表面活性剂对镁合金化学复合镀Ni—P—SiC的影响.pdf

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表面活性剂对镁合金化学复合镀Ni—P—SiC的影响1 表面活性剂对镁合金化学复合镀Ni—P—SiC的影响2 表面活性剂对镁合金化学复合镀Ni—P—SiC的影响3 表面活性剂对镁合金化学复合镀Ni—P—SiC的影响4 表面活性剂对镁合金化学复合镀Ni—P—SiC的影响5
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——表面活性剂对镁合金化学复合镀NiPSiC的影响23——表面活性剂对镁合金化学复合镀NiPSiC的影响———EffectofSurfactantsonElectrolessPlatingNiPSiCCompositeCoatingonMagnesiumAlloy黄伟九,薛燕(重庆理工大学材料科学与工程学院,重庆400050)—HUANGWeijiu,XUEYan(CollegeofMaterialsScienceandEngineering,ChongqingUniversityofTechnology,Chongqing400050,China)摘要:本工作系统地考察了十二烷基苯磺酸钠(ABNa)、十二烷基硫酸钠(Ds)、聚乙二醇(6000)(PEG(6000))、吐温一8O——(Tween一80)等表面活性剂及其组合对镁合金化学复合镀NiPSiC的镀液稳定性、镀速、镀层表面形貌和性能的影响,并——优选了适合镁合金化学复合镀NiPSiC镀层的表面活性剂。结果表明:随着表面活性剂加入,镀液稳定性明显改善;表面活性剂的种类对镀速有重要影响,含十二烷基苯磺酸钠+聚乙二醇(6000)复合型表面活性剂的镀液镀速最快。综合——考虑复合镀层的表面质量、显微硬度和耐腐蚀性能,优选的适于镁合金化学复合镀NiPSiC的表面活性剂是十二烷基硫酸钠+聚乙二醇(6000)的复合物。—关键词:镁合金;化学复合镀NiP-SiC;表面活性剂;耐蚀性中图分类号:TG178文献标识码:A——文章编号:10014381(2010)01002305—Abstract:Theeffectofdifferentsurfactants,suchasneopelex(ABSNa),laurylsodiumsulfate(DS),—polyethyleneglycol(6000)(PEG(6000)),Tween一80andtheirmixtures,onthestabilityofplatingSO———lution,depositionvelocityofelectrolessplatingNiPSiC,morphologyandperformancesofNiP~SiC—compositecoatingonmagnesiumalloyswasstudied.Further,theoptimizationsurfactantforelectro—lessplatingNiPSiCcompositecoatingonmagnesiumalloyswasselected.Theresultsshowthatthe—surfactantscanevidentlyimprovethestabilityofelectrolessplatingNiPSiCsolution,thespeciesof—surfactantshaveanimportanteffectondepositionvelocity,thedepositionvelocityoftheplatingsolutioncontainingneopelex+polyethyleneglycol(6000)isthefastest.Basedonthesurfacequality,——hardnessandanticorrosionperformanceoftheNiPSiCcompositecoating,mixtureoflaurylsodiumsulfate+polyethyleneglycol(6000)isselectedasthebestadaptivesurfactantforelectrolessplating——NiPSiCcompositecoatingonmagnesiumalloys.———Keywords:magnesiumalloy;electrolessplatingNiPSiC;surfactant;anticorrosion随着宇航、电子、机械等工业的迅猛发展,具有更—多特殊功能的复合镀层日益取代NiP合金镀层,成为新的研究方向和视点。化学复合镀镍磷是在化学镀液—中加入不溶性微粒,使之与NiP合金共沉积,从而获得各种不同物理化学性质镀层的一种工艺[1]。根据化学复合镀镍磷层的性质和用途,可分为五种:耐磨性复合镀层、自润滑减摩复合镀层、防护装饰性复合镀层、可形成热扩散合金的复合镀层,以及具有其他特殊功能的复合镀层,其中耐磨性和自润滑减摩复合镀层应用最为广泛l_2j。———NiPSiC复合镀层是在NiP化学镀液中添加高硬度微粒SiC,而形成的耐磨性复合镀层。第二相微粒SiC弥散分布在镀层中,其分散强化作用和抗磨作用,使复合镀层强度和硬度更高,耐磨性更好]。但是,SiC微粒易团聚,不易分散和稳定悬浮,常诱发镀液稳定性下降导致分解失效。为了解决这一问题,可通过在镀液中加入表面活性剂达到润湿微粒表面,分散微粒,提高镀液稳定性的目的]。使用的表面活性剂分为阴离子型、阳离子型和非离子型三类,视微粒在溶液中的电性情况进行选择;其中常用的阴离子型表面活性剂包括十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、十二烷基聚氧乙烯醚硫酸钠等;非离子型表面活性剂包括聚乙二醇、吐温一8O、司班一8O等。目前,国内外关于镁合金化学复合镀的研究报道较少。作者在实验研究24材料工程/2010年1期—的基础上,根据SiC微粒在NiP镀液中的电性,系统地考察了阴离子型和非离子型两类表面活性剂及其组——合对镁合金化学复合镀NiPSiC镀层性能的影响,并——优选了适合镁合金化学复合镀NiPSiC的表面活性剂。1实验1.1试样制备以AZ91D镁合金为实验材料,将它切割成尺寸为20mm×10mm×10mm的长方体,用砂纸由粗到细逐级打磨,将打磨好的试样在无水乙醇中超声清洗10min,干燥后待用。镀液基础配方及工艺条件如下:碱式碳酸镍15g/L,次亚磷酸钠30g/L,氟化氢铵15g/L,氢氟酸15mL/L,乙酸钠15g/I,稳定剂硫脲微量,其他添加剂适量。化学镀配方均为分析纯试剂,以去离子水为溶剂;用氨水调节pH值为4.5~6。SiC微粒(1~2ptm)lg/L,先在少量镀液中加入表面活性剂超声分散℃15min后,倒入镀液中于36搅拌1h后升温施镀;施℃镀温度为85,时间2h。在该工艺条件下,对添加了同等质量(60rag/L)的—八种表面活性剂:十二烷基苯磺酸钠(ABSNa)、十二烷基硫酸钠(DS)、聚乙二醇(6000)(PEG(6000))、吐温一80(Tween一80)、十二烷基苯磺酸钠+聚乙二醇—(6000)(ABSNa+PEG(6000))、十二烷基硫酸钠+聚乙二醇(6000)(DS+PEG(6000))、十二烷基苯磺—酸钠+吐温一80(ABSNa+Tween一80)。以及十二烷基——硫酸钠+吐温一80(DS+Tween一80),所得的NiPSiC复合镀层的性能进行了实验研究。1.2镀层性能测试复合镀层表面形貌采用JSM6460LV扫描电镜进行观察;硬度用HVS1000型显微硬度计,加载1.96N,保持20s进行测定,以5次测试结果的平均值表征。复合镀层耐腐蚀性能通过M273恒电位仪测定它在3%NaC1溶液中的极化曲线来表征,其中,M273恒电位仪的参比电极、辅助电极和工作电极分别为甘汞电极、铂电极和已镀试样。2结果与讨论2.1表面活性剂对镀液稳定性和镀速的影响未加表面活性剂的镀液,在施镀进行到20~30min时,即产生大量气泡,生成黑色沉淀,发生分解Ⅱ失效.力人表面活性剂后,镀液稳定性显著提高,在实验的2h内镀液未发生分解,使试样在2h内均为有效施镀。说明选取的八种表面活性剂均能起到抑制镀液分解失效,稳定镀液的作用。施镀结束后,添加不同表面活性剂的镀液制备的试样质量增加呈现差异,说明表面活性剂的种类对镀速有一定影响,含不同表面活性剂的镀液镀速如图1所示。30图1不同表面活性剂对镀速的影响(a)十二烷基苯磺酸钠;(b)十二烷基硫酸钠;(c)聚乙二醇(6000)(d)吐温一8o;(e)十二烷基苯磺酸钠+聚乙二醇(6000);(f)十二烷基硫酸钠+聚乙二醇(6000);(g)十二烷基苯磺酸钠+吐温80;(h)十二烷基硫酸钠+吐温一8OFig.1Theeffectofdifferentsurfactantsondepositionrates(a)ABSNa;(b)DS;(c)PEG(6000);(d)Tweell一80;(e)ABSNa+PEG(6000);(f)DS+PEG(6000);—(g)ABSNa+Tween80;(h)DS+Tween一80由图1可知:在八种表面活性剂中,以含十二烷基苯磺酸钠+聚乙二醇(6000)的镀液镀速最快,试样质量增加最多;其次是十二烷基硫酸钠+聚乙二醇(6000),镀速较慢的是十二烷基硫酸钠及十二烷基苯磺酸钠+吐温8O的组合。这说明当选取适当的表面活性剂时,不但使SiC微粒充分润湿分散,同时也使被镀基体表面的润湿性得到提高,这样既有利于镀液与基体表面充分接触,也有利于反应副产物氢气快速逸出,从而增加镀液与基体的反应机会,使镀速较快l7];相反,如果选取的表面活性剂不合适,将会阻碍镀液与基体表面的接触反应,导致镀速较低。从图1还发现:十二烷基苯磺酸钠(或十二烷基硫酸钠)+聚乙二醇(6000)两种复合型表面活性剂镀液的镀速明显高于单一表面活性剂镀液的镀速;但含十二烷基苯磺酸钠(或十二烷基硫酸钠)+吐温一8O复合型表面活性剂的镀液镀速却低于单独使用吐温一80的镀液。这可能是由于聚乙二醇中羟基呈链条状,更易附着于SiC微粒表面形成水化层,为十二烷基苯磺酸钠(或十二烷基硫酸钠)离解产物吸附于微粒表面,使微粒充分润湿,增加镀液与基体的反应机会,提高镀速提供了良26材料工程/2010年1期将附着于SiC微粒表面的空气以镀液取代,形成水化层,破碎其团簇,使它充分润湿分散;同时,十二烷基硫酸钠的离解产物吸附于SiC微粒表面,通过界面电荷形成双电层,增加SiC微粒间的静电斥力位能,以静电斥力进一步阻止其团簇,实现它在镀液中的稳定悬浮,从而使SiC微粒均匀分散在镍磷镀层中[90];而吐温一80及其与阴离子型复合的表面活性剂,没有起到此类作用,致使SiC微粒在镍磷镀层中呈聚集分布。—通过NiPSiC复合镀层表面形貌的对比和能谱分析,可以认为以十二烷基硫酸钠+聚乙二醇(6000)为表面活性剂制备的复合镀层的质量优于其他镀层。2.3表面活性剂对复合镀层性能的影响镀液中加入不同表面活性剂后所得的复合镀层显微硬度如图3所示。由图3可知:含吐温一80、十二烷基苯磺酸钠+吐温一80和十二烷基硫酸钠+吐温一8O的镀液得到的复合镀层显微硬度明显高于其他镀层的硬度,这可能是由于SiC微粒聚集,使局部显微硬度较高导致的。除此以外,十二烷基硫酸钠+聚乙二醇(6000)的复合镀层显微硬度较高(558.6HV),聚乙二醇(6000)复合镀层硬度最低,这样的结果与镀速和镀层表面形貌密不可分。十二烷基硫酸钠+聚乙二醇(6000)镀液的镀速相对较快,在SiC微粒润湿分散较—好、稳定悬浮的基础上,不仅有利于NiP组织捕获SiC微粒形成复合镀层,而且也有利于复合镀层在基体上的有效覆盖度和厚度明显增加,所以SiC微粒在镀层中弥散均匀分布所起到的分散强化作用和足够的有效镀层厚度势必使其显微硬度较高;同时,其复合镀层胞状突起物大小均匀、排列紧密也是其显微硬度较高的原因。而含聚乙二醇(6000)镀液制备的复合镀层表现出的胞状组织粗大、不均匀,且SiC含量较低等弊端,必然使其显微硬度较低。650600550500450400图3不同表面活性剂镀层的显微硬度(a)十二烷基苯磺酸钠;(b)十二烷基硫酸钠;(c)聚乙二醇(6000)(d)吐温一8O;(e)十二烷基苯磺酸钠+聚乙二醇(6000);(f)十二烷基硫酸钠+聚乙二醇(6000);(g)十二烷基苯磺酸钠+吐温80;(h)十二烷基硫酸钠+吐温一8OFig.3Microhardnessofcompositecoatingswithdifferentsurfactants(a)ABSNa;(b)DS;(c)PEG(6000);(d)Tween一8O;(e)ABSNa+PEG(6000);(f)DS+PEG(6000);—(g)ABSNa+Tween一8O;(h)DS+Tween一80在评价镀层性能优劣时,不仅要考虑其硬度指标,还要兼顾其耐腐蚀性能的好坏。图4示出了在3NaC1溶液中不同表面活性剂镀液所得复合镀层的塔菲尔曲线。根据曲线得到的含不同表面活性剂镀液制备的复合镀层的自腐蚀电位和腐蚀电流密度如表1所刀。图4不同表面活性剂镀层的塔菲尔曲线(a)十二烷基苯磺酸钠;(b)十二烷基硫酸钠;(c)聚乙二醇(6000);(d)吐温一80;(e)十二烷基苯磺酸钠+聚乙二醇(6000)(f)十二烷基硫酸钠+聚乙二醇(6000);(g)十二烷基苯磺酸钠+吐温一80;(h)十二烷基硫酸钠+吐温8OFig.4Tafliercurvesofcompositecoatingswithdifferentsurfactants(a)ABS-Na;(b)DS;(c)PEG(6000);(d)Tween80;—(e)ABS-Na+PEG(6000);(f)DS+PEG(6000);(g)ABSNa+Tween一8O;(h)DS+Tween80一——表面活性剂对镁合金化学复合镀NiPSiC的影响27自腐蚀电位是材料稳定性的热力学判据,表征材料腐蚀的难易程度,电位越高,材料越不容易被腐蚀;而腐蚀电流表征材料腐蚀的快慢程度,腐蚀电流越大,材料腐蚀的速度就越快。由表1可知:从自腐蚀电位看,以十二烷基硫酸钠+聚乙二醇(6000)为表面活性剂形成的复合镀层的自腐蚀电位最高,表明其耐蚀性能最好,而以十二烷基硫酸钠为表面活性剂形成的复合镀层自腐蚀电位最低,耐蚀性能最差。这种现象可通过复合镀层的表面形貌进行阐释,对比图2(b),(f)不难发现:以十二烷基硫酸钠为表面活性剂的复合镀层表面凹凸不平,有许多空洞,这些空洞在腐蚀性介质中会形成孔蚀,并加剧电偶腐蚀,加速镀层破坏,使镀层耐蚀性较差;而以十二烷基硫酸钠+聚乙二醇(6000)为表面活性剂的复合镀层表面质量较好,胞状物大小均匀、排列紧密,这使得镀层在腐蚀介质中不易形成电势差较大的腐蚀点,从而表现出较好的耐蚀性。从腐蚀电流看:复合镀层的腐蚀电流密度均较大,这主要是由于为了表征镀层表面原始状态的耐蚀性能,未对测试表面进行封闭处理而直接进行测试造成的;但从腐蚀电流的数值看:以十二烷基硫酸钠+聚乙二醇(6000)为表面活性剂形成的复合镀层的腐蚀电流较其他镀层小一个数量级,这说明该复合镀层具有较低的腐蚀速率。从以上实验结果综合分析:含十二烷基硫酸钠和聚乙二醇(6000)复合型表面活性剂的镀液镀速较快,所得复合镀层表面质量较好,SiC微粒分散均匀,综合性能优良,是镁合金化学复合镀理想的表面活性剂。3结论(1)表面活性剂的加入可有效减缓镀液分解失效,显著提高镀液稳定性;表面活性剂的种类对镀液的镀速有重要影响,含十二烷基苯磺酸钠+聚乙二醇(6000)的复合型表面活性剂的镀液镀速最快。(2)不同表面活性剂形成复合镀层的表面形貌存在差异,含复合型表面活性剂十二烷基硫酸钠+聚乙二醇(6000)的镀液形成的复合镀层质量优于其他镀层。(3)综合考虑复合镀层的表面质量、显微硬度和耐—腐蚀性能,优选的适合镁合金化学复合镀NiPSiC的表面活性剂是十二烷基硫酸钠+聚乙二醇(6ooo)的复合物。参考文献—[1]SHAOHonghong,ZHOUMing,CHENGuang.Studyonthelasertreatmentofelectrolesscompositecoatings[J].AppliedLaser,2003,23(4):l96197.——[2]王政君.化学镀NiP合金及NiP/PTFE复合镀层摩擦磨损性能的研究F-D].无锡:江南大学,2006.23]EBDONPR.Compositecoatingswithlubricatingproperties[J].TransIMF,1987,65(5):8O一82.[4]PIETSCHKH.DispersionCoatingswithPTFE[J].ProductsFinishing,1999,63(2):3439.[5]王芳,俞宏英,孙冬柏,等.NiP一纳米A1zo。复合镀层耐磨性能—研究[J].电镀与涂饰,2007,26(3):25.—[6]万家瑰,李淑华.表面活性剂在NiP化学复合镀中的应用[J].电镀与涂饰,2006,25(11):4648.[7]周琦,邵忠宝,贺春林,等.表面活性剂对镍磷纳米氧化铝复合—镀的影响_J].中国腐蚀与防护学报,2007,27(1):2730.【8]HUANGXM,wuYC,ZHENGYC.Effectofnanometerparticledispersemethodonthestructureandpropertiesofelectroless—compositecoatingEJ].PlatingandFinishing,1999,21(5):1215.——[9]阳范文,赵耀明,高茜斐.表面活性剂对NiPSiC化学复合镀层—性能的影响lJ].材料保护,2000,33(9):1213.[10]肖进新,赵振国.表面活性剂应用原理[M].北京:化学工业出版社,2003.256264.基金项目:低维材料及其应用技术教育部重点实验室开放基金(KFO6O4);熏庆市自然科学基金(CSTC,2008BA4037)——收稿日期:20082024;修订日期:200911-09作者简介:黄伟九(1969),男,博士,教授,目前主要从事摩擦学及功能材料研究,联系地址:重庆市杨家坪兴胜路4号重庆理工大学材料学—院(400050),Email:huangweijiu@cqit.edu.cn
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