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光亮镍—铁合金电镀工艺条件的探索

放大字体  缩小字体发布日期:2012-04-19  浏览次数:867
核心提示:摘要:在镍铁合金电镀过程中,通过对络合剂选择、镀层合金组成的控制、酸度的选择、温度和电流密度的选择以及与电流效率之间关系

摘要:在镍—铁合金电镀过程中,通过对络合剂选择、镀层合金组成的控制、酸度的选择、温度和电流密度的选择以及与电流效率之间关系的摸索,最后可以得到含铁量为!(Fe)=0%~60%的光亮的、性能良好的铁—镍镀层。

引言

工业生产中,如果能用高!(Fe)的Ni—Fe合金代替纯镍镀层,将会带来巨大的经济效益。同时又由于Ni—Fe合金具有一些纯镍镀层所没有的优良性能,如磁性、高强度等,因此Ni—Fe合金镀早已引起国内外行家的重视,并对此进行了广泛的研究。但由于在Ni—Fe合金电镀过程中,存在着Fe3+干扰、镀层成分难以控制、主盐浓度易升高、镀层易出现毛刺等一些问题,因此Ni—Fe合金镀至今未能投入工业化生产。为解决上述问题,在吸取前人经验的基础上,通过大量实验,得到比较满意的结果。

1 实验

实验装置见图1。阳极材料为工业纯镍和低碳钢,且套用化纤布制作,阴极用不锈钢片,电极经除油、酸洗、碱洗、水洗等预处理工序。

光亮镍-铁合金 电镀装置图

1.1电镀液组成及其作用

电镀液组成公式

NiSO4・7H2O及FeSO4・7H2O是作为电镀主盐,Na2SO4,NaCI是防止镍阳极钝化,提高溶液导电能力,增强阴极极化作用,十二烷基磺酸钠能降低镀液表面张力,使氢气泡在镀件表面快速逸出,可防止针孔、毛刺、鼓泡等现象,糖精、光亮剂可使镀件合金镀层致密、光亮,柠檬酸作为络合剂可稳定亚铁离子、缓冲pH)

1.2镀液成分测定

Fe2+的测定用铬酸钾滴定。总Fe和Ni质量浓度的测定用EDTA络合滴定。!(Fe3+)=!(Fe总)-!(Fe2+)。

1.3镀层成分测定

在不锈钢片上镀20min后剥离镀层,低温烘干恒重后用浓盐酸加热溶解,用重铬酸钾滴定,并计算出Fe的质量分数。

1.4电流效率计算

电流效率计算公式

式中:m—镀层质量;Z—Fe,Ni的价态(Fe2+,Ni2+);I—电流;F—法拉第常数;t—电镀时间;x—镀层中Fe的质量分数;MFe,MNi—分别为Fe,Ni的原子量。

1.5镀层耐腐蚀性能检验

将不同含Fe量的镀件浸在质量分数为3%的NaCI溶液中,几天后观察镀层的耐腐蚀性能。

2 结果与讨论

2.1络合剂的作用

镀液中的Fe2+易被空气氧化为Fe3+,因此槽液长期放在空气中,Fe3+质量浓度不断上升,当高到一定值时,镀层将出现毛刺,严重影响质量。通常的做法是加还原剂,但其往往在阳极被氧化而分解失效,分解产物还污染槽液。如以柠檬酸作为络合剂,当电镀41后发现Fe3+的质量浓度可由3.58g/L下降到2.52g/L,并基本保持不变,如图2。同时,当柠檬酸加入量一定时,虽然Fe3+的质量浓度随总Fe质量浓度升高而上升,但是当电镀一定时间后,槽液趋于稳定,!(Fe3+)/!(Fe)最高不超过38%,未达到影响合金镀层质量的程度。如图3。

光亮镍-铁合金电镀工艺条件中络合剂的作用

从图中可知镀层含w(Fe)达60%,!(Fe3+)/!(Fe)也未超过38%,不影响镀层质量,说明以柠檬酸为络合剂无需另加还原剂,只要电镀一段时间即可稳定Fe3+质量浓度。另一方面,由于Fe和Ni的标准电位分别为-0.441和-0.250,两者相差甚远,要想电镀时两金属共沉积形成合金,必须选择对Ni2+的络合作用强于Fe2+、且能使两者沉积电位相近、达到共沉积的络合剂,柠檬酸正好适合。另外柠檬酸还有缓冲p~作用,大量实验证明柠檬酸是比较理想的络合剂。

2.2镀层合金组成的控制

Fe—Ni合金镀层组成不同,性质也不同,如含w(Fe)=21%的Fe—Ni镀层有良好的磁性,而含Fe低的镀层韧性好,含Fe高的硬度高。因此好的体系应可随意调节,能镀出含Fe量不同的镀层。而本体系正体现了这种优点,如图1,在两阳极支路分别接上电流表,调节Fe,Ni阳极溶解电流的比例关系。采用不同阳极溶解电流比,待镀液稳定后在抛光的不锈钢片上电镀20min,将镀层剥离,分析镀层Fe,Ni含量,可得出镀层Fe的质量分数与Fe,Ni阳极溶解电流比成直线关系,结果见表1。

要想得到w(Fe)=40%的镀层,只要控制镀层ZFe/ZNi为2/3,即ZFe/Z总为2/(2+3)等于40%,经电镀6h后即可达到要求。当镀液未稳定前,镀层成分是变化的,只有镀液稳定后成分才恒定。通过对不同阳极溶解电流下稳定态镀液的Fe2+,Ni2+的测定发现,阳极电流比(或镀层成分比)与该稳定态的铁镍浓度比存在着一种关系,其关系如表2。

镀层合金组成的控制

通常情况下,阳极溶解电流效率接近100%,当阳极溶解电流比ZFe/ZNi升高时,镀液中!(Fe2+/!(Ni2+)增加导致阴极Fe,Ni的沉积速度比增加,故随着阳极溶解电流比的增加,镀层中Fe含量也增加,当电镀6h达稳定后,阳极溶解进入溶液的Fe2+,Ni2+与阴极沉积量相等,Fe2+/Ni2+趋于稳定,镀层的成分也随之稳定。

2.3电流效率与主盐的质量浓度的关系

阴极电流效率体现了生产效率和能耗,低的阴极电流效率是不可取的。而阳极电流效率可以很高(近100%,甚至超过100%),就会使主盐浓度逐渐升高,影响电镀正常进行。通过实验测定了相同组成而温度不同以及温度相同而组成不同的电流效率,结果如下:当w(Fe)=35%时,55C时的电流效率"=96.31%,70C时的电流率"=96.281%。当t=55C时,w(Fe)=35%的电流效率"=96.31%,w(Fe)=40%的电流效率"=96.25%。可以看出,阴极电流效率与溶液中w(Fe)影响不大,无论是低w(Fe)和高w(Fe)镀层,电流效率均可维持在高的水平(95%以上)。同时也可看出温度变化对电流效率几乎没有影响。

2.4温度和电流密度的选择

在其他工艺条件不变的情况下升高槽液温度,会加快阴极反应速度和加快金属阳离子的扩散,降低阴极极化,使镀层结晶变粗。但升温同时也可以提高允许的阴极电流密度的上限值,由于阴极电流密度的增加,增大了阴极极化作用,这样一来,不仅镀层结晶不会变粗,而且会加快沉积速度,提高生产率,本工艺选用45~60C,阴极电流密度选4A/dm2。

2.5酸度的选择

通过实验发现,在酸性镀液中,酸度太高易析氢,降低了阴极电流效率和加快阳极的溶解,引起主盐质量浓度升高,并且大量析氢,造成镀层鼓泡、空洞而影响产品质量。而酸度太低,在阴极会有Fe(O~)3析出使镀层发暗,通过实验摸索,p~控制在310.3为好,此时析氢少,镀层质量也较好。

2.6不同含Fe量镀层的耐蚀性能

通过实验发现,在酸性镀液中镀层的耐蚀性随w(Fe)的升高而下降,当w(Fe)=55%时镀层非常易生锈,低于50%,耐蚀性尚好。

3结论

采用柠檬酸为络合剂,并采用分别控制Fe,Ni极溶解电流的办法,在搅拌、控制p~为2.7~3.3,槽液温度45~60C,阴极电流密度为4A/dm2等条件下,可得到w(Fe)=0%~60%的光亮的性能良好的Fe—Ni镀层。

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