鎂合金鍍鎳-南京工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、表面工程綜合實(shí)驗(yàn)周實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告 學(xué)年學(xué)期2016/2017學(xué)年 第 1學(xué)期學(xué)生系部 材料工程學(xué)院 學(xué)生班級(jí) 復(fù)合材料XXX 學(xué)生姓名 XXX 學(xué)生學(xué)號(hào) XXXXXX 實(shí)驗(yàn)日期 2016.11.28-2016.12.02 南京工程學(xué)院實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告課 程 名 稱 表面工程綜合實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱 AZ91D鎂合金化學(xué)鍍鎳耐蝕性研究 實(shí)驗(yàn)學(xué)生班級(jí) 復(fù)合材料XXX 實(shí)驗(yàn)學(xué)生姓名 XXX 實(shí)驗(yàn)學(xué)生學(xué)號(hào) XXXXXXXX 同組學(xué)生姓名 實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師 實(shí) 驗(yàn) 時(shí) 間 2016.11.28-2016.12.02 實(shí) 驗(yàn) 地 點(diǎn) 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)樓XXXX 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵箧V合金具有高的比強(qiáng)度和比剛度、電磁屏蔽性等

2、優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于生活各領(lǐng)域.然而,鎂合金的化學(xué)活性較高,在空氣中容易氧化,生成比較疏松的氧化膜,以致其耐蝕性能較差,限制了其應(yīng)用。本實(shí)驗(yàn)采用化學(xué)鍍的方法在其表面形成Ni鍍層，有效提高鎂合金的耐蝕性，從而擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。2、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1) 了解化學(xué)鍍的基本原理及其在材料表面處理中實(shí)際應(yīng)用2) 了解鎂合金性質(zhì)及其腐蝕的影響因素3) 查閱文獻(xiàn)資料，設(shè)計(jì)AZ91D鎂合金化學(xué)鍍鎳實(shí)驗(yàn)方案4) 掌握實(shí)驗(yàn)儀器的基本操作，實(shí)施實(shí)驗(yàn)方案5) 制備樣品的表征及耐蝕性測(cè)試三、實(shí)驗(yàn)原理化學(xué)鍍鎳是用還原劑把溶液中的鎳離子還原沉積在具有催化活性的工件表面上?；瘜W(xué)鍍鎳的沉積機(jī)理目前比較公認(rèn)的有原子氫理論。原子氫理論認(rèn)為，還

3、原劑次亞磷酸根具有四面體結(jié)構(gòu)，P是中心原子，H和O原子位于四個(gè)角上。由于催化金屬?gòu)?qiáng)烈吸氫，次亞磷酸根的P-H鍵指向金屬表面。因?yàn)檠踉泳哂休^大的電負(fù)性，磷原子的電子云被部分吸至氧原子上，因此磷原子帶部分正電荷。在溶液中離子的進(jìn)攻下，在金屬表面的P-H鍵發(fā)生斷裂，產(chǎn)生原子氫，即：H2PO2-+OH- H2PO3-+H+e （1-1）由式(1-1)釋放出來(lái)的電子又和反應(yīng)生成氫原子： H+e H （1-2）由式(1-1)和(1-2)得到的原子氫結(jié)合放出氫氣： H+H H2 （1-3）鎳離子被式(1-1)產(chǎn)生的電子還原：Ni2+2e Ni （1-4）與式(1-4)平行的還有次亞磷酸根的還原反應(yīng)：H2P

4、O2-+eP+2OH- （1-5）從而產(chǎn)生磷的沉積。4、 主要儀器和設(shè)備儀器型號(hào)生產(chǎn)廠家超聲波機(jī)KQ32ODE南京市超聲儀器有限公司數(shù)顯恒溫水浴鍋HH-S2精風(fēng)儀器公司手持式粗糙度儀TR210上海泊刃機(jī)械制造有限公司涂層測(cè)厚儀TT260上海魅宇儀器設(shè)備有限公司 電子天平FA2004上海精密儀器儀表有限公司 其它耗材：砂紙、PH試紙、自封袋、稱量紙、研缽、量筒、玻璃棒、燒杯、坩堝、膠皮手套等。五、實(shí)驗(yàn)方法與步驟（含實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象描述）1、機(jī)械打磨機(jī)械打磨的目的是獲得清潔表面平整的基底，便于鍍層沉積。其操作程序是將試樣先用 50W耐水砂紙打磨表面，直至試樣平整光亮。打磨后水洗烘干。2、預(yù)處理（除油除氧化

5、物）（1）超聲波清洗鎂合金表面在制造和打磨過(guò)程中會(huì)粘附一些油污，需要采用有機(jī)溶劑快速溶解，通過(guò)超聲能縮短除油過(guò)程，較徹底清除試樣表面及孔隙內(nèi)的有機(jī)物，獲得干凈的表面基底。超聲波清洗結(jié)束，取出試樣，水洗烘干。超聲波清洗的試劑和操作條件為：試劑溫度時(shí)間CH3COCH3室溫2510 min（2） 堿洗堿洗的目的是徹底清除試樣表面的臟物和油脂，同時(shí)在試樣表面會(huì)形成新的氧化物和氫氧化物保護(hù)膜。堿洗后取出試樣，水洗烘干。所用試劑和清洗條件：藥品用量NaOH50g/LNa3PO4·12H2O20g/LOP乳化劑3cm3/dm3操作條件：65； 處理時(shí)間15分鐘（3） 酸洗在堿性溶液中,鎂合金表面會(huì)

6、形成氧化物或氫氧化物.酸洗的目的就是為了去除在鎂合金表面形成的疏松的膜.酸洗采用鉻酸和硝酸的混合液。藥品用量CrO3125g/LHNO3(70%V/V)100mL/L操作條件：室溫25； 處理時(shí)間40s（4） 表面活性調(diào)節(jié)鎂合金在表面具有不均一的電勢(shì).由于表面相成分化學(xué)電勢(shì)的差別,鎂合金的表面經(jīng)過(guò)酸洗后,表面腐蝕的并不均勻.氫氟酸活化過(guò)程就是為了在鎂合金的表面形成比較致密的氟化鎂薄膜,形成均一電勢(shì)的表面。藥品用量HF(40%)350ml/L操作條件：室溫25； 處理時(shí)間 10min3、化學(xué)鍍鎳鎂合金經(jīng)過(guò)前處理后，表面生成了一層保護(hù)膜，可直接在化學(xué)鍍鎳溶液中沉積鎳，作為進(jìn)一步防腐和裝飾電鍍的底層

7、?；瘜W(xué)鍍鎳液的配方和操作條件如表所示。藥品用量及操作條件六水硫酸鎳（主鹽）20g/L次磷酸鈉（還原劑）20g/L二水合檸檬酸三鈉（絡(luò)合劑）0g/L、10g/L、20g/L、30g/L氟化氫氨（加速劑）10g/LHF40%（緩沖劑）12g/LPH5.5（氨水調(diào)節(jié)）溫度恒溫水浴85時(shí)間1hP.s一般鍍液中鎳離子Ni2+與次磷酸根H2PO-2的比值應(yīng)控制在0.30.45，這樣鍍液的沉積速率較大，鍍層光亮。若此比值低于0.25，鍍層易發(fā)暗，而高于0.6時(shí)，沉積速率非常慢。4、性能檢測(cè)1) 宏觀形貌對(duì)比2) 膜厚測(cè)量 （a）增重法： (G0-鍍膜前質(zhì)量、G1-鍍膜后質(zhì)量、S-橫截面積) （b）膜厚測(cè)量?jī)x

8、檢測(cè)3) 粗糙度測(cè)試 設(shè)備：粗糙度測(cè)試儀4) 點(diǎn)滴法測(cè)試耐蝕性試劑：藍(lán)點(diǎn)試劑方法：將藍(lán)點(diǎn)試劑滴在磷化膜上，觀察變色時(shí)間，厚膜>5min,中等膜>2min,薄 膜>1min5) 金相分析 儀器：金相顯微鏡6、 實(shí)驗(yàn)結(jié)論與分析1 鍍層宏觀形貌分析圖1 機(jī)械打磨后AZ91D鎂合金表面 圖2 化學(xué)鍍鍍層宏觀形貌（1#：絡(luò)合劑含量10g/L、2#：無(wú)絡(luò)合劑、3#：絡(luò)合劑含量20g/L、4#：絡(luò)合劑含量30g/L）圖1為經(jīng)機(jī)械打磨后AZ91D鎂合金的宏觀表面，鎂合金表面呈銀白色，光亮平整，有輕微劃痕，在活化條件適當(dāng)?shù)那闆r下，輕微劃痕有利于增強(qiáng)鍍層與基體的機(jī)械咬合，對(duì)化學(xué)鍍鎳有利。圖2為化

9、學(xué)鍍鎳后的宏觀表面，鎂合金剛從鍍液中取出時(shí)，表面呈光亮的銀白色，在空氣中擱置一段時(shí)間后，呈現(xiàn)如圖2所示的銀灰色。此外，發(fā)現(xiàn)在所有試樣中，1#試樣表面鍍層最為平整均勻，2#試樣邊角處有明顯粗大的晶粒，3#、4#試樣鍍層宏觀形貌介于倆者之間。從宏觀形貌分析可以推測(cè)，不添加絡(luò)合劑會(huì)導(dǎo)致鍍液穩(wěn)定性降低，均鍍性差，試樣邊角晶粒粗大；此外，實(shí)驗(yàn)中控制絡(luò)合劑含量分別為10g/L、20g/L、30g/L，其中絡(luò)合劑10g/L所得鍍層宏觀表面最平整光滑。2 金相分析1#（絡(luò)合劑含量10g/L）2#（不添加絡(luò)合劑）3#（絡(luò)合劑20g/L）4#（絡(luò)合劑30g/L）通過(guò)金相顯微鏡分析不同絡(luò)合劑含量所得Ni-P層，可以

10、發(fā)現(xiàn)不添加絡(luò)合計(jì)所得的Ni-P鍍層胞狀結(jié)構(gòu)尺寸較大，約20m；絡(luò)合劑含量分別為10g/L、20g/L、30g/L時(shí)，胞狀結(jié)構(gòu)尺寸依次約為10m、8m、4m?？梢?jiàn)，絡(luò)合劑的加入降低了胞狀結(jié)構(gòu)尺寸，細(xì)化晶粒。同時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)絡(luò)合劑含量為10g/L時(shí)，鍍層胞狀結(jié)構(gòu)排列最為致密，這與宏觀表面形貌所觀察的結(jié)果一致。3 膜厚測(cè)試試樣型號(hào)正面不同3點(diǎn)位置膜厚（m）反面不同3點(diǎn)位置膜厚（m）平均膜厚（m）1231231#21.616.817.416.215.516.217.32#9.010.413.96.915.07.810.53#9.57.614.39.29.96.19.44#5.41.04.43.21.09.0

11、4（1#：絡(luò)合劑含量10g/L、2#：無(wú)絡(luò)合劑、3#：絡(luò)合劑含量20g/L、4#：絡(luò)合劑含量30g/L）通過(guò)膜厚測(cè)量?jī)x測(cè)試樣品膜厚，發(fā)現(xiàn)1#樣品膜厚最厚，平均膜厚17.3m，4#樣品鍍膜最薄，平均膜厚4m?？梢?jiàn)隨著絡(luò)合劑含量的增加，其他條件不變的情況下，樣品膜厚逐漸降低。4 表面粗糙度測(cè)試試樣型號(hào)正面不同3點(diǎn)位置粗糙度（m）反面不同3點(diǎn)位置粗糙度（m）平均粗糙度（m）1231231#1.0261.0110.8550.9341.0771.1071.002#2.2512.7622.7632.1652.5222.4602.493#1.9812.1012.0772.0412.1372.0452.064

12、#1.5781.0451.9251.2711.1371.1961.36（1#：絡(luò)合劑含量10g/L、2#：無(wú)絡(luò)合劑、3#：絡(luò)合劑含量20g/L、4#：絡(luò)合劑含量30g/L）通過(guò)手持式粗糙度儀測(cè)試樣品粗糙度，發(fā)現(xiàn)2#樣品表面粗糙度最大，為2.49m，說(shuō)明不添加絡(luò)合劑使得鍍層表面晶粒粗大，不平整。絡(luò)合劑含量分別為10g/L、20g/L、30g/L時(shí)，表面粗糙度依次約為1.0m、2.06m、1.36m?？梢?jiàn)絡(luò)合劑含量為10g/L時(shí)，鍍層粗糙度最低，鍍層最平整。5 耐蝕性測(cè)試1) 配置藍(lán)點(diǎn)試劑2) 腐蝕實(shí)驗(yàn)記錄試樣型號(hào)腐蝕實(shí)驗(yàn)記錄腐蝕后宏觀形貌1#4分15秒 溶液與表面接觸面有氣泡產(chǎn)生5分43秒 接觸

13、面發(fā)白6分15秒 接觸面局部變紅7分45秒 反應(yīng)劇烈，接觸面整體變紅10分30秒 反應(yīng)平緩，接觸面整體發(fā)黑21分34秒 反應(yīng)結(jié)束2#2分22秒 溶液與表面接觸面有氣泡產(chǎn)生2分52秒 接觸面發(fā)白3分00秒 接觸面局部變紅3分50秒 反應(yīng)劇烈，接觸面整體發(fā)黑6分34秒 反應(yīng)結(jié)束3#0分00秒 溶液與表面接觸面有氣泡產(chǎn)生0分28秒 接觸面變紅0分56秒 反應(yīng)劇烈，接觸面整體發(fā)黑3分33秒 反應(yīng)結(jié)束4#1分10秒 溶液與表面接觸面有氣泡產(chǎn)生1分28秒 接觸面局部變紅2分01秒 反應(yīng)劇烈，接觸面整體發(fā)黑4分09秒 反應(yīng)結(jié)束（1#：絡(luò)合劑含量10g/L、2#：無(wú)絡(luò)合劑、3#：絡(luò)合劑含量20g/L、4#：絡(luò)

14、合劑含量30g/L）由藍(lán)點(diǎn)試劑腐蝕實(shí)驗(yàn)可見(jiàn)，1#試樣耐腐蝕性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他試樣，相比于不添加絡(luò)合劑，絡(luò)合劑添加過(guò)量反而使得材料耐蝕性變差。這可能是因?yàn)榻j(luò)合劑的加入雖然有利于細(xì)化胞狀尺寸，但含量過(guò)大時(shí)會(huì)使鍍膜孔隙變大，致密性下降，不利于在基體上形成致密保護(hù)層。6 實(shí)驗(yàn)結(jié)論本實(shí)驗(yàn)采用化學(xué)鍍的方法在AZ91D鎂合金表面形成Ni鍍層，并通過(guò)腐蝕性實(shí)驗(yàn)研究鍍液中絡(luò)合劑含量對(duì)于鍍層質(zhì)量的影響，基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出以下結(jié)論：（1）與不添加絡(luò)合劑相比，絡(luò)合劑的加入有利于細(xì)化鍍層結(jié)晶，在絡(luò)合劑濃度為10g/L、20g/L、30g/L時(shí)，濃度越大，細(xì)化效果越顯著。（2） 鍍液中絡(luò)合劑濃度適當(dāng)，可以降低游離鎳離子濃度，從

15、而顯著提高鍍液穩(wěn)定性，使得鍍膜表面粗糙度更小，膜厚更均勻。（3） 鍍液中絡(luò)合劑濃度過(guò)高，會(huì)使鍍膜孔隙變大，致密性下降，不利于在基體上形成致密保護(hù)層，鍍膜耐蝕性變差；在絡(luò)合劑濃度為10g/L時(shí)鍍層耐蝕最好。7 實(shí)驗(yàn)原始記錄 時(shí)間 操作 現(xiàn)象13:30 用50#，20#砂紙先后打磨鎂合金，并拍照 鎂合金表面較平整 觀察其宏觀形貌 光亮13:40 用去離子水清洗鎂合金，并放入丙酮中超 聲波清洗10min 13:50 停止超聲清洗 丙酮溶液表面有油漬出 現(xiàn)，獲得較干凈的基體 表面14:00 稱取5g NaOH，5g Na3PO4·12H2O 14:30 配制堿洗溶液100mL，并將鎂合金放入

16、溶 在溶液表面出現(xiàn)油漬和 液中，在65條件下清洗15min 臟物 14:45 取出鎂合金，用去離子水清洗烘干14:50 稱取12.5gCrO3和10mL硝酸15:07 配制酸洗溶液100mL 15:09 將鎂合金放入酸洗溶液中，在25下清 有臟物浮在酸洗液上面 洗1min 15:10 取出鎂合金，用去離子水清洗烘干15:47 稱取HF 14mL16:03 將鎂合金放入HF中，在25下活化處 理10min17:00 稱量鎂合金在鍍鎳前的質(zhì)量 1#：1.17g 2#：1.20g 3#：1.19g 4#:1.38g17:26 稱量8g六水硫酸鎳、8g次磷酸鈉、4g 氟化氫鈉和4.8gHF17:30 配制化學(xué)鍍鎳溶液350mL17:35 將鍍液等量分到四個(gè)小燒杯中，并貼好 1#：不加絡(luò)合劑 標(biāo)簽，加入不同濃度的