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Ni-P-α-Al2O3纳米复合电镀工艺研究

放大字体  缩小字体发布日期:2012-07-02  浏览次数:733
核心提示: 纳米颗粒不但具有本身材质的性质,而且具有体积效应、表面效应以及一些奇异的光、电、磁等性质,它的出现为复合镀技术带来了新的机遇
   朱福良,朱玉庆,秦瑞焕,陈元锋

  (兰州理工大学材料科学与工程学院,兰州730050)

  [摘 要] 采用复合电镀技术,在黄铜表面制备高硬度的Ni-P-α-Al2O3纳米复合镀层,研究了阴极电流密度、纳米α-Al2O3添加量、镀液pH值、镀液温度和电镀时间对镀层硬度的影响。结果表明:当镀液温度为45℃,阴极电流密度为4A/dm2,镀液pH值为4.0,电镀时间为40min,镀液中纳米α-Al2O3的质量浓度为10g/L时,所得镀层均匀、细致、平滑,经适当热处理后,显微硬度可达到1 332HV。

  [关键词] Ni-P-纳米Al2O3;纳米复合电镀;显微硬度

  [中图分类号]TQ153.1   [文献标识码]A   [文章编号]1001-3660(2012)01-0064-03

  纳米颗粒不但具有本身材质的性质,而且具有体积效应、表面效应以及一些奇异的光、电、磁等性质,它的出现为复合镀技术带来了新的机遇[1]。纳米复合镀层的性能比一般复合镀层更优异,尤其是在工作温度、耐蚀性、耐磨性等方面有很大提升[2]。目前对Ni-P和Ni-纳米α-Al2O3镀层的研究比较多,文中是在Ni-P合金镀层的基础上添加纳米α-Al2O3,α-Al2O3能够改善镀层的硬度、耐磨性及耐蚀性,提高镀层的整平度,降低孔隙率。这种复合镀层具有良好的性能,可应用于化学工业、精密机械和汽车工业等领域。

  1 实验

  1.1 实验材料

  试样(阴极)采用黄铜片(H68),尺寸20mm×30mm×0.5mm;阳极采用纯度高于99.97%的镍片,尺寸20mm×30mm×1mm。纳米Al2O3微粒的纯度高于98.35%,粒径为30nm。

  1.2 复合镀层制备

  自行设计的小型电镀实验装置如图1所示。

  镀液组成见表1。镀前,先对纳米α-Al2O3进行润湿和分散,所用表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵,然后在KQ3200DE型数控超声波清洗器中振荡30min,超声波有空化效应和机械剪切作用[3],能有效分散纳米α-Al2O3。电镀时,采用CJ-882A大功率磁力搅拌器搅拌镀液,使得纳米颗粒较好地悬浮在镀液中。

  镀层制备的工艺流程如下:砂纸打磨,去除氧化膜→碱性除油液中进行化学除油→硫酸和盐酸组成的酸洗液中酸洗,除去残留的氧化层→稀硫酸中活化处理→蒸馏水清洗干净→电沉积。

  1.3 硬度测试

  复合镀层显微硬度用HX-1000TM型显微硬度计进行测定,加载25g,加载时间为10s。每个试样在中心半径0.5mm范围内测试5次,取平均值。

  2 各工艺条件对镀层的影响

  2.1 阴极电流密度和热处理的影响

  在镀液pH值为4.0,温度为45℃,纳米α-Al2O3质量浓度为10g/L,施镀时间30min的工艺条件下,以阴极电流密度为变量来考察镀层的外观及硬度,结果见表2。

  由表2可知,电流密度越大,镀层与基体的结合越差,越容易起泡,电流密度很大时,甚至起皮脱落。当电流密度为4A/dm2时,镀层质量很好,故合适的阴极电流密度为4A/dm2。

  根据文献[4],镀层在250℃进行热处理,延长时间可以提高显微硬度,热处理5h,显微硬度可超过1 000HV。将上述电流密度为3A/dm2和4A/dm2获得的镀层在250℃热处理5h,测得其显微硬度分别为1 096HV和1 332HV。由此可知,镀层经250℃热处理5h后,显微硬度明显增大。这是因为热处理后,Ni-P合金镀层由非晶转化成Ni3P等晶相,晶相转化过程中会造成晶格畸变,从而镀层的塑变抗力增加,硬度得到提高。

  2.2 纳米α-Al2O3添加量的影响

  在镀液温度为45℃,pH值为4.0,阴极电流密度为4A/dm2,施镀时间为30min的工艺条件下,改变镀液中纳米α-Al2O3的质量浓度,获得镀层,并将镀层在250℃热处理5h,之后测量显微硬度,结果见图2。

  由图2可知,随着镀液中纳米α-Al2O3添加量的增加,镀层显微硬度逐渐增大,这表明镀层中纳米α-Al2O3的含量是随之增加的。一方面,当纳米微粒均匀弥散于镀层中时,可使微粒周围的位错运动受到阻碍,变性更加困难,使得镀层硬度增加;另一方面,纳米α-Al2O3本身的硬度很高,这也可以增加镀层的硬度。不过,纳米α-Al2O3微粒的添加量会出现一个极值,到达这个极值后再增加,镀层硬度不会再增大。这是因为纳米微粒在镀液中的含量较高时,一方面,微粒的无规则运动将对金属阳离子的定向迁移造成阻碍作用,从而导致镀层中纳米α-Al2O3的含量增加缓慢[5];另一方面,会引起内应力增加,从而导致镀层粗糙、开裂或剥落。

  2.3 镀液pH值的影响

  在镀液阴极电流密度为4A/dm2,纳米α-Al2O3质量浓度为10g/L,温度为45℃,施镀时间为30min的工艺条件下,改变镀液pH值获得镀层,并在250℃热处理5h,考察镀液pH值对镀层硬度的影响,结果见图3。

  从图3中可知,随着镀液pH值的增加,镀层的显微硬度先逐渐增大,然后逐渐减小。当pH值为4.0时,镀层生长良好,表面均匀细致,质量最好。这是由于α-Al2O3纳米微粒将镀液中的H+吸附于其表面,从而带正电,在电场力作用下,“带正电”的纳米微粒向阴极定向移动,使共沉积得以进行,镀液pH值越小,H+的浓度越高,越有利于纳米微粒的电沉积。但如果H+的浓度过高,阴极析氢就很严重,阴极析氢会阻碍阴极表面的沉积,而且使镀层中易形成微孔[6]。pH值过大时,H+的浓度降低,OH-的浓度增大,镀液中的镍离子与OH-形成不溶性镍的氢氧化物固体微粒,因此镀液中镍离子的浓度降低,镀层中的α-Al2O3微粒随之增多,从而使得镀层内应力增大、粗糙或开裂。

  2.4 镀液温度的影响

  在镀液中纳米α-Al2O3的质量浓度为10g/L,pH值为4.0,阴极电流密度为4A/dm2,施镀时间30min的工艺条件下,改变温度获得镀层,并在250℃热处理5h,考察温度对镀层硬度的影响,结果见图4。

  由图4可知,随着镀液温度的升高,镀层的显微硬度增加,达到一定值后又有所降低。当温度为45℃时,镀层的显微硬度最大。这是因为随着镀液温度的升高,镀液中纳米微粒的能量增多,热运动更加剧烈,动能增加,向阴极的定向移动速度加快,因此加快了共沉积速度,使得镀层中纳米微粒的含量增加,从而提高了镀层的显微硬度。但当温度升高到一定值时,镀液中纳米微粒的能量过大,热运动过于剧烈,电场力对纳米微粒的作用减弱,使得纳米微粒的沉积效率大大降低,不利于共沉积,因此复合镀层的显微硬度有所降低[5]。

  2.5 电镀时间的影响

  在镀液pH值为4.0,温度为45℃,阴极电流密度为4A/dm2,纳米α-Al2O3的质量浓度为10g/L的条件下,改变电沉积时间获得镀层,并在250℃热处理5h,考察电镀时间对镀层硬度的影响,结果见图5。


  由图5可知,随着电镀时间的延长,镀层硬度先增加,后减小,施镀40min所得镀层的质量最好,硬度最高。电镀时间延长,沉积到镀层中的纳米α-Al2O3增多,因此镀液导电性能减弱,阴、阳极之间的电阻值增大,电压也增大,从而溶液中带电微粒迁移到阴极的速率加快,阴极沉积速率随之加快,但过程紊乱、无序,所以镀层内应力增大,导致镀层粗糙、开裂或剥落。

  3 结论

  1)Ni-P-α-Al2O3纳米复合电镀的最佳工艺条件如下:镀液中α-Al2O3的质量浓度为10g/L,pH值为4.0,阴极电流密度为4A/dm2,温度为45℃,电镀时间为40min。

  2)镀层经过热处理后从非晶态转变为晶态,显微硬度增大,在250℃热处理5h可达到1332HV。

  [参考文献]

  [1]刘建平,高中平.Ni/α-Al2O3纳米复合电镀工艺的研究第一部分———纳米α-Al2O3浆料及其镍基复合镀液的制备[J].电镀与涂饰,2007,26(3):38-41.

  [2]钟诚.复合电镀研究新进展[J].四川化工,2004,7(1):16-18.

  [3]黄新民,吴玉程,郑玉春,等.分散方法对纳米颗粒化学复合镀层组织及性能的影响[J].电镀与精饰,1999,21(5):12-15

  [4]王丽丽,管从胜,孙从征.热处理对镍-磷合金镀层结合强度和硬度的影响[J].电镀与精饰,2008,30(2):4-6.

  [5]冯秋元,李廷举,金俊泽.影响微粒复合沉积的诸因素[J].材料保护,2006,39(5):35-39.

  [6]华小社,王红军.纳米碳化硅-镍复合电镀的研究[J].西安理工大学学报,2006,22(3):331-334.

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