喷射电沉积镍磷合金电化学行为及性能研究

摘要

镍磷合金镀层不仅具有优异的耐磨、耐腐蚀性能，还具有较高的硬度，耐药品性等特性，常被用于提高机械零件的使用寿命和可靠性，改善机械设备的性能和质量。热处理后，其耐磨性和硬度可与电沉积硬铬镀层相媲美，即可代替硬铬镀层，从而大大减轻镀铬过程中六价铬离子对人体的危害和对环境的污染。这些优良的性能使它在农业装备、化学工业、电子工业、精密机械、航空航天工业、矿山工业和汽车工业中得到广泛的应用。
　　获取镍磷合金的方法主要有化学镀和电沉积两种。目前化学镀镍磷合金已经在较多领域得到推广应用，但化学镀价格昂贵，过程难于控制，并且镀液使用寿命短，因此化学镀会浪费大量资源。相对化学镀而言，电沉积镍磷合金不仅操作简单，价格低廉，沉积速度快，而且镀液稳定。然而传统电沉积镍磷合金的方法由于允许使用的极限电流密度低，导致沉积速度慢，生产效率低，难以满足现代化生产的发展需要。近些年发展起来的喷射电沉积，从加速电沉积物质传输过程出发，增大了极限电流密度，加快了沉积速度，大大提高了生产效率。喷射电沉积的基本原理是:镀液经由阳极喷嘴高速喷射于工件表面，在强电场作用下，实现沉积的加工过程。本文对喷射电沉积过程中的电化学行为、制备工艺和镀层性能进行研究，具有重要的研究意义和应用价值。
　　本文主要在电喷镀机床上电沉积Ni-P合金镀层的基础上对喷射电沉积的工艺、电化学行为及镀层性能进行研究，具体包括以下几方面的内容:
　　(1)分析电极过程动力学基础理论。以电极过程为基础，主要包括双电层的结构模型、电极反应的动力学规律以及电极极化曲线的特点，重点分析了浓差极化、电化学极化以及浓差极化与电化学极化共同存在时的动力学方程。为后续喷射电沉积镍磷合金的电化学行为研究提供了理论指导。
　　(2)喷射电沉积Ni-P合金电化学行为研究。结合合金诱导共电沉积基本历程和特点，分析喷射电沉积Ni-P合金的成形机理。研究喷射电沉积Ni-P合金的电化学行为，为后续深入的理论研究做准备;综合分析已有的喷射电沉积理论，采用电化学分析方法，通过Tafel曲线测定喷射电沉积Ni-P合金电极过程的主要动力学参数;分析喷射电沉积Ni-P合金的反应机理，并利用交流阻抗复平面分析法进行验证;采用循环伏安法区别喷射电沉积Ni-P合金的极化类型，系统分析喷射电沉积Ni-P合金的电极阴极极化行为;理论分析动力学参数、极限电流密度、阴极极化对合金成形的影响;并通过对阴极过程的研究，分析添加剂等对Ni-P共沉积影响，找到影响电极Ni-P合金反应的有效方法，从而使电极反应向有利的方向和按适当的速度进行。
　　(3)喷射电沉积Ni-P合金的计算机仿真研究。本文以阴极和阳极之间的加工区域为研究对象，进行电喷镀加工流场和电场的数值模拟研究，主要通过建立流场的数学模型以及二次电镀的数学模型，根据喷射电沉积加工工艺参数设置边界条件，采用COMSOL Multiphysics软件对喷射电沉积加工过程进行数值模拟，分析加工区域流场分布及电场分布对实际加工的影响，不同初始工艺条件下对加工区域进行模拟，得到不同时间阴极生长的轮廓曲线，了解工艺规律。并采用电场及流场分析的方法对初始设计的阳极喷嘴结构进行优化。
　　(4)喷射电沉积Ni-P合金工艺试验研究。采用JMP软件对喷射电沉积Ni-P合金进行试验研究，探讨了电压、镀液温度、两极间隙、镀液流速、两极相对运动速度对镀层沉积速度、镀层硬度及表面粗糙度的影响，通过响应面分析和逐步逼近法分析各影响因子与响应的关系，建立二次回归数学模型;利用期望函数寻优法对多重响应进行参数优化，确定镀层性能最佳的工艺参数。研究结果表明:沉积速度、镀层表面粗糙度Ra和镀层硬度的预测模型的优化方程均极显著，三个回归方程的拟合程度均很好，模型的可信度高，有一定的应用价值;最佳工艺参数组合:电压15V，镀液温度69℃，两极间隙1.5mm，镀液流速1.3m/s，两极相对运动速度170mm/min。在此条件下试验，得到镀层沉积速度为75.76μm/min，表面粗糙度Ra为0.375μm，镀层硬度为731.19HV，相对误差分别为0.36％、1.4％、0.64％，均小于5％，说明回归模型对喷射电沉积镀层沉积速度、表面粗糙度和硬度的分析和预测是可行的。
　　(5)分析喷射电沉积Ni-P合金镀层耐腐蚀机理。采用动电位扫描极化技术及电化学阻抗技术对比研究镍磷合金镀层在50g/L的NaCl溶液中的腐蚀过程，采用电化学分析方法总结腐蚀规律，得到镍磷合金的腐蚀机理。研究结果表明，随着浸泡时间的增加，原始氧化膜减薄，膜层下的Ni-P合金暴露在溶液中产生活性溶解，随后电极表面有腐蚀产物聚集，阻碍腐蚀的进行;腐蚀过程由活化控制转变为镀层和腐蚀产物内的扩散控制;Ni-P合金具有良好的耐蚀性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 Ni-P合金镀层

1．2．1 Ni-P合金的性能及制备方法

1．2．2 电沉积Ni-P合金镀液成分及工艺条件

1．2．3 电沉积Ni-P合金的特点

1．2．4 电沉积Ni-P合金的研究现状

1．3 喷射电沉积

1．3．1 喷射电沉积原理

1．3．2 喷射电沉积的研究现状

1．3．4 喷射电沉积镍磷合金的研究现状

1．4 喷射电沉积技术在工业和农业装备上的应用

1．5 本文的研究目的和内容

1．5．1 研究目的和内容

1．5．2 研究技术路线

参考文献

第二章 电极过程的动力学理论分析

2．1 电极过程

2．1．1 双电层的结构模型

2．1．2 电极反应动力学规律

2．1．3 电极的极化

2．1．4 极化曲线和极化度

2．2 扩散电流和电迁移电流

2．2．1 液相传质过程

2．2．2 稳态扩散和暂态扩散

2．2．3 扩散电流和电迁移电流

2．3 浓差极化条件下的动力学方程

2．3．1 反应产物生成独立相

2．3．2 反应产物可溶

2．4 电化学极化条件下的动力学方程

2．5 浓差极化与电化学极化共存时动力学方程

2．6 本章小结

参考文献

第三章 喷射电沉积镍磷合金的电化学行为

3．1 试验装备

3．1．1 试验装备

3．1．2 工作电极前处理

3．1．3 基本镀液的配置

3．2 添加剂对电沉积的影响

3．3 喷射电沉积镍磷合金的阴极极化行为

3．4 喷射电沉积镍磷合金动力学参数的测定

3．4．1 温度对动力学参数的影响

3．4．2 间隙对动力学参数的影响

3．4．3 镀液流速对动力学参数的影响

3．5 喷射电沉积镍磷合金沉积行为的研究

3．5．1 金属的电结晶理论

3．5．2 循环伏安曲线分析

3．5．3 交流阻抗谱分析

3．6 本章小结

参考文献

第四章 喷射电沉积镍磷合金的仿真研究

4．1 COMSOL Multiphysics简介

4．1．1 CFD模块简述

4．1．2 电沉积模块简述

4．2 喷射电沉积加工区域的数值模拟研究

4．2．1 几何模型的建立

4．2．2 数学模型的建立

4．2．3 利用COMSOL对加工区域模拟

4．3 喷嘴结构的改进设计

4．4 优化后喷嘴在不同初始条件下的模拟分析

4．4．1 不同电压条件下对加工区域模拟

4．4．2 不同镀液流入速度条件下对加工区域模拟

4．4．3 不同间隙条件下对加工区域模拟

4．5 本章小结

参考文献

第五章 喷射电沉积镍磷合金工艺试验研究

5．1 试验目的

5．2 工艺方案与试验装置

5．2．1 工艺方案

5．2．2 试验装置

5．3 试验设计

5．3．1 JMP软件简介

5．3．2 回归设计

5．4 试验结果与分析

5．4．1 试验结果

5．4．2 试验分析

5．5 本章小结

参考文献

第六章 喷射电沉积镍磷合金耐腐蚀机理研究

6．1 腐蚀速度

6．2 喷射电沉积Ni-P合金镀层在NaCl溶液中的耐蚀性

6．2．1 Ni-P合金镀层在NaCl溶液中的极化曲线

6．2．2 Ni-P合金镀层在NaCl溶液中的交流阻抗谱

6．3 Ni-P合金镀层在NaCl溶液中的腐蚀机理

6．4 本章小结

参考文献

第七章 工作总结与展望

7．1 工作总结

7．2 主要创新内容

7．3 后续研究建议及展望

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文