噴射電沉積鎳磷合金電化學(xué)行為及性能研究.pdf

1、鎳磷合金鍍層不僅具有優(yōu)異的耐磨、耐腐蝕性能，還具有較高的硬度，耐藥品性等特性，常被用于提高機(jī)械零件的使用壽命和可靠性，改善機(jī)械設(shè)備的性能和質(zhì)量。熱處理后，其耐磨性和硬度可與電沉積硬鉻鍍層相媲美，即可代替硬鉻鍍層，從而大大減輕鍍鉻過程中六價(jià)鉻離子對(duì)人體的危害和對(duì)環(huán)境的污染。這些優(yōu)良的性能使它在農(nóng)業(yè)裝備、化學(xué)工業(yè)、電子工業(yè)、精密機(jī)械、航空航天工業(yè)、礦山工業(yè)和汽車工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。
　　獲取鎳磷合金的方法主要有化學(xué)鍍和電沉積兩種。目

2、前化學(xué)鍍鎳磷合金已經(jīng)在較多領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用，但化學(xué)鍍價(jià)格昂貴，過程難于控制，并且鍍液使用壽命短，因此化學(xué)鍍會(huì)浪費(fèi)大量資源。相對(duì)化學(xué)鍍而言，電沉積鎳磷合金不僅操作簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，沉積速度快，而且鍍液穩(wěn)定。然而傳統(tǒng)電沉積鎳磷合金的方法由于允許使用的極限電流密度低，導(dǎo)致沉積速度慢，生產(chǎn)效率低，難以滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)的發(fā)展需要。近些年發(fā)展起來的噴射電沉積，從加速電沉積物質(zhì)傳輸過程出發(fā)，增大了極限電流密度，加快了沉積速度，大大提高了生產(chǎn)效率。噴射電沉

3、積的基本原理是:鍍液經(jīng)由陽極噴嘴高速噴射于工件表面，在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，實(shí)現(xiàn)沉積的加工過程。本文對(duì)噴射電沉積過程中的電化學(xué)行為、制備工藝和鍍層性能進(jìn)行研究，具有重要的研究意義和應(yīng)用價(jià)值。
　　本文主要在電噴鍍機(jī)床上電沉積Ni-P合金鍍層的基礎(chǔ)上對(duì)噴射電沉積的工藝、電化學(xué)行為及鍍層性能進(jìn)行研究，具體包括以下幾方面的內(nèi)容:
　　(1)分析電極過程動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)理論。以電極過程為基礎(chǔ)，主要包括雙電層的結(jié)構(gòu)模型、電極反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)規(guī)律以及電極

4、極化曲線的特點(diǎn)，重點(diǎn)分析了濃差極化、電化學(xué)極化以及濃差極化與電化學(xué)極化共同存在時(shí)的動(dòng)力學(xué)方程。為后續(xù)噴射電沉積鎳磷合金的電化學(xué)行為研究提供了理論指導(dǎo)。
　　(2)噴射電沉積Ni-P合金電化學(xué)行為研究。結(jié)合合金誘導(dǎo)共電沉積基本歷程和特點(diǎn)，分析噴射電沉積Ni-P合金的成形機(jī)理。研究噴射電沉積Ni-P合金的電化學(xué)行為，為后續(xù)深入的理論研究做準(zhǔn)備;綜合分析已有的噴射電沉積理論，采用電化學(xué)分析方法，通過Tafel曲線測(cè)定噴射電沉積Ni-P合

5、金電極過程的主要?jiǎng)恿W(xué)參數(shù);分析噴射電沉積Ni-P合金的反應(yīng)機(jī)理，并利用交流阻抗復(fù)平面分析法進(jìn)行驗(yàn)證;采用循環(huán)伏安法區(qū)別噴射電沉積Ni-P合金的極化類型，系統(tǒng)分析噴射電沉積Ni-P合金的電極陰極極化行為;理論分析動(dòng)力學(xué)參數(shù)、極限電流密度、陰極極化對(duì)合金成形的影響;并通過對(duì)陰極過程的研究，分析添加劑等對(duì)Ni-P共沉積影響，找到影響電極Ni-P合金反應(yīng)的有效方法，從而使電極反應(yīng)向有利的方向和按適當(dāng)?shù)乃俣冗M(jìn)行。
　　(3)噴射電沉積Ni

6、-P合金的計(jì)算機(jī)仿真研究。本文以陰極和陽極之間的加工區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，進(jìn)行電噴鍍加工流場(chǎng)和電場(chǎng)的數(shù)值模擬研究，主要通過建立流場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型以及二次電鍍的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)噴射電沉積加工工藝參數(shù)設(shè)置邊界條件，采用COMSOL Multiphysics軟件對(duì)噴射電沉積加工過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析加工區(qū)域流場(chǎng)分布及電場(chǎng)分布對(duì)實(shí)際加工的影響，不同初始工藝條件下對(duì)加工區(qū)域進(jìn)行模擬，得到不同時(shí)間陰極生長(zhǎng)的輪廓曲線，了解工藝規(guī)律。并采用電場(chǎng)及流場(chǎng)分析的方法對(duì)初

7、始設(shè)計(jì)的陽極噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。
　　(4)噴射電沉積Ni-P合金工藝試驗(yàn)研究。采用JMP軟件對(duì)噴射電沉積Ni-P合金進(jìn)行試驗(yàn)研究，探討了電壓、鍍液溫度、兩極間隙、鍍液流速、兩極相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度對(duì)鍍層沉積速度、鍍層硬度及表面粗糙度的影響，通過響應(yīng)面分析和逐步逼近法分析各影響因子與響應(yīng)的關(guān)系，建立二次回歸數(shù)學(xué)模型;利用期望函數(shù)尋優(yōu)法對(duì)多重響應(yīng)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，確定鍍層性能最佳的工藝參數(shù)。研究結(jié)果表明:沉積速度、鍍層表面粗糙度Ra和鍍層硬度的預(yù)

8、測(cè)模型的優(yōu)化方程均極顯著，三個(gè)回歸方程的擬合程度均很好，模型的可信度高，有一定的應(yīng)用價(jià)值;最佳工藝參數(shù)組合:電壓15V，鍍液溫度69℃，兩極間隙1.5mm，鍍液流速1.3m/s，兩極相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度170mm/min。在此條件下試驗(yàn)，得到鍍層沉積速度為75.76μm/min，表面粗糙度Ra為0.375μm，鍍層硬度為731.19HV，相對(duì)誤差分別為0.36％、1.4％、0.64％，均小于5％，說明回歸模型對(duì)噴射電沉積鍍層沉積速度、表面粗糙度

9、和硬度的分析和預(yù)測(cè)是可行的。
　　(5)分析噴射電沉積Ni-P合金鍍層耐腐蝕機(jī)理。采用動(dòng)電位掃描極化技術(shù)及電化學(xué)阻抗技術(shù)對(duì)比研究鎳磷合金鍍層在50g/L的NaCl溶液中的腐蝕過程，采用電化學(xué)分析方法總結(jié)腐蝕規(guī)律，得到鎳磷合金的腐蝕機(jī)理。研究結(jié)果表明，隨著浸泡時(shí)間的增加，原始氧化膜減薄，膜層下的Ni-P合金暴露在溶液中產(chǎn)生活性溶解，隨后電極表面有腐蝕產(chǎn)物聚集，阻礙腐蝕的進(jìn)行;腐蝕過程由活化控制轉(zhuǎn)變?yōu)殄儗雍透g產(chǎn)物內(nèi)的擴(kuò)散控制;Ni-