噴射電沉積鎳磷合金電化學行為及性能研究.pdf

1、鎳磷合金鍍層不僅具有優異的耐磨、耐腐蝕性能，還具有較高的硬度，耐藥品性等特性，常被用于提高機械零件的使用壽命和可靠性，改善機械設備的性能和質量。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鉻離子對人體的危害和對環境的污染。這些優良的性能使它在農業裝備、化學工業、電子工業、精密機械、航空航天工業、礦山工業和汽車工業中得到廣泛的應用。
　　獲取鎳磷合金的方法主要有化學鍍和電沉積兩種。目

2、前化學鍍鎳磷合金已經在較多領域得到推廣應用，但化學鍍價格昂貴，過程難于控制，并且鍍液使用壽命短，因此化學鍍會浪費大量資源。相對化學鍍而言，電沉積鎳磷合金不僅操作簡單，價格低廉，沉積速度快，而且鍍液穩定。然而傳統電沉積鎳磷合金的方法由于允許使用的極限電流密度低，導致沉積速度慢，生產效率低，難以滿足現代化生產的發展需要。近些年發展起來的噴射電沉積，從加速電沉積物質傳輸過程出發，增大了極限電流密度，加快了沉積速度，大大提高了生產效率。噴射電沉

3、積的基本原理是:鍍液經由陽極噴嘴高速噴射于工件表面，在強電場作用下，實現沉積的加工過程。本文對噴射電沉積過程中的電化學行為、制備工藝和鍍層性能進行研究，具有重要的研究意義和應用價值。
　　本文主要在電噴鍍機床上電沉積Ni-P合金鍍層的基礎上對噴射電沉積的工藝、電化學行為及鍍層性能進行研究，具體包括以下幾方面的內容:
　　(1)分析電極過程動力學基礎理論。以電極過程為基礎，主要包括雙電層的結構模型、電極反應的動力學規律以及電極

4、極化曲線的特點，重點分析了濃差極化、電化學極化以及濃差極化與電化學極化共同存在時的動力學方程。為后續噴射電沉積鎳磷合金的電化學行為研究提供了理論指導。
　　(2)噴射電沉積Ni-P合金電化學行為研究。結合合金誘導共電沉積基本歷程和特點，分析噴射電沉積Ni-P合金的成形機理。研究噴射電沉積Ni-P合金的電化學行為，為后續深入的理論研究做準備;綜合分析已有的噴射電沉積理論，采用電化學分析方法，通過Tafel曲線測定噴射電沉積Ni-P合

5、金電極過程的主要動力學參數;分析噴射電沉積Ni-P合金的反應機理，并利用交流阻抗復平面分析法進行驗證;采用循環伏安法區別噴射電沉積Ni-P合金的極化類型，系統分析噴射電沉積Ni-P合金的電極陰極極化行為;理論分析動力學參數、極限電流密度、陰極極化對合金成形的影響;并通過對陰極過程的研究，分析添加劑等對Ni-P共沉積影響，找到影響電極Ni-P合金反應的有效方法，從而使電極反應向有利的方向和按適當的速度進行。
　　(3)噴射電沉積Ni

6、-P合金的計算機仿真研究。本文以陰極和陽極之間的加工區域為研究對象，進行電噴鍍加工流場和電場的數值模擬研究，主要通過建立流場的數學模型以及二次電鍍的數學模型，根據噴射電沉積加工工藝參數設置邊界條件，采用COMSOL Multiphysics軟件對噴射電沉積加工過程進行數值模擬，分析加工區域流場分布及電場分布對實際加工的影響，不同初始工藝條件下對加工區域進行模擬，得到不同時間陰極生長的輪廓曲線，了解工藝規律。并采用電場及流場分析的方法對初

7、始設計的陽極噴嘴結構進行優化。
　　(4)噴射電沉積Ni-P合金工藝試驗研究。采用JMP軟件對噴射電沉積Ni-P合金進行試驗研究，探討了電壓、鍍液溫度、兩極間隙、鍍液流速、兩極相對運動速度對鍍層沉積速度、鍍層硬度及表面粗糙度的影響，通過響應面分析和逐步逼近法分析各影響因子與響應的關系，建立二次回歸數學模型;利用期望函數尋優法對多重響應進行參數優化，確定鍍層性能最佳的工藝參數。研究結果表明:沉積速度、鍍層表面粗糙度Ra和鍍層硬度的預

8、測模型的優化方程均極顯著，三個回歸方程的擬合程度均很好，模型的可信度高，有一定的應用價值;最佳工藝參數組合:電壓15V，鍍液溫度69℃，兩極間隙1.5mm，鍍液流速1.3m/s，兩極相對運動速度170mm/min。在此條件下試驗，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，相對誤差分別為0.36％、1.4％、0.64％，均小于5％，說明回歸模型對噴射電沉積鍍層沉積速度、表面粗糙度

9、和硬度的分析和預測是可行的。
　　(5)分析噴射電沉積Ni-P合金鍍層耐腐蝕機理。采用動電位掃描極化技術及電化學阻抗技術對比研究鎳磷合金鍍層在50g/L的NaCl溶液中的腐蝕過程，采用電化學分析方法總結腐蝕規律，得到鎳磷合金的腐蝕機理。研究結果表明，隨著浸泡時間的增加，原始氧化膜減薄，膜層下的Ni-P合金暴露在溶液中產生活性溶解，隨后電極表面有腐蝕產物聚集，阻礙腐蝕的進行;腐蝕過程由活化控制轉變為鍍層和腐蝕產物內的擴散控制;Ni-