理

2.2化学镀镍磷成膜理论

2.2.1化学镀镍磷热力学

2.2.2化学镀镍磷动力学

2.3化学镀Ni-P原理

2.4化学复合镀机理

2.4.1化学复合镀概述

2.4.2化学复合镀层机制

2.4.3复合镀沉积机理

2.5 Ni-P-RE复合共沉积条件

2.6化学复合镀层特点

2.7影响化学复合镀的因素

2.8化学复合镀层应用

2.9本章小结

第三章镍磷化学镀的影响因素

3.1常见镍磷化学镀溶液

3.2影响镀液质量的主要因素

3.3复合镀液的补加与维护

3.4本章小结

第四章 Ni-P/CeO2化学复合镀工艺

4.1化学镀镍基体材料选择

4.2工艺安排及实验过程

4.3工艺配方

4.3.1常用化学镀镍磷配方溶液

4.3.2化学复合镀液Ni-P/CeO2

4.3.3化学镀镍液配制

4.4镀层后处理工艺

4.4.1提高镀层显微硬度

4.4.2提高与基体结合强度

4.4.3化学镀镍层退镀

4.5稀土加入量的合理控制

4.6 Ni-P/CeO2化学复合沉积机理

4.7本章小结

第五章 Ni-P/CeO2镀层微观结构及性能检测

5.1复合镀层的形貌结构

5.1.1复合镀层中稀土成分表征

5.1.2晶体结构

5.1.3环境扫描电镜(E-SEM)对镀层晶粒形貌的观察

5.1.4稀土CeO2颗粒含量对镀层形貌的影响

5.2 P含量对晶体结构影响

5.3透射电镜(TEM)对于晶粒结构的分析

5.4复合镀层机械性能检测

5.4.1镀层性能检测设备及仪器

5.4.2显微硬度

5.4.3化学成分影响

5.4.4镀层相图分析

5.4.5镀层结合力及内应力

5.5时效热处理对镀层性能及晶态结构影响

5.5.1时效热处理对显微硬度影响

5.5.2时效热处理对晶态结构影响

5.6镀层腐蚀行为

5.7本章小结

第六章 CeO2添加对镀层耐蚀性影响

6.1添加稀土元素前后腐蚀形貌的比较

6.2稀土CeO2在晶粒中形态分布

6.3镀层极化曲线测定

6.4时效热处理对晶态结构影响

6.4.1镀层晶粒结构TEM图

6.4.2镀层晶体结构

6.5时效热处理对耐蚀性影响

6.6本章小结

第七章 结论与展望

7.1结论

7.2未来展望

7.2.1加强环境保护和职业安全与卫生

7.2.2化学复合镀未来努力方向

参考文献

致 谢

作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文目录