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钛合金化学镀镍工艺研究

放大字体  缩小字体发布日期:2012-07-19  浏览次数:950
核心提示:为做好钛合金的表面处理,我们需要对钛合金的工艺有一个全新的了解,通过钛合金的化学镀镍的研究,可以给钛合金表面处理指明了一个方向,即可将镍层作为钛合金表面电镀中的中间镀层,从而提高各种钛合金电镀的结合力。
   杨红超;张晓再

  (海军驻平坝地区航空军事代表室,平坝561102)

  摘要:为做好钛合金的表面处理,我们需要对钛合金的工艺有一个全新的了解,通过钛合金的化学镀镍的研究,可以给钛合金表面处理指明了一个方向,即可将镍层作为钛合金表面电镀中的中间镀层,从而提高各种钛合金电镀的结合力。

  关键词:化学镀镍;结合力;钛合金;活化处理;粗化处理

  中图分类号:TG27文献标识码:A文章编号:1006-4311(2011)14-0046-02

  0·引言

  钛及其合金由于具有质轻、刚度大、耐蚀性强等特性,广泛应用航空、航天、化工以及民用行业中,特别是在航空发动机中,采用钛合金材料可以减轻发动机重量从而提高推重比。但它本身存在易磨损、高温下易氧化、硬度低、与其它金属接触共存时会产生危害很大的接触腐蚀等缺陷,为了满足应用需要就必须对其加以表面改性,来克服这些缺陷,电镀是完成这一过程的有效方法之一。钛的标准电位E0为-1.628V(SHE),其化学活性相当高,在空气中自然氧化,表面被一层氧化膜覆盖,妨碍了金属镀层的结合强度。如果将这层膜除去,它会立即重新形成,所以要想得到有良好结合强度的镀层,必须要消除这层膜的影响。

  1·工艺流程

  装挂→化学除油→清洗→粗化处理→清洗→酸洗→活化处理→清洗→化学镀镍

  2·工艺说明

  2.1装挂由于钛合金零件镀铜时采用的是铜丝装挂零件,所以,初步化学镀镍试验时选用过铜丝进行装挂。但是,用铜丝装挂的零件在第二步活化处理中效果不好,钛合金零件表面生成了一层灰黑色的氟基薄膜,对后需的化学镀镍有所影响。在化学镀镍的过程中,零件表面的灰黑色氟基薄膜有脱落现象,化学镀镍的沉积速度很慢,大约经过了15分钟左右,零件局部表面才有镍层,并且大多零件表面的镍层都有局部发黑现象,怀疑是氟基薄膜的脱落造成的。化学镀镍时间结束后,对零件的外观质量进行检查,可以看出,用铜丝装挂的零件化学镀镍后,镍层粗糙,为灰黑色,基本没有光泽,并大多零件表面的镍层都有局部发黑现象。

  考虑到化学镀镍中所需要的诱发反应,因此,我们选择了不锈钢丝进行零件的装挂。由于Cu标准电位E0为0.153V(SHE);Ni标准电位E0为-0.250V(SHE);Fe标准电位E0为-0.441V(SHE);F标准电位E0为2.87V(SHE)由于零件在第二次活化处理后,零件表面形成了一层氟基薄膜,故我们以F的标准电位近似于零件第二次活化处理后的电解电位)。因为铜和氟的电极电位较正,没有自催化作用,所以我们用铜丝装挂,就很难在化学镀镍中形成短路电池,化学镀镍的沉积速度将很缓慢。用不锈钢丝装挂,可使作为阴极部分的表面首先沉积镍层,致使化学镀镍的反应得以顺利进行。采用不锈钢丝也有一定好处,既零件进行酸洗时不至于松动和脱落。用不锈钢丝装挂零件后经过的工艺路线如上。在第二步活化处理时,零件表面的光泽得到了保护,没有生成灰黑色的氟基薄膜。化学镀镍时,沉积速度有所提高,大约经过5分钟左右,零件表面开始沉积上镍层。加工至终点时间,对零件表面质量进行检查,镍层结晶细致,有光泽,为灰白色。

  2.2化学除油钛合金材料一般采用化学除油的方法。如果采用电解除油,阴极除油时易渗氢,阳极除油时易被钝化。在阴极时发生的电极反应为:2H2O+2e→H2+2OH,H2进入金属晶格造成渗氢,在阳极发生的电极反应为:2H2O+O2+4e→4OH-,钛合金迅速与氧亲合成稳定、致密的钝化膜层,造成电镀困难。配方如表1。

  2.3粗化处理钛的标准电位E0为-1.628V(SHE),可见它的化学活性相当活泼,在空气中能迅速与氧结合生成结构较为复杂的氧化皮,这层氧化皮由TiO2、TiO、Ti2O3等组成,稳定性极高,并永久覆盖在基体上,它妨碍金属镀层与基体的结合强度。这层氧化皮能否去除彻底直接关系到后续电镀加工能力,关系到镀层质量。考虑到钛合金零件经过了机械加工,表面在机加高温状态下易产生一层至密的氧化膜,为此,我们选择了近似碱崩工艺的方法对零件进行第一道除膜。配方如表2。

  由于在高温状态下,钛合金零件在上述槽液中,NaOH会以溶液状态粘覆在零件表面。出槽后迅速将零件放入冷水中,粘覆在零件表面的NaOH会结晶析出成为固态NaOH,从而可以对钛合金零件表面的氧化膜有松动和剥落作用。

  2.4酸洗零件经过了粗化处理后,表面的氧化膜相对变得不再紧密和连续,利于酸液的腐蚀。

  2.4.1氢氟酸腐蚀(表3)


  2.4.2混酸腐蚀(表4)

  2.5活化处理钛合金材料浸蚀除去钝化膜后又会在新鲜表面迅速生成完整的新膜,所以为了保证镀层与基体的良好结合,在浸蚀后还要进行活化预处理,目的是在钛合金表面获得直接进行电镀的表面状态。根据多次活化实验结果,我们先用氟基薄膜作为镀层与基体之间的中间转化层。工艺配方如表5

  在氟硼酸盐处理过程中,钛合金与之通过较复杂的机理在其表面生成一层极薄而且均匀的氟基薄膜,它阻止了钛合金的进一步氧化,并使基体得到活化,使被镀的金属能直接沉积于氟基薄膜上。这层薄膜与基体金属结合好,又与镀层金属结合力好,所以,在实际操作过程中,一定要避免薄膜受到机械损伤,而且浸蚀清洗干净后零件立即转入活化槽液。

  2.6化学镀镍化学镀是在无电流通过时借助还原剂在同一溶液中发生氧化还原作用,从而使金属离子还原沉积在零件表面上的一种镀覆方法。化学镀镍的反应历程如下:


  上述还原反应是周期地进行的,其反应速度取决于界面上的pH值。pH值较高时,镍离子还原容易;而pH值较低时磷还原变得容易,所以化学镀镍层中含磷量随pH值升高而降低。因此,在化学镀镍的过程中,对pH值的调节很重要,经过试验,确定pH值基本在3~5之间为最佳。

  镀液温度是影响化学镀镍沉积速度最重要的因素之一。沉积速度几乎是随温度成指数地增大,为取得高的沉积速度,都尽可能使用较高的工作温度。我们采用的配方为酸性镀液,工作温度低于70℃,则反应不能进行,一般需要75~85℃。但是温度太高,沉积速度太快也会失控,导致亚磷酸盐迅速增加,这样会触发镀液的自分解。经过试验,我们采用水浴加热,保持镀液的温度在85℃左右为最佳。化学镀镍配方如表6。

  在化学镀镍过程中,零件需在化学镀镍温度上限时下槽,需保证零件和夹具的紧密接触;化学镀镍时,需勤晃动零件,以使槽液的温度及浓度在零件表面基本均匀,诱发反应。

  3·数据统计

  经过了的上述说明,我们将所经过的试验数据进行统计(表7)。

  4·结合力检查

  4.1镀后零件在恒温箱中加温到200±10℃,保持1h,然后取出立即放入冷水中骤冷,观察镀层未发现起皮现象。

  4.2镀后零件在除氢炉中进行,温度180~220℃,时间2h,出炉后观察镀层未出现鼓泡或起皮现象。

  4.3将镀后试片用钳子夹紧,反复弯曲180℃,直至断裂,观察断口未发现断口未发现与基体分离。

  5·结论

  通过采取粗化与活化的处理方法,能较好的除去钛合金零件表面的氧化膜,同时,生成一层利于化学镀镍的氟基薄膜;采用不锈钢丝代替铜丝装挂,能较好的诱发化学镀镍向正方向进行反应;通过对温度的试验,确定了在化学镀镍过程中,在温度上限时将零件下槽,能较好的使零件的反应得到保证。

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