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钕铁硼烧结磁体的化学镀表面防护处理研究

应华根  
【摘要】: 本文首先综述了NdFeB永磁材料的腐蚀机理和各种防护处理工艺,在此基础上,采用化学镀的方法,在烧结NdFeB磁体表面镀覆镍基合金,以提高磁体的耐腐蚀性能。通过电化学工作站、结合力测量仪、扫描电镜、能谱分析仪、X射线衍射、金相显微镜等分析仪器和手段,系统研究了镀液组成和工艺参数对镀层的结合力、成分、结构和性能的影响,以及相关的一些科学问题。主要研究结果如下: 在碱性镀液中采用40KHz超声波辅助施镀,镀层与NdFeB基体结合良好。镀层与烧结NdFeB基体的结合力随超声功率的增加先升高后下降。功率为150W时,镀层与基体的结合力达到最大(25MPa),远高于无超声波辅助时的结合力(6MPa)。超声波对镀层结合力的作用机理主要包括超声波的活化作用、空化作用和搅拌作用。镀液中添加Nd~(3+)也能改善镀层与NdFeB基体的结合力,原因是它在施镀初期有效抑制了钕元素的腐蚀。 羧乙基硫脲翁甜菜碱与常用的稳定剂相比,具有使用范围广,稳定性能佳的特点。添加量少于8mg·L~(-1)时,对镀层沉积有加速作用,而添加量大时又可作为络合剂。此外,羧乙基硫脲翁甜菜碱还对镀层具有整平、光亮的作用。研究结果表面,羧乙基硫脲翁甜菜碱的加速作用主要是因为在镀液中容易被氧化,释放出的电子被Ni~(2+)接受后还原成Ni,自身同时被氧化成二聚物,然后再被次磷酸根还原。 确定化学镀Ni-P合金光亮剂的最佳成分配方为:苯亚磺酸钠20mg·L~(-1),吡啶80mg·L~(-1),烯炳基磺酸钠20mg·L~(-1),硫脲1mg·L~(-1)。当苯亚磺酸钠和吡啶用量少于15mg·L~(-1)时,沉积速度随苯亚磺酸钠和吡啶量的增加而增加,如果继续增加苯亚磺酸钠和吡啶的用量,则沉积速度迅速下降。随烯丙基磺酸钠用量的增加,沉积速度逐渐降低,但烯丙基磺酸钠用量在20~50mg·L~(-1)范围内,沉积速度的变化较小。从添加光亮剂的镀液中得到的镀层表面光亮平整,孔隙率低,耐中性盐雾试验比普通镀层强。 添加稀土镱可以有效地提高Ni-P沉积层在腐蚀介质中的自腐蚀电位,降低腐蚀电流密度,从而提高磁体的抗腐蚀性能。稀土元素镱能降低基体的表面能、降低临界形核功、提高形核率、促使结晶细化。添加量为0.15g·L~(-1)时,镀层表面胞状组织细小、致密,具有最高的耐腐蚀性能。 镀液中添加2~20g·L~(-1)氟化铵时,镀液的缓冲性能随氟化铵添加量的增加而提高,镀层的耐腐蚀性也相应提高。添加量为20g·L~(-1),其缓冲性能优异,远高于H_3BO_3、(CH_2)_2(COOH)_2、CH_3COONa。氟化铵对化学镀镍磷的作用机理主要是氟离子加速H_2PO_2~-的H-P键的断裂,降低基体表面化学镀镍反应的活化能,跟溶剂发生化学发应;同时,铵根离子也起到络合金属离子的作用。 用不同物质的量之比的乳酸和乙酸钠作络合剂时,随乳酸摩尔分数的增加,镀速先升高后下降,在n(CH_3CHOHCOOH):n(CH_3COONa)为4:6时,镀速达到最大值,在此溶液中所得镀层的磷含量为7.8at.%,平均晶粒尺寸为6nm,表面显微硬度达到HV820,是目前文献报道未经热处理相应镀层的最高硬度值。利用此镀层与非晶态镀层在腐蚀介质中的电位差,结合超声波预镀层,组成了高耐蚀的三层化学镀镍磷保护镀层,避免了点蚀现象的发生,提高了镀层的耐腐蚀性能和耐磨性能。 对酸性和碱性镀液中化学镀沉积反应活化能的实验测试表明,由于酸性镀液中采用pK值较低的乳酸作为络合剂,反应体系的活化能较低,镀速较高。提出了酸性化学镀Ni-P合金沉积动力学的经验速率方程式,对方程验证结果表明,方程与实验值非常吻合。 在烧结NdFeB基体上研究了化学镀Ni-Cu-P合金,结果发现,随[Cu~(2+)]/[Ni~(2+)]比值增加,镀层中Cu含量增加,而Ni含量和P含量逐渐减小;[Cu~(2+)]/[Ni~(2+)]从0.01逐渐增大到0.20时,镀层结构由非晶态向晶态转变。pH值为9.0,温度为80℃时,从[Cu~(2+)]/(Ni~(2+)]配比为0.01~0.05的镀液中得到的镀层具有高的耐腐蚀性能。 化学镀Ni-Co-P合金镀层能够显著改善NdFeB磁体的耐腐蚀性能,使磁体在3.5wt%NaCl溶液中的腐蚀速度降低约两个数量级。随着镀液中Co~(2+)浓度比例的降低,所得镀层的耐腐蚀性能先增加后减小,当[Co~(2+)]/[Ni~(2+)+Co~(2+)]=0.3时,镀层耐腐蚀性能最好。随着[Co~(2+)]/[Ni~(2+)+Co~(2+)]从0.1增加到0.9,烧结NdFeB磁体的剩磁和矫顽力的损失分别从7.5%和9.2%降低至3.9%和4.5%。


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