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AZ91D镁合金Ni-W-P多层化学镀层的摩擦磨损及耐腐蚀性能
刘静1 , 张涛2 , 张曰涛3 , 邵亚薇3 , 孟国哲3 , 王福会2     
1. 武汉科技大学,耐火材料与冶金国家重点实验室,湖北省冶金工业过程系统科学重点实验室,武汉 430081;
2. 东北大学 沈阳材料科学国家实验室,沈阳 110819;
3. 哈尔滨工程大学 超轻材料与表面技术教育部重点实验室,哈尔滨 150001
摘要: 采用多层化学镀工艺在AZ91D镁合金表面成功制备了Ni-W-P多层化学镀层。通过XRD、SEM、摩擦磨损实验以及电化学分析测试等方法,对比研究了普通单层化学镀试样与多层化学镀试样的显微结构、摩擦磨损性能以及耐腐蚀性能。结果表明:多层化学镀层的摩擦因数、维氏硬度及磨损速率与单层化学镀层大体相当,分别为0.33、933 HV和1.46 mg/Km,保留了单层化学镀层优异的耐磨损性能。此外,多层化学镀层的孔隙率较单层化学镀层降低了2个数量级,涂层更为致密。与普通单层化学镀层相比,多层化学镀层的耐蚀性能显著提高,其腐蚀电位和击破电位分别提高了168和209 mV,钝化电流密度由4.212 μA·cm−2降低至1.306 μA·cm−2。因此,多层化学镀层有望成为AZ91D镁合金更有前景的耐磨耐蚀防护涂层。
关键词: 多层化学镀    Ni-W-P镀层    摩擦磨损性能    耐蚀性能    
Friction, Wear and Corrosion Resistance of Multi-layer Electroless Ni-W-P Coating on AZ91D Magnesium Alloy
LIU Jing1 , ZHANG Tao2 , ZHANG Yuetao3 , SHAO Yawei3 , MENG Guozhe3 , WANG Fuhui2     
1. Hubei Province Key Laboratory of Systems Science in Metallurgical Process, State Key Laboratory of Refractories and Metallurgy, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China;
2. Shenyang National Laboratory for Materials Science, Northeastern University, Shenyang 110819, China;
3. Institute of advanced marine materials, Key Laboratory of Superlight Materials and Surface Technology, Ministry of Education, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China
Abstract: The multi-layer Ni-W-P electroless coating was successfully prepared on surface of AZ91D magnesium alloy. Microstructure, friction, wear and corrosion resistance of both the normal as-plated and multi-layer coatings were investigated comparatively by XRD, SEM, friction and wear tests, and electrochemical experiments. Results show that the wear coefficient, Vickers hardness and wear rate of multi-layer coating are still keeping the same as those of as-plated coating, which are 0.33, 933 HV和1.46 mg/Km, respectively. The multi-layer electroless coating completely retains the excellent mechanical properties of the as-plated coating. In addition, the porosity of multi-layer coating is two orders of magnitude lower than that of the ordinary as-plated coating, signifying a denser coating for multi-layer electroless coating. Comparing with the as-plated coating, the corrosion resistance of multilayer coating is improved significantly. The corrosion potential (Ecorr) and breakdown potential (Eb) of multi-layer coating are increased by 168 mV and 209 mV respectively, and the passivation current density (icorr) is reduced from 4.212 to 1.306 μA·cm−2. Therefore, multi-layer electroless coating is expected to be a more promising wear-resistant and corrosion-resistant coating for AZ91D magnesium alloys.
Keywords: multi-layer electroless    Ni-W-P coating    friction and wear resistance    corrosion resistance    
0 引 言

在众多轻合金中,镁合金具有高比刚度、良好的热传导性和生物相容性、以及容易回收再利用等优异的工程特性,因此在汽车和航天工业中具有较大的应用前景[1-6]。然而,镁及其合金的耐腐蚀能力和耐磨损能力较差,使其在应用前需要先进行必要的表面处理。有效的表面防护技术主要包括:化学转化[7]、阳极氧化[8-9]、化学镀[10-12]、PVD[13]以及激光熔覆[14]等等。而在众多的表面防护技术中,化学镀层具有优异的耐腐蚀性能、耐磨损性能、热传导性能和电磁屏蔽性能[15-16]

Ni-P化学镀层较为均匀质量较好,且对基体是否具有传导性和几何尺寸没有特殊要求,已广泛应用于许多工业生产中。因此,在此二元镍基合金镀层基础上,科研工作者通过在镍盐溶液中加入第二种金属盐,制备出三元镍基合金镀层,例如Ni-Cu-P[17-20]、Ni-W-P[21-27]、Ni-Mo-P[28]、Ni-Fe-P[29-30]以及Ni-Sn-P[31]镀层等,进一步提高了Ni-P镀层的耐腐蚀性能和耐磨损性能,以满足特殊需求。在众多合金元素中,W元素因具有较高的硬度、优异的耐腐蚀性能和较高的熔点而发挥重要作用。

由于镁合金是电化学活性极强的金属,镍基合金镀层作为阴极性保护镀层,其仅能为镁合金基体提供物理性屏障阻碍镁基体的腐蚀。一旦腐蚀性溶液从镀层的孔隙处渗入进基体表面,在电偶腐蚀的作用下,镁合金将受到严重的腐蚀。因此,为了消除镍基化学镀层的孔隙,文中制备了包含三层结构的多层化学镀层,该设计思路如图1所示。

图 1 多层化学镀工艺耐蚀原理示意图 Fig. 1 Schematic illustrations of the anti-corrosion mechanism for multi-layer electroless deposition

首先,将镁合金试样在Ni-W-P镀液中进行化学沉积,随后将试样进行热处理。热处理使得Ni-W-P化学镀层氧化,形成的氧化物将覆盖此镀层的活性位点使其失去活性。然后,再次将试样浸入溶液中进行化学镀,Ni-W-P的核心将在金属表面的其他活性位点形核并长大,形成新的化学镀层表面。该新的表面某种程度上消除了之前化学镀层遗留的孔隙,如此往复循环,镀层的孔隙率将大幅降低,其耐腐蚀性能显著提高。

文中主要目的是通过制备Ni-W-P多层化学镀层,在保持其机械性能不变的情况下,显著提高AZ91D镁合金的耐腐蚀性能。

1 材料与方法 1.1 试样制备

所使用的试样是铸态AZ91D镁合金,尺寸为10 mm×20 mm×3 mm。试验前,所有试样均经过7.5 μm砂纸打磨处理,并用酒精清洗、去离子水清洗干净,吹干备用。Ni-W-P多层化学镀工艺流程简图如图2所示。

图 2 Ni-W-P多层化学镀工艺流程简图 Fig. 2 Process diagram of electroless for Ni-W-P multi-layer deposition

预处理和Ni-W-P化学镀工艺的操作条件及溶液成分如表1所示,其中溶液所使用的试剂为分析纯级别。经过化学镀Ni-W-P工艺后,镁合金试样进行热处理,试样在马弗炉中经150 ℃低温退火1 h后,立即在空气中冷却至室温。

表 1 预处理和Ni-W-P化学镀工艺的操作条件及溶液成分 Table 1 Operating conditions and bath compositions of pretreatment and Ni-W-P electroless deposition process
Operation Bath composition Content Condition
Degreasing Acetone Ultrasonic treatment, 5 min
Alkaline cleaning NaOH 60 g/L 60 ℃, 10 min
Na3PO4 20 g/L
Pretreatment H3PO4 20 mL/L Room temperature,
25 ℃
NH4HF2 60 g/L
H3BO3 30 g/L
Electroless Ni-W-P deposition NiSO4·6H2O 20 g/L pH=(9.085±2) Ultrasonic
treatment, 1 h
NaH2PO2·H2O 40 g/L
Na2CO3 50 g/L
Na2WO4 7.6 g/L
Na3C6H5O7·H2O 30 g/L
NH4HF2 6 g/L

试验中,将普通的单层Ni-W-P化学镀试样作为对比样,其制备工艺与热处理工艺与图2中流程一致,均需进行砂纸打磨处理、清洗、预处理等操作。单层化学镀的操作条件、溶液成分等与表1一致,镀层厚度与多层镀层相近。

1.2 显微结构表征

采用XRD(X’ Pert PRO, Holland)技术分别表征Ni-W-P单层和多层化学镀试样的结构,其中Cu靶Ka射线波长λ=1.54178 Å。用配有能量色散谱仪(EDS,INC250)的扫描电子显微镜(SEM,JEOL JSM-5310,Japan)观察化学镀试样的表面和截面形貌,并定性分析镀层的化学元素含量。采用HXD-1000微观硬度仪测量单层和多层化学镀层的维氏硬度,取每种试样5个位置硬度的平均值并计算误差棒,其中载荷200 g,持续时间15 s。

1.3 摩擦磨损实验

摩擦磨损实验在室温下进行,全程无添加润滑剂。摩擦磨损试验仪参数设置为转速300 r/min、半径2 mm、载荷4 N,其中滚球采用GCr15钢(HV=800)制作,直径为6.35 mm。每组试验持续20 min,累计摩擦磨损长度为37.68 m。

试验过程中,电脑自动记录摩擦因数随时间的变化。试验结束后,超声清洗并称量试样的失重量(精确至0.01 mg)以此计算耐磨损性能,采用SEM观察化学镀层的磨损表面。每组实验平行3次取平均值。

1.4 腐蚀实验

腐蚀电化学实验在Zahner IM6ex电化学工作站上进行,采用三电极体系,其中铂片(20 mm×20 mm)作对电极、Ag/AgCl电极作参比电极,测试溶液为质量分数3.5% NaCl水溶液。极化曲线的扫描速度0.333 mV/s。电化学阻抗谱(EIS)扫描的频率范围100 kHz~10 mHz,正弦扰动电压5 mV,商业软件ZsimpWin用于EIS数据分析。

2 结果与讨论 2.1 显微结构

AZ91D镁合金基体的XRD衍射花斑如图3(a)所示,AZ91D镁合金由α-Mg基体和β-Mg17Al12相组成。图3(b)为在游离铬酸盐溶液中预处理后的镁合金试样的XRD衍射花斑。预处理后,MgF2的峰显现出来,同时,β相的强度加强而α相的强度减弱,这表明基体表面β相的含量增多,这将有利于Ni-W-P合金在镁基体表面的沉积。镁合金试样经过单层和多层化学镀后,其XRD衍射花斑差异不大。对于单层Ni-W-P化学镀层(图3(c)),镀层中含有一个强度最高的(111)晶面的宽化峰,还有两个强度较低的Ni(200)和(220)晶面的峰。在Ni-W-P多层化学镀层中(图3(d))也观察到了Ni元素的低强度峰,这表明了结晶程度的降低[32],并且单层和多层镀层中均含有微晶结构。

图 3 镁合金基体、预处理试样、普通单层及多层Ni-W-P化学镀试样的XRD衍射图谱 Fig. 3 XRD patterns of Mg alloy matrix, pretreatment specimen, as-plated and multi-layer electroless Ni-W-P coatings

单层和多层Ni-W-P化学镀层的表面形貌如图4所示。单层的化学镀层呈现出半球状颗粒形貌,并含有尺度约为100 nm的常规的结节结构(图4(a)(b))。然而,多层化学镀层的表面含有较大的结节结构(图4(c)(d)),尺寸约为500 nm,但总体来看,其表面的粗糙度得到了很大的改善。

图 4 Ni-W-P单层化学镀层和多层化学镀层的表面形貌 Fig. 4 Surface morphologies of as-plated and multi-layer electroless Ni-W-P coatings

单层和多层Ni-W-P化学镀层的截面形貌如图5所示。单层和多层化学镀层的厚度分别约为30和23 μm,且都较为致密。从两种化学镀试样元素分布的线扫描结果中可以看出,W元素在两种镀层中的分布较为均匀一致,质量分数约为1.5%;单层镀层中P含量(质量分数,下同)从镀层表面到基体由6%逐渐降低至3%,而多层镀层中P元素的含量较为均匀不随厚度改变,保持5%不变。

图 5 单层化学镀试样和多层化学镀试样的截面形貌及线扫描能谱 Fig. 5 Cross-section morphologies and EDS results of as-plated and multi-layer coatings
2.2 摩擦磨损性能

图6为无润滑剂条件下单层和多层Ni-W-P化学镀层的摩擦因数。由图6可以将摩擦曲线分为两个阶段,第一阶段为摩擦因数快速增长阶段,第二阶段为摩擦因数平稳波动阶段。对于单层化学镀层,经过1200圈摩擦磨损之后,摩擦因数稳定维持在0.30~0.33。然而对于多层化学镀层,由于有较低的表面粗糙度,在第一阶段表现出较低的摩擦因数;随着摩擦继续进行,摩擦因数随后升至平稳阶段,并维持在0.33左右,大体与单层镀层相当。

图 6 Ni-W-P单层和多层化学镀层的摩擦因数 Fig. 6 Friction coefficient of as-plated and multi-layer electroless Ni-W-P coatings

对于提高化学镀层的耐机械磨损性能而言,一个重要的参数是硬度。图7为化学镀层的微观硬度和磨损速率,从中可以看出,单层和多层化学镀层的微观硬度分别为960和933 HV。经过磨损实验后,通过失重量评估了两种镀层的磨损速率,分别为1.33 mg/Km和1.46 mg/Km,这与微观硬度的结果一致,Ni-W-P多层化学镀层的磨损速率略高于单层镀层可能与其硬度略低有关。

图 7 Ni-W-P单层和多层化学镀层的微观硬度和磨损速率 Fig. 7 Microhardness and wear rate of as-plated and multi-layer electroless Ni-W-P coatings

图8为摩擦磨损实验后两种镀层的表面形貌,从图8(b)8(d)的高放大倍率图中可以看出,两种镀层的磨损表面均是较为光滑平整的,仅略带有一些浅的沟壑和小颗粒,这是黏着磨损的典型形貌。黏着磨损的特征是材料从一种物体的表面转移至另一物体表面[33]。对图8(b)中磨损痕迹的A区域和图8(d)中磨损痕迹的B区域进行EDS分析,结果见图9,从中可以看出单层镀层和多层镀层含有相似的成分,即O、Ni含量(原子数分数,下同)较高约为45~46%和40~43%,而Fe含量较低约为9~10%。

图 8 Ni-W-P单层化学镀层和多层化学镀层的磨损表面形貌 Fig. 8 Worn surface morphologies of as-plated and multi-layer electroless Ni-W-P coatings
图 9 Ni-W-P单层化学镀层和多层化学镀层磨损表面的EDS结果 Fig. 9 EDS results of worn surfaces for as-plated and multi-layer electroless Ni-W-P coatings

结合以上结果,可以得出如下摩擦磨损机理:首先,在滑动摩擦过程中,由于滚球和化学镀层的硬度差异,滚球和镀层都会脱落一些小碎屑,摩擦生热使得这些碎屑随即被氧化成氧化物;其次,在接触应力和摩擦加热的共同作用下,滚球的一部分接触面将会被氧化,进一步的应力循环导致了氧化铁的破碎[34]。由此,铁和镍的氧化物碎屑在滚球和镀层间堆积,形成了黏着磨损的形貌。值得一提的是,氧化物碎屑还可作为界面润滑剂,因此导致两种化学镀层的摩擦系数较低。

上述结果表明,Ni-W-P多层化学镀层的微观硬度和耐磨性能较单层化学镀层仅有略微降低,完全保留了单层化学镀层优异的机械性能。

2.3 耐腐蚀性能

AZ91D镁合金基体及其单层、多层化学镀试样的动电位极化曲线如图10所示。可以看出三者的阳极曲线表现出不同的特性,单层、多层化学镀试样的阳极曲线呈现出自钝化的特征,然而AZ91D镁合金基体的阳极区表现出活性溶解的状态。极化曲线的拟合结果如表2所示,可以看出:①单层、多层化学镀试样的腐蚀电位(Ecorr)远高于镁合金基体,这表明化学镀层完好地覆盖了基体表面并显著提高了AZ91D镁合金的耐腐蚀性;②多层化学镀试样的腐蚀电位(Ecorr)、击破电位(Eb)高于单层化学镀试样,且钝化电流密(ipass)度进一步降低,这表明Ni-W-P多层化学镀试样较普通的单层化学镀试样具有更高的耐腐蚀性。

表 2 动电位极化曲线的电化学参数 Table 2 Electrochemical parameters of the potentiodynamic polarization curves
Specimens AZ91D As-plated Multi-layer
Corrosion potential
Ecorr/ (Vvs·Ag/AgCl)
−1.364 −0.338 −0.17
Breakdown potential
Eb/ (Vvs·Ag/AgCl)
−0.173 0.036
Passive current density
ipass/ (μA·cm−2)
4.212 1.306
Andoic Tafel slope
ba/ (V·dec−1)
0.11
图 10 AZ91D镁合金基体及其单层、多层化学镀试样的动电位极化曲线 Fig. 10 Potentiodynamic polarization curves of AZ91D Mg matrix, as-plated and multi-layer electroless Ni-W-P coatings

AZ91D镁合金基体及其单层、多层化学镀试样的EIS测量结果如图11所示。AZ91D镁合金基体呈现出两个高频的容抗弧和一个低频的感抗弧特征,而其单层、多层化学镀试样则表现出一个高频的容抗弧和一个低频的容抗弧特征。通常情况下,阻抗弧的膜值大小常被用来评价材料的耐腐蚀性能。

图 11 AZ91D镁合金基体及其单层、多层化学镀试样的电化学阻抗谱 Fig. 11 EIS of AZ91D Mg matrix, as-plated and multi-layer electroless Ni-W-P coatings

采用如图12所示的等效电路对EIS结果进行拟合。对于化学镀试样而言,其EIS的等效电路由两个R-Q组件与溶液电阻Rs串联组成,其中Rfilm是化学镀层的膜层电阻与镀层电容Qfilm并联,电荷转移电阻Rt与双电层电容Qdl并联。AZ91D镁合金基体的等效电路图如图12(a)所示,在化学镀试样的等效电路基础上添加了电感电阻RL和电感L

图 12 AZ91D镁合金基体和多层化学镀试样电化学阻抗谱的等效拟合电路 Fig. 12 Equivalent fitting circuits ofAZ91D Mg matrix and as-plated, multi-layer electroless Ni-W-P coatings

表3总结了极化电阻Rp的拟合结果,极化电阻按如下降序排列:多层化学镀试样(Rp=2.8×105)>单层化学镀试样(Rp=1.1×105)>>镁合金基体(Rp=700)。此结果与动电位极化曲线结果一致,这表明,化学镀层能显著提高镁合金的耐腐蚀性能且多层化学镀层的耐蚀性更优异。

表 3 电化学阻抗谱极化电阻Rp拟合结果 Table 3 Fitting values of the polarization resistance (Rp) in EIS
Samples AZ91D As-plated Multi-layer
Rp / (Ω·cm2) 700 1.1×105 2.8×105

镀层孔隙率的高低也是衡量其耐蚀性的一个重要参数,孔隙率可以由如下公式计算得出[33]

$P = \left(\frac{{{R_{{\rm {p,\,AZ91D}}}}}}{{{R_{\rm p}}}}\right) \times {10^{\frac{{ - \left| {\Delta {E_{\rm{corr}}}} \right|}}{{{b_{\rm a}}}}}}$    (1)

其中,P代表孔隙率,Rp是化学镀试样的极化电阻,Rp,AZ91Dba分别为AZ91D镁合金基体的极化电阻和塔菲尔斜率(可从极化曲线中获得此参数),ΔEcorr为AZ91D镁合金化学镀试样和基体试样的腐蚀电位差。根据公式(1),普通单层化学镀层和多层化学镀层的孔隙率的计算结果如表4所示。

表 4 普通单层化学镀层和多层化学镀层的孔隙率 Table 4 Porosity of as-plated and multi-layer electroless Ni-W-P coatings
Coatings As-plated Multi-layer
Porosity/% 4.06×10−9 5.14×10−11

可以看出,多层化学镀层的孔隙率低于单层化学镀层2个数量级,通常情况下在多层化学镀层中不会出现贯穿的孔隙,腐蚀性溶液渗透浸入镁合金基体表面更难进行或需更长时间,因此Ni-W-P多层化学镀层能够显著提高AZ91D镁合金的耐蚀性。

3 结 论

在AZ91D镁合金基体上成功制备出含有微晶结构的Ni-W-P多层化学镀层。

(1)Ni-W-P多层化学镀层的微观硬度和摩损速率分别为933 HV和1.46 mg/Km,多层化学镀层保留了单层化学镀层优良的机械性能。

(2)与单层化学镀试样相比,多层化学镀涂层的孔隙率降低了2个数量级,其腐蚀电位由原来的−0.338 Vvs.Ag/AgCl提高到−0.170 Vvs.Ag/AgCl,击破电位由−0.173 Vvs.Ag/AgCl提高到0.036 Vvs.Ag/AgCl,并且钝化电流密度由4.212 μA·cm−2降低至1.306 μA·cm−2,这表明多层化学镀层具有更高的耐蚀性,是一种更有前景的AZ91D镁合金耐蚀镀层。

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http://dx.doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20190225001
中国科协主管,中国机械工程学会主办。
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文章信息

刘静, 张涛, 张曰涛, 邵亚薇, 孟国哲, 王福会
LIU Jing, ZHANG Tao, ZHANG Yuetao, SHAO Yawei, MENG Guozhe, WANG Fuhui
AZ91D镁合金Ni-W-P多层化学镀层的摩擦磨损及耐腐蚀性能
Friction, Wear and Corrosion Resistance of Multi-layer Electroless Ni-W-P Coating on AZ91D Magnesium Alloy
中国表面工程, 2019, 32(4): 53-62.
China Surface Engineering, 2019, 32(4): 53-62.
http://dx.doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20190225001

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收稿日期: 2019-02-25
修回日期: 2019-07-12

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