Ni-P 化学镀层阻垢性能研究

王小雨， 徐文芳， 梁 平， 李忠诚

（辽宁石油化工大学 机械工程学院，辽宁 抚顺113001）

0 前言

换热器是许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。由于介质处理未达标，导致换热管束在运行过程中产生结垢现象。在循环冷却水中，碳酸钙是污垢的主要成分［1］。污垢将降低换热效率，增加介质流动阻力，造成能源浪费和设备损失［2-3］。因此，对于换热管束防垢阻垢方法的研究已引起人们的重视。研究表明［4-6］：磁控溅射和离子注入可以改善阻垢性能，但处理成本高。

化学镀层具有硬度高、耐磨损、耐腐蚀、自润滑等优点［7］，应用广泛。本文采用化学镀技术在20＃钢表面沉积Ni-P合金镀层。之后，通过向氢氧化钙溶液中通入CO2的加速结垢方法，考察了镀层对20＃钢的阻垢效果，并分析了阻垢机制。

1 实验

1.1 实验材料

实验材料为20＃钢。将试样切割成10 mm×10mm×5mm 的正方形试样和50mm×25mm×2mm的长方形试样。正方形试样用于电化学测试，长方形试样用于污垢沉积试验。

1.2 工艺流程

1.3 镀液组成及工艺条件

硫酸镍28g／L，乙酸钠16g／L，次磷酸钠30 g／L，乳酸20mL／L，pH值5.0～5.5，88℃，1h。

1.4 测试方法

采用附带能谱仪的TESCAN 型扫描电子显微镜观察镀层的表面形貌并分析其成分。采用岛津-7000型X 射线衍射仪（XRD）测试镀层的结构。采用TR110型袖珍式粗糙度仪测试基体和镀层的粗糙度。

采用PARSTAT2273型电化学测试系统进行极化曲线测试。工作电极为镀层，辅助电极为石墨，参比电极为饱和甘汞电极（SCE），电位均相对于SCE。测试前，各试样先在通入CO2的1.0g／L 的氢氧化钙溶液中于-1.3V 下除膜3min，然后浸泡1h，待开路电位稳定后测试极化曲线。极化曲线的扫描速率为1.0mV／s。

污垢沉积试验在恒温水浴锅中进行，温度设置为60℃。实验溶液为1.0g／L的氢氧化钙溶液，并通过流量计向溶液中持续通入CO2。20＃钢和镀层试样采取挂片方法沉积污垢，时间为72h。

2 结果与讨论

2.1 镀层的表面形貌和成分

图1为Ni-P化学镀层的扫描电镜图像。由图1可知：镀层由胞状物组成，均匀、致密，不存在空洞等缺陷，但局部存在少量晶胞聚集的现象。这是由于20＃钢表面打磨的划痕增加了Ni-P 化学镀层的沉积中心，镀层在这些划痕处优先沉积，并逐渐外延分层长大。随着镀层的生长，形成了堆积状的外形，即表面形成许多胞状物［8］。

图1 Ni-P化学镀层的扫描电镜图像

图2为Ni-P化学镀层的EDS谱图。测试结果表明：镀层中Ni的质量分数为89.07%，P 的质量分数为10.93%。根据P 的质量分数可知，该工艺所得镀层属高磷合金镀层。

2.2 镀层的结构

图3为Ni-P化学镀层的X 射线衍射图。由图3可知：在衍射角约为45°处出现了类似“馒头状”的衍射峰，表明镀层为典型的非晶态结构。

2.3 镀层的粗糙度

对20＃钢及镀层的粗糙度进行测试。结果表明：20＃钢的粗糙度为2.66μm 左右，而Ni-P 化学镀层的粗糙度为1.15μm 左右，镀层降低了20＃钢的粗糙度。

图2 Ni-P化学镀层的EDS谱图

图3 Ni-P化学镀层的X 射线衍射图

2.4 阻垢效果试验

图4为20＃钢和镀层试样在通入CO2的氢氧化钙溶液中浸泡72h后的宏观形貌。由图4可知：20＃钢和Ni-P化学镀层表面的沉积物均为白色，但前者表面的沉积物较厚，而后者表面的沉积物较薄。

图4 不同试样在通入CO2 的氢氧化钙溶液中形成的污垢的宏观形貌

采用扫描电镜对沉积物进行微观形貌观察，结果见图5。由图5可知：20＃钢表面的白色沉积物颗粒较大，分布较为均匀；而Ni-P化学镀层表面的沉积物分布不均匀。

图6为污垢的X射线衍射图。由图6可知：20＃钢和镀层试样表面白色沉积物相中Ca元素的质量分数分别为29.50%和2.75%。采用XRD对白色沉积物相进行测试，两者成分相同，均为CaCO3。

图5 不同试样在通入CO2 的氢氧化钙溶液中形成的污垢的微观形貌

图6 污垢的X 射线衍射图

从宏观和微观图像上均可以看出，Ni-P化学镀层起到了阻垢作用。

2.5 镀层的耐蚀性

图7 为20＃钢和Ni-P化学镀层试样在通入CO2的氢氧化钙溶液中的极化曲线。由图7可知：两种试样的极化曲线都存在明显的钝化区间，且Ni-P化学镀层比20＃钢表现出更低的致钝电流密度和维钝电流密度。20＃钢和Ni-P 化学镀层在该溶液中的自腐蚀电流密度分别为8.410μA／cm2和2.078μA／cm2。因而，镀层表现出更好的耐蚀性。

图7 不同试样在通入CO2的氢氧化钙溶液中的极化曲线

2.6 阻垢原因分析

以上测试结果表明，镀层具有良好的阻垢效果。其原因可归纳为：（1）20＃钢基体表面沉积的镀层呈现出更低的粗糙度，提高了20＃钢基体的光洁度，降低了污垢在试样表面的附着力；（2）由于制备的镀层为非晶态，非晶镀层表面的金属键分布无方向性，具备一定的防污垢性能［9］；（3）换热器管束在结垢过程中也发生着腐蚀，而且腐蚀产物也可能促进污垢的形成，因此，如果腐蚀行为能够得到减轻，污垢的形成速率也将得到减缓。Ni-P 化学镀层比基体表现出更好的抗腐蚀性能，减少了腐蚀产物的形成数量，在一定程度上也有利于阻碍污垢的形成概率和形成速率。

3 结论

采用该工艺制备的Ni-P化学镀层，在通入CO2的氢氧化钙溶液中表现出良好的阻垢性能。这主要是与镀层致密、粗糙度低、耐蚀性良好有关。

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