中温碱性镁合金化学镀镍研究

葛 昆，侯 华，赵宇宏,，郝小军，蒋 博，郭 维

（1.中北大学，山西太原 030051；2.扬州峰明金属制品有限公司，江苏扬州 225117）

镁合金因具有比重轻、密度小、比强度和比刚度高等优点而广泛应用于汽车工业、机械工业、航空航天工业、电子通讯等领域[1-3]，但镁的化学性质活泼，电极电位为 -2.34V（SHE）[4]，是所有金属工程结构材料中电负性最强的，易与其他金属材料形成电偶腐蚀；另外在其表面形成的 Mg(OH)2或者MgO薄膜疏松多孔，MgO的PBR值为0.81[5]，这层薄膜稳定性差，对镁基体的保护性能很弱。镁合金中存在第二相或杂质元素会引起电偶腐蚀，使得镁合金的耐蚀性很差。镁合金化学镀镍工艺包括浸锌法[6]和直接化学镀镍法[7-9]。目前直接化学镀镍工艺镀液一般采用高温酸性工艺参数，硫酸镍酸性镀液在较高温度下对镁合金无明显腐蚀，但需要消耗较多的能量，镀液组分的挥发也多，且处于热力学不稳定状态，镀液稳定性降低，易于引起镀液分解，从而引起废水处理和排放等环境问题。然而镁合金碱性镀液[10-11]工艺起镀温度低，中温施镀镀速快、能耗小，本文主要对镀液成分进行了改善，降低施镀温度并且采取碱性镀液进行镁合金直接化学镀镍，分析镀层表面结构和形貌，测试其耐蚀性能。

1 实验

1.1 试样制备

试样采用铸造镁合金AZ91D，试样尺寸为20 mm×20 mm×3 mm，分别用粗砂、600#SiC砂纸、800#SiC砂纸、1500#SiC砂纸打磨试样，直至试样表面光滑平整、无明显划痕。化学镀镍工艺流程为：基体打磨—丙酮清洗—碱性超声波清洗—酸性浸蚀—氢氟酸活化—直接化学镀镍，上述各步骤之间用去离子水清洗。

1.2 前处理工艺与镀液成分和操作条件

前处理工艺成分及条件如表1所示，镀液主盐选择价格便宜、不引入杂质离子的硫酸镍，络合剂采用柠檬酸钠作为主络合剂、氨基乙酸为辅助络合剂的复合络合剂，碱性镀液中柠檬酸钠有良好的络合能力，镀液成分和工艺条件的最佳工艺是由正交试验确定的，最佳成分及工艺如表2。

1.3 镀层组织、性能检测

镀层相结构采用日本理学(RIGAKU)公司生产的D/max-rB型X射线衍射仪测试(XRD)，测定条件为Cu Kα辐射(λ= 0.15418 nm)，扫描速度5(°)/min，扫描角度 10°～90°。形貌分析采用 SU-1500型扫描电子显微镜，加速电压为10～20 kV。AZ91D镁合金及镀层的极化曲线采用恒电位仪、ZF-4电位扫描信号发生器和ZF-10B数据采集存贮器测试，在3.5%的氯化钠溶液中，以饱和甘汞电极为参比电极、铂电极为辅助电极、镁合金试样为工作电极，留出工作面，其余表面以704硅胶封固，分别测试镁合金和镀层的动态极化曲线。

表1 前处理工艺条件

表2 镀液成分及条件

2 结果与讨论

2.1 镀层结构与形貌

图1是镀层XRD衍射图谱，由图谱可知：在镁合金基体表面覆盖有Ni-P固溶体，固溶体种类较复杂，同时在2θ约70°的衍射峰发现Mg-Zn金属间化合物，说明镀层厚度较薄，XRD可以穿透镀层扫到基体镁合金的成分。Ni-P固溶体峰呈现尖锐的晶体峰，说明镀层整体呈现晶态。

图2是铸态AZ91D镁合金表面SEM图片，AZ91D镁合金由固溶体α-Mg，沿它的晶界以不连续网状分布着Mgl7Al12相，以及分布在固溶体α-Mg相中的Mn-Al化合物小质点所组成，AZ91D两相的腐蚀电位分别为-1.73V（VS SCE，下同）和-1.0V，样品表面电位不等致使形成腐蚀微电池，导致AZ91D镁合金表面难以施镀。

图1 镀层XRD衍射图谱

图2 AZ91D镁合金表面形貌

图3是镀层表面形貌，镀层表面致密均匀，有少量因反应速率过快导致形成的气孔，能谱分析表明，镀层表面磷的浓度为3.28%，属于低磷镀层，镀层中磷浓度的高低决定了镀层的晶态非晶态性质，镀层中磷浓度低镀层呈现晶态，晶粒尺寸较大，表面存在不同种类的缺陷和化学成分偏析，导致镀层性能降低。图4是镀层截面形貌，镀层厚度较均匀，施镀30 min镀层厚度约为5 μm左右，镀层与基体结合良好、紧密，但因镀层较薄，对基体只能起到一定的保护作用。

2.2 镀层耐蚀性

图3 镀层表面形貌

图4 镀层截面形貌

AZ91D镁合金与镀层在3.5%NaCl溶液中的极化曲线如图5，镀层的极化曲线相对于镁合金基体向上移动，一定程度上提高了镁合金的耐腐蚀性能。镀层的腐蚀电位提高量不大，这是由于镀层呈现晶态，表面存在气孔类型的缺陷，基体耐蚀性提高不大。利用强极化区线拟合的方法，镁合金基体与镀层测得腐蚀电流密度分别为3.32 mA/cm2和0.648 mA/cm2，镀层腐蚀速率明显低于镁合金基体，说明镀层耐蚀性高于镁合金基体。

图5 镁合金与镀层的动态极化曲线

3 结论

(1)在AZ91D镁合金表面制备了Ni-P镀层，XRD和EDS分析显示镀层呈现晶态，属于低磷镀层，镀层表面致密均匀，有少量气孔存在。

(2)中温碱性化学镀Ni-P合金腐蚀速率慢、镀层腐蚀电位高，对镁合金基体起到保护作用。

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