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[摘 要]研究了pH对化学镀Ni-P镀层的沉积速度、表面形貌、组成成分以及显微硬度的影响。结果表明，通过对不同pH值下Ni-P合金镀层沉积速率、表面形貌、成分分布和硬度的分析可知，随着镀液pH的升高，还原反应激烈程度增加，镀液的稳定性下降，镀层的沉积速率降低；镀层表面胞状物尺寸均匀，镀层表面质密；镀层的硬度随P含量的减少而升高，当pH为9时，镀层硬度最高。综合考虑，Ni-P合金镀液的pH选择8-9为宜。
[关键词]化学镀；Ni-P合金；pH
中图分类号：TP859 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）38-0351-04
1. 引言
钢铁在建筑、机械、交通、家电、造船等制造产业呈发展态势，世界上每年因腐蚀而报废的金属材料和设备约相当于生产量的20%以上[1]，一些发达国家由于金属腐蚀而造成的经济损失大约占国民经济总产值的2～4%，提高钢结构的表面性能对提高钢的耐腐蚀性以及耐磨性都有一定作用。化学镀是指在没有外电流的作用下，利用溶液中的还原剂将金属离子还原为金属并沉积在基体表面上形成金属镀层的过程[2]。因此镀层具有高的致密度、薄厚均一，具有良好的抗腐蚀性和耐磨损、好的可焊性、高的硬度、低的摩擦系数[3-4]，成为国内研究的热点。由于镀液的pH值对镀层的沉积速率、结构和性能有极大的影响，因此，本文通过对20钢进行化学镀Ni-P镀层防护，主要研究镀液pH值对化学镀Ni-P合金镀层组织和性能的影响。
2. 实验材料及方法
2.1 实验材料
实验选用20钢，样品尺寸 15.5mm×12～15mm，其化学成分见表1。
2.2镀液组成及工艺条件
镀液组成及工艺条件如表2所示
2.3 实验方法
采用厚度法测定化学镀Ni-P合金镀层的沉积速率，镀层厚度采用OLYMPUS型金相显微镜测定。用德国蔡司EVO MA18型扫面电镜+能谱分析仪分析镀层的表面形貌和成分。用 HVS-1000型显微维氏硬度计对每个试样取三个不同位置测试，然后取平均值。加载载荷为500gf，加载时间为15s。
3. 实验结果及分析
3.1 pH值对Ni-P镀层沉积速率的影响
采用厚度法计算Ni-P镀层的沉积速率，图1为不同pH值下Ni-P镀层的断面显微组织。从图中可以看出，镀层与基体结合界面紧密，当pH为8时，镀层厚度约为20μm，而随pH值的升高，镀层厚度减小，当pH值为10时，镀层厚度仅为8μm，说明随着pH值的增加，镀层的沉积速率呈下降趋势，如图2所示。由原子氢态理论可知，在碱性镀液条件下，随着镀液pH值的升高，还原反应激烈程度增加，导致镀液稳定性下降，镀层沉积速率降低[5]。
3.2 pH值对Ni-P镀层表面形貌的影响
图3为不同pH值下镀层的表面形貌，可以看出当pH为8和9时，镀层表面的胞状物尺寸均匀，镀层表面致密，而当pH为10时，镀层表面的胞状物尺寸较小，结合图1可知，当pH为10时，镀层较薄，因此依稀可见基体上的划痕。
3.3 pH值对镀层成分的影响
图4为不同pH值下，镀层中Ni和P的成分分布，从图中可以看出，随着pH值的增加，镀层中Ni的含量呈先增加后降低的趋势，而镀层中P的含量呈先降低后增加的趋势，说明Ni和P是共沉积的。当pH为9时，镀层含P量最少，P含量的降低会使镀层趋向于形成微晶结构，当镀层中的微晶相较多时，会使镀层的硬度升高[6]。
3.4 pH值对Ni-P镀层显微硬度的影响
图5为不同pH下Ni-P合金镀层的显微硬度。从图中可以看出化学镀Ni-P合金镀层后试样的硬度明显高于基体的硬度，且Ni-P合金镀层的硬度随着镀液pH值的增加呈先增大后降低的趋势，当镀液pH值为9的时，镀层硬度最高。由成分分析结果可知，当pH为9时，镀层含P量最少，镀层结构的非晶度降低，因此镀层中含有的微晶相较多，硬度较高。此外，当pH较高时，结合沉积速率和表面形貌分析结果可知，镀液稳定性下降，镀层沉积速率降低，镀层表面致密程度较低，因此硬度降低。
4. 结论
（1）随镀液pH值升高，镀液的稳定性下降，镀层的沉積速率降低；
（2）Ni-P合金镀层表面胞状物尺寸均匀，镀层表面质密；
（3）Ni-P合金镀层的含P量随着镀液pH升高，先降低后升高，镀液pH为9的时候Ni-P合金镀层含P量最低；
（4）Ni-P合金镀层硬度随着镀液pH增加，先增加后减小，镀液pH为9的时候镀层硬度最高，综合考虑，Ni-P合金镀液的pH选择8-9为宜。
参考文献
1. 新编中外金属材料手册[M].科学技术出版社，2012.
2. 胡信国.化学镀镍的国内外现状与发展[A].第四届全国化学镀会议论文集[C].杭州：中国腐蚀与防护学会及合金耐蚀理论专业委员会，1998.
[3]余存烨，沈晓阳.国内涂层换热器防腐涂料及工程应用[J].化工设备设计.1998年.
[4]姜晓霞，沈伟.化学镀理论与实践[M].国防工业出版社，2000.
[5]刘少友，唐文华.镍-磷-碳-氧沉积速率及镀层组成与性能的影响因素研究[J].材料保护.2017.
[6]渡边澈.非晶态电镀方法及应用[M].于维平，李狄，译.北京：北京航空航天大学出版社，1992.
[关键词]化学镀；Ni-P合金；pH
中图分类号：TP859 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）38-0351-04
1. 引言
钢铁在建筑、机械、交通、家电、造船等制造产业呈发展态势，世界上每年因腐蚀而报废的金属材料和设备约相当于生产量的20%以上[1]，一些发达国家由于金属腐蚀而造成的经济损失大约占国民经济总产值的2～4%，提高钢结构的表面性能对提高钢的耐腐蚀性以及耐磨性都有一定作用。化学镀是指在没有外电流的作用下，利用溶液中的还原剂将金属离子还原为金属并沉积在基体表面上形成金属镀层的过程[2]。因此镀层具有高的致密度、薄厚均一，具有良好的抗腐蚀性和耐磨损、好的可焊性、高的硬度、低的摩擦系数[3-4]，成为国内研究的热点。由于镀液的pH值对镀层的沉积速率、结构和性能有极大的影响，因此，本文通过对20钢进行化学镀Ni-P镀层防护，主要研究镀液pH值对化学镀Ni-P合金镀层组织和性能的影响。
2. 实验材料及方法
2.1 实验材料
实验选用20钢，样品尺寸 15.5mm×12～15mm，其化学成分见表1。
2.2镀液组成及工艺条件
镀液组成及工艺条件如表2所示
2.3 实验方法
采用厚度法测定化学镀Ni-P合金镀层的沉积速率，镀层厚度采用OLYMPUS型金相显微镜测定。用德国蔡司EVO MA18型扫面电镜+能谱分析仪分析镀层的表面形貌和成分。用 HVS-1000型显微维氏硬度计对每个试样取三个不同位置测试，然后取平均值。加载载荷为500gf，加载时间为15s。
3. 实验结果及分析
3.1 pH值对Ni-P镀层沉积速率的影响
采用厚度法计算Ni-P镀层的沉积速率，图1为不同pH值下Ni-P镀层的断面显微组织。从图中可以看出，镀层与基体结合界面紧密，当pH为8时，镀层厚度约为20μm，而随pH值的升高，镀层厚度减小，当pH值为10时，镀层厚度仅为8μm，说明随着pH值的增加，镀层的沉积速率呈下降趋势，如图2所示。由原子氢态理论可知，在碱性镀液条件下，随着镀液pH值的升高，还原反应激烈程度增加，导致镀液稳定性下降，镀层沉积速率降低[5]。
3.2 pH值对Ni-P镀层表面形貌的影响
图3为不同pH值下镀层的表面形貌，可以看出当pH为8和9时，镀层表面的胞状物尺寸均匀，镀层表面致密，而当pH为10时，镀层表面的胞状物尺寸较小，结合图1可知，当pH为10时，镀层较薄，因此依稀可见基体上的划痕。
3.3 pH值对镀层成分的影响
图4为不同pH值下，镀层中Ni和P的成分分布，从图中可以看出，随着pH值的增加，镀层中Ni的含量呈先增加后降低的趋势，而镀层中P的含量呈先降低后增加的趋势，说明Ni和P是共沉积的。当pH为9时，镀层含P量最少，P含量的降低会使镀层趋向于形成微晶结构，当镀层中的微晶相较多时，会使镀层的硬度升高[6]。
3.4 pH值对Ni-P镀层显微硬度的影响
图5为不同pH下Ni-P合金镀层的显微硬度。从图中可以看出化学镀Ni-P合金镀层后试样的硬度明显高于基体的硬度，且Ni-P合金镀层的硬度随着镀液pH值的增加呈先增大后降低的趋势，当镀液pH值为9的时，镀层硬度最高。由成分分析结果可知，当pH为9时，镀层含P量最少，镀层结构的非晶度降低，因此镀层中含有的微晶相较多，硬度较高。此外，当pH较高时，结合沉积速率和表面形貌分析结果可知，镀液稳定性下降，镀层沉积速率降低，镀层表面致密程度较低，因此硬度降低。
4. 结论
（1）随镀液pH值升高，镀液的稳定性下降，镀层的沉積速率降低；
（2）Ni-P合金镀层表面胞状物尺寸均匀，镀层表面质密；
（3）Ni-P合金镀层的含P量随着镀液pH升高，先降低后升高，镀液pH为9的时候Ni-P合金镀层含P量最低；
（4）Ni-P合金镀层硬度随着镀液pH增加，先增加后减小，镀液pH为9的时候镀层硬度最高，综合考虑，Ni-P合金镀液的pH选择8-9为宜。
参考文献
1. 新编中外金属材料手册[M].科学技术出版社，2012.
2. 胡信国.化学镀镍的国内外现状与发展[A].第四届全国化学镀会议论文集[C].杭州：中国腐蚀与防护学会及合金耐蚀理论专业委员会，1998.
[3]余存烨，沈晓阳.国内涂层换热器防腐涂料及工程应用[J].化工设备设计.1998年.
[4]姜晓霞，沈伟.化学镀理论与实践[M].国防工业出版社，2000.
[5]刘少友，唐文华.镍-磷-碳-氧沉积速率及镀层组成与性能的影响因素研究[J].材料保护.2017.
[6]渡边澈.非晶态电镀方法及应用[M].于维平，李狄，译.北京：北京航空航天大学出版社，1992.