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电沉积Cu-纳米AlN复合涂层的耐腐蚀性研究

放大字体  缩小字体发布日期:2012-04-20  浏览次数:949

电沉积Cu-纳米AlN复合涂层的耐腐蚀性研究

李鹏,黄新民,郑华明,何素真

(合肥工业大学材料科学与工程学院,合肥230009)

摘要:利用复合电镀方法制备Cu-纳米AlN复合涂层。利用金相显微镜和SEM观察,结果显示镀层表面形成了厚度为40μm左右的均匀复合镀层,XRD测试表明该合金镀层为Cu和AlN,采用浸泡腐蚀失重法和测定极化曲线比较了纯铜镀层和复合镀层的耐腐蚀性能,结果表明:Cu-纳米AlN复合涂层耐蚀性优于纯铜镀层。

关键词:Cu-AlN;腐蚀速率;腐蚀性能;复合镀层

中图分类号:TG146·2  文献标识码:A  文章编号:1005-8192(2010)04-0038-03

铜具有良好的耐蚀性能,镀铜作为一种功能性及耐蚀性表面处理工艺已广泛应用于金属制品领域。但是铜在长期使用和暴露在强腐蚀性介质中时会发生各种腐蚀,其中电化学腐蚀是最普遍、最常见的腐蚀,铜镀层与钢铁形成Cu-Fe腐蚀原电池,铜作为阳极而被腐蚀。因而限制了铜的进一步应用,因此对表面镀铜进行改进成为近年来研究的热门话题。

氮化铝(AIN)具有高温化学稳定性和强度较高的优点,同时耐腐蚀性能极佳。如能采用较为成熟的复合电镀工艺,制备出AlN和Cu复合镀层,这种综合了二者优良性能的复合镀层,可以广泛应用到材料的表面处理中(如铜换热器),可以极大的提高生产效率,降低生产成本。本文就电镀Cu-AlN复合镀层的制备及其耐腐蚀性能进行了研究。

1·实验过程

实验基体材料选用Q235低碳钢,尺寸为:15mm×40mm×2mm。试样镀前预处理:打磨→冷水洗→除油(热碱)→热水洗→冷水洗→酸洗→水洗→晾干。

基础镀液组成及工艺参数:硫酸铜120g/L,氯化钠60mg/L,十二烷基磺酸钠0·2g/L,聚乙二醇0·05g/L,浓硫酸60g/L,纳米氮化铝添加量20g/L,pH值4·5,温度60℃。用MM-600金相光学显微镜观察处理后的试样的形貌,厚度及均匀程度,用JEOLJSM-6490LV扫描电镜观察涂层与基体的微观结构,利用D/Max-rB型旋转阳极X衍射仪测试分析镀层组成成分,采用质量分数为5%的醋酸溶液浸泡,浸泡时间为12h、24h、36h,用电子天平测量腐蚀前后质量,利用质量差计算腐蚀速率,采用CHI600B电化学工作站测量阳极极化曲线,用Tafel曲线评价镀层的耐蚀性能,扫描速率为0·01V/s,辅助电极为铂电极,参比电极为饱和甘汞电极,测试镀层的耐蚀性能。

2结果与讨论

2·1微观结构分析

图1是经过复合电沉积制备的合金镀层截面金相照片,图2是复合镀层截面的SEM照片,可以看出基体表面形成了均匀且连续致密的合金层,厚度约为40μm,并可以观察到镀层与基体结合紧密。

 

 

 

2·2成分分析

图3是复合镀层的XRD分析测试结果测试结果,结果显示:复合镀层中的铜元素的最强峰强度降低,图谱中只有Cu和AlN的峰,可见,复合镀层中只存在Cu和AlN两种物质。说明在复合镀层的共沉积过程中,Cu与AlN之间未发生反应生成新相。由于AlN颗粒的嵌入,会使晶格畸变,晶面间距增大。根据布拉格方程2dsinθ=λ知,d增大,θ减小,故2θ角应向偏低方向移动,这与实验结果相符。复合镀层在衍射方向上Cu(220)晶面较多,可以推测出镀层组织中出现了织构。而Cu和AlN两种物质的耐蚀性能都优于钢基体,所以使镀层具有较高的耐蚀性能。

 

 

 

2·3腐蚀性能分析

2·3·1腐蚀速率分析

表1是纯铜镀层和复合镀层腐蚀速率的比较。可以看出,纯铜镀层不耐酸的腐蚀,在醋酸中腐蚀十分严重,而Cu-纳米AlN复合镀层的平均腐蚀速率为0·039mg/mm2·h,仅为纯铜镀层的1/10。由于复合镀层的AlN颗粒粒径为纳米级,而且经过表面改性处理,有效的克服了纳米颗粒的团聚现象,在基体表面共沉积形成的镀层孔隙较低,严密的包覆在基体外,所以能有效地保护基体,所以腐蚀后失重很小,腐蚀速率也大大降低。

 

 

 

2·3·2极化曲线分析

图4为纯铜镀层和复合镀层在3·5%NaCl溶液中的极化曲线。可以看出,复合镀层的极化曲线有明显的钝化区AB,说明复合镀层有优良的耐蚀性。在钝化区内,随着电位变正,电流维持在一个较小的数值范围内。BC段是过钝化区,过了B点后,电流又开始上升,但上升相对缓慢,反映镀层的极化度大,电极过程进行困难,虽然已开始腐蚀,但腐蚀速度较小,获得的复合镀层的耐蚀性较高。

比较纯铜镀层和复合镀层的极化曲线,可以发现纯铜镀层的极化曲线没有明显的钝化区,其腐蚀电位在-0·7V左右,而复合镀层的腐蚀电位在-0·3V左右,且有明显的钝化区。可知,复合镀层的耐腐蚀性平均比纯铜镀层提高60%左右。这与复合镀层的组织结构有关,氮化铝是六方晶纤锌矿结构,密堆间隙中的Al离子半径小,价态高,具有较强的极化作用,使氮化铝表面的不饱和氮具有较高的化学活性。氮因电负性大,电离势高而有很强的共价倾向[7],Cu在朝阴极移动的同时,能与氮形成高晶格能化合物,使其在氮化铝表面附着性能很好,而且结合致密,当腐蚀穿过样品表面遇到复合镀层时,腐蚀很难破坏致密的合金层而侵蚀基体。

 

 

 

3结论

(1)复合镀层在基体表面形成化合物层,厚度约为40μm,与基体结合牢固,均匀致密。

(2)复合镀层的电极电位升高,腐蚀速率明显下降,复合镀层能有效的增强钢基体的耐腐蚀性能。

参考文献:

[1]杨文治·缓蚀剂[M].北京:化学工业出版社,1989·135·

[2]曹楚南·腐蚀电化学原理[M].北京:化学工业出版社,1982,323·

[3]李淘,等·AlN陶瓷的烧结致密化与导热性能[J].中国陶瓷,2005,2(1):39~42·

[4]李清涛,等·高导热率AlN陶瓷材料制备与应用进展[J].陶瓷学报,2007,28(1):57~63·

[5]Virkar A V,et al·Thermodynamic and kineticeffects of oxygenremoval on the thermal conductivity of aluminum nitride[J]·JAm Ceram Soc,1989,72(11):2031~2042·

[6]安茂忠·电镀理论与技术[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2004:229~241·

[7]高能武,等·AlN基片的薄膜金属化[J].电子元件与材料,1999,18(5):22~23·

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