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金属覆盖层 工程用镍电镀层

放大字体  缩小字体发布日期:2013-04-12  浏览次数:1786
核心提示:工程用镍电镀层具有多方面的应用,如提高硬度、耐磨性、耐蚀性、承载性能、抗热氧化性、抗腐蚀疲劳性能及其它表面性能的改进。电镀镍也在工程中用于修复磨损的或超差的机加工件以及与其它金属覆盖层组合为扩散阻挡层。

引言

工程用镍电镀层具有多方面的应用,如提高硬度、耐磨性、耐蚀性、承载性能、抗热氧化性、抗腐蚀疲劳性能及其它表面性能的改进。电镀镍也在工程中用于修复磨损的或超差的机加工件以及与其它金属覆盖层组合为扩散阻挡层。工程用镍电镀层一般含镍高于99%,其通常采用不加添加剂的瓦特镍或氨基磺酸镍槽液进行电镀。附录A给出了典型槽液的组成、操作条件及镀层的机械性能。

要求提高硬度、增强耐磨性、改善电沉积内应力及增强整平性能时,可以向溶液中加入如碳化硅、碳化钨、氧化铝、碳化铬的微粒及其它物质。当镀层最终使用温度为低温或中温时,可添加含硫有机添加剂来提高硬度和降低残余内应力。含硫镍电镀层在高温下暴露会导致镀层变脆和开裂,其影响与温度有关。热处理时间足够长时,150℃下这种影响可能很明显。

一个显著的趋势是工程用镍合金电镀工艺的应用逐渐增多,这包括镍与钴、铁、锰、钼、磷、钨组成的二元合金。

金属覆盖层工程用镍电镀层

1范围

本标准规定了黑色和有色金属上的工程用镍和镍合金电镀层的要求。

本标准不适用于镍为小组分的二元镍合金电镀层。

标识提供了一种表示工程用镍及镍合金电镀层的类型和厚度的方法。

2规范性引用文件

下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件,其随后所有的修改单(不包括勘误的内容)或修订版均不适用于本标准,然而,鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件,其最新版本适用于本标准。

GB/T3138金属镀覆和化学处理与有关过程术语(modISO2079和ISO2080)

GB/T4955金属覆盖层厚度测量阳极溶解库仑法(idtISO2177)

GB/T5270金属基体上的金属覆盖层电镀和化学镀覆盖层附着力试验方法评述(idtISO2819)

GB/T6461金属和其它无机覆盖层涂覆和未涂覆金属覆盖层的螺栓和螺杆的残余氢脆试验斜楔法(idtISO10587)

GB/T6462金属和氧化物覆盖层厚度测量显微镜法(idtISO1463)

GB/T6463金属和其它无机覆盖层厚度测量方法评述(idtISO3882)

GB/T7503金属覆盖层厚度测量扫描电镜法(idtISO9220)

GB/T9790金属和其它无机覆盖层维氏和努氏显微硬度试验(modISO4516)

GB/T12334金属和其它无机覆盖层厚度测量的定义和一般规则(idtISO2064)

GB/T12335金属基体上的金属和其它无机覆盖层的腐蚀试验方法腐蚀实验试样和试件的评级(idtISO10289)

GB/T12609电沉积金属覆盖层和相关精饰计数检验抽样程序(idtISO4519)

GB/T13744磁性和非磁性基体上的镍电镀层厚度的测量(idt2361)

GB/T15821金属覆盖层延展性测量方法评述(idtISO8401)

GB/T16921金属覆盖层厚度测量X射线光谱法(idtISO3497)

GB/T19349金属和其它无机覆盖层为降低氢脆危害性的钢铁前处理(idtISO9587)

GB/T19350金属和其它无机覆盖层为降低氢脆危害性的钢铁涂覆后处理(idtISO9588)

GB/T20015金属和其他无机覆盖层电镀镍、自催化镀镍、电镀铬及最后精饰自动控制喷丸

硬化前处理(idtISO12686)

GB/T20018金属和非金属覆盖层厚度测量β反向散射法(idtISO3543)

ISO15274金属和其它无机覆盖层钢铁析氢的电化学测量藤壶电极法

EN12508金属及合金的防护表面处理、金属和其它无机覆盖层词汇

3术语和定义

GB/T3138、GB/T12334、EN12508确立的术语和定义适用于本标准。

4向供方提供的资料

4.1必要资料

按本标准订购电镀产品时,需方应在合同或订购合约中,或在工程图纸上书面提供以下资料:

a)标识(见第5章);

b)替代试样的要求(见6.1);

c)主要表面,应在工件图纸上标明,也可用有适当标记的样品说明(见6.2);

d)最后的表面精饰状态,如电镀的、打磨的、机加工的或抛光的。也可用需方提供或认可的样品来表明所要求的精饰状态,以便于比较(见6.2和6.3);

e)缺陷的类型和大小,每类缺陷在表面或每平方分米表面上允许的数量(见6.2);

f)表面上最小厚度有要求的附加部分(见6.4);

g)测量厚度、结合强度、孔隙率的试验方法;如有需要,还应指明内应力和延展性的试验方法(依次见6.4,6.6,6.7,6.11和6.12);

h)工件的抗拉强度及电镀前为减少内应力的热处理的要求(见6.8);

i)电镀后降低氢脆的要求及氢脆试验方法(见6.9);

j)抽样方案和接收水平(见第7章)。

4.2附加资料

适当时,需方应提供以下附加资料:

a)基体金属的标准组成或规格、冶金学状态以及硬度(见5.3);

注:修复工件时,很难提供这些资料,因此镀层的质量难以保证(见6.10)。

b)电镀前/后喷砂的必要性;

c)前处理的任何要求或限制,如用蒸汽喷砂代替酸洗前处理;

d)底电镀层和/或面层的要求(见5.5);

e)表面精饰、硬度、结合力的要求(见6.3、6.5和6.6)。

5标识

5.1概述

标识可能出现在工程图、订购单、合同或详细的产品说明中。

标识按照规定的顺序明确指出了基体材料及其标准牌号(非强制性的)、减小应力的要求、底镀层的类型和厚度、镍或镍合金镀层的类型和厚度、面镀层的类型和厚度以及包括热处理在内的后处理。

5.2组成

标识应包括以下内容:

a)术语“电镀层”;

b)本标准的编号,即GB/T12332;

c)连字符;

d)基体金属的化学符号(见5.3);

e)斜线(/);

f)镍或镍合金镀层及底镀层和面镀层的符号,每一层之间按镀层的先后顺序用斜线分(/)开。镀层标识应包括镀层的以微米计的厚度(见5.5)和热处理要求(见5.4)。省去的或不作要求的步骤应用双斜线(//)标明。

注:特种合金建议用该基体金属的化学符号后加标准牌号注明,如:UNS号,或等同的国家或地方牌号。其牌号置于<>内。

例:Fe是高强度钢的UNS牌号。

5.3基体金属的标识

基体金属应用其化学符号表示。如果是合金,则应标明主要成分。

例如:

a)Fe表示铁和钢;

b)Zn表示锌合金;

c)Cu表示铜及铜合金;

d)Al表示铝及铝合金。

注:为确保表面预处理合适及镀层与基体金属之间的结合力,标明特种合金的成分和冶金学状态(回火、渗氮等)尤为重要。

5.4热处理要求的标识

热处理要求应按如下要求标注在方括号内:

a)字母SR表示消除应力的热处理;字母ER表示降低氢脆敏感性的热处理;字母HT表示其它的热处理;

b)在圆括号中标明最低温度,用℃计;

c)热处理持续时间,用小时计;

例如:[SR(210)1]表示在210℃下消除应力处理1小时。

热处理有规定时,标识中应包括其要求(见5.6中的最后实例)。

5.5金属镀层的类型和厚度

电镀镍用镍的化学符号Ni后加以微米计的最小局部厚度表示。镍电镀层的类型用表1中给出的符号表示,并置于厚度数值的后面。

对于镍合金电镀层,表2给出了表示合金电镀层的符号,在其后面的圆括号中标注合金镀层的主要成分的数值,再注明规定的以微米计的最小局部厚度的数值。

例如:NiCo(35)25表示厚度为25μm、含钴质量分数为35℅的镍—钴合金电镀层。

电沉积或以其它方式镀覆的金属底镀层和面镀层应用沉积金属的化学符号表示,后接镀层的最小局部厚度的数值(以微米计)。


注:工程用镍电镀层常由瓦特镍和氨基磺酸镍槽液电沉积,附录A给出了槽液的主要成分。符号sf表示槽液不含硬化剂、光亮剂和减小应力的添加剂,镀层不含硫。符号sc表示槽液中可能含有硫或其它共沉积元素或化合物,这些物质用来增加镍层的硬度、减小粗糙度或控制内应力。为了电沉积钴、铁、锰或磷的镍合金,可对瓦特槽和氨基磺酸镍槽液进行调整。然而,无论是电沉积钼还是钨的镍合金槽液,都与瓦特镍和氨基磺酸盐槽液显著不同。据报道,已出现了适于电沉积镍-钼、镍-钨的槽液。关于镍合金电沉积的其它技术资料见参考文献[6]和[7]。

5.6标识实例

碳钢上电沉积的最小局部厚度为50μm、无硫的工程用镍电镀层标识为:

电镀层GB/T12332-Fe//Ni50sf

铝合金上电沉积的最小局部厚度为75μm、无硫的、镍层含有共沉积的碳化硅颗粒的工程用镍电镀层标识为:

电镀层GB/T12332-Al//Ni75pd

高强度钢上电沉积的最小局部厚度为25μm、无硫的工程用镍电镀层,电镀前在210℃下进行消除应力的热处理2小时,并在210℃下进行降低脆性的热处理22小时,该镍电镀层标识为:

电镀层GB/T12332-Fe/[SR(210)2]/Ni25sf/[ER(210)22]

为了便于订货,详细的产品说明书不仅包括标识,而且还应清楚地注明特定产品其它必要的使用要求。

注:前面两个实例中的双分隔号表明电镀前和电镀后对热处理不作要求。

6要求

6.1替代试样

当电镀件不适合进行试验,或因电镀件数量较少或价值昂贵而不可提交进行破坏性试验时,可用替代试样来测量结合力、厚度、孔隙率、腐蚀性、硬度和其它性能。替代试样的材质、冶金学状态、表面状态应与电镀件一样,并且与再提交的电镀件一起加工。

需方应明确规定代表性试验试样的使用方法以及所用替代试样的数量、材质、形状和大小[见4.1b)]。

6.2外观

主要表面上的电镀层应光滑且无明显缺陷,如麻点、裂纹、起泡、起皮、脱落、烧焦和露镀。表面上仅部分进行电镀的镀层边缘在经过需方规定的机加工和其它加工后,应没有颗粒、结瘤、晶粒粗大、锯齿边缘和其它缺陷[见4.1c)]。

可用确认的样品进行对比[见4.1d)]。

由基体金属的表面状态引起的缺陷或正常操作下仍存在的缺陷不应拒收。需方应规定基体金属缺陷的接收限[见4.1e)]。

需要进行机加工的电镀层允许电沉积时产生轻微的缺陷,这些缺陷可通过机加工来消除。为满足尺寸要求镀后要进行打磨的电镀件,打磨时应使用不含硫的液体冷却剂,并采用足够轻的压力以免开裂。电镀方进行热处理和打磨时产生的肉眼可见的气泡和裂纹应拒收。

6.3表面精饰

见4.1d)和4.2e)。

注:对于打磨精饰,表面粗糙度Ra为0.4μm称为细抛,Ra为0.2μm称为精抛。

6.4厚度

标识中规定的镀层厚度应是最小局部厚度。除非另有规定,否则电镀层的局部厚度应在主要表面上直径为20mm的球所能接触到的任何一点上进行测量[见4.1f)]。

镍电镀层的局部厚度应按附录B给出的方法进行测量。局部厚度通常为5μm到200μm,其主要取决于具体的工程应用[见4.1g)]。

附录B中给出的大多数方法可用于镍合金电镀层厚度的测量。

注:镍电镀层的厚度不受技术限制,但由于电镀件的尺寸和几何形状造成的实际影响,镍电镀层增厚时很难获得光滑的表面和一致的厚度。对镍电镀层进行机加工以满足外观和表面粗糙度的要求时,电镀操作要在工序间中断。当电镀工序中断时,经过机加工的镍电镀层表面必须进行合适的再活化以增强后续电沉积层的结合力。为提高电沉积层厚度的一致性,应采用辅助电极和/或选择适当的保护。

6.5硬度

当硬度有规定时,应按GB/T9790给出的方法进行测量[见4.2e)]。

6.6结合强度

电镀件或替代试样应通过GB/T5270中描述的弯曲、挫刀或热震实验。具体采用的实验方法应由需方指明[见4.1g)]。

注1:供方有责任确定电镀前的表面预处理方法,以使表面能满足本条的要求。

注2:为提高镀层的结合强度,铝合金电镀后应在130℃下进行热处理。对于那些在等于或高于该温度时会变质的合金,本处理不作要求。

6.7孔隙率

电镀铁件或代表性试验试样应进行附录C中描述的热水孔隙率试验或附录D中描述的改进型孔隙率试纸试验。实验后,应根据GB/T12335对电镀件进行评级。除非需方另有规定,如果发现孔隙率达到某一程度,工件就应报废[见4.1g)]。

6.8电镀前消除应力的的热处理

当需方有规定时,最大抗拉强度等于或大于1000MPa(31HRC)及在机加工、研磨、锻造或冷成形过程中产生了张应力的钢铁件在清洗和电镀前应进行消除应力的热处理。热处理的工艺和等级应按需方的规定进行,也可由需方根据GB/T19349来规定合适的工艺和等级[见4.1h)]。

注:有氧化皮或污垢的钢铁在电镀前应进行清洗。对于高强度钢,为避免在清洗过程中产生氢脆危害,应采用化学碱性除油或阳极电解除油及机械除油。对高强度钢(抗拉强度大于1400MPa)进行机械除油时,应考虑进行过热处理的可能性。

6.9降低氢脆的热处理

最大抗拉强度等于或大于1000MPa(31HRC)的钢件及表面强化过的工件,应进行降低氢脆的热处理。热处理的工艺和等级按GB/T19350进行或按需方的规定进行[见4.1h)]。

降低氢脆的热处理的效果可按需方规定的实验方法进行测量,也可按国家标准或国际标准中描述的方法测量,例如:GB/T6461描述的测量螺纹件降低残余氢脆的热处理试验方法;ISO15724描述的测量钢中相关析氢浓度的方法。

需要弯曲的电镀弹簧和其它工件,在降低氢脆的热处理前不应进行弯曲。

注:含少量硫的镍和镍合金电镀层在200℃以上温度下热处理时会褪色和变脆。脆性发生的精确温度取决于镍镀层中硫的含量及在超高温度下的处理时间。

6.10喷丸

如果需方规定电镀前或电镀后要进行自动控制的喷丸处理,则应按GB/T20015执行。测量喷丸强度的方法在该标准中有描述[见4.2b)]。

注:电镀前和电镀后的喷丸处理可将疲劳强度的降低减至最小,疲劳强度的降低产生于高强度钢电镀层受拉应力和工作复杂承载部件的重复使用过程中。其它影响疲劳寿命的因素包括镀层厚度和电镀层的残余内应力。镀层厚度应足够薄以适应所期望的使用条件,残余内应力也应该尽可能小。喷丸产生的压应力可提高工件耐蚀性和抗应力腐蚀开裂性能。

6.11内应力

电沉积镍及镍合金层的内应力变化范围大。一般而言,高于100MPa的高张应力或压应力可能导致加工困难。瓦特镍比氨基磺酸镍槽液电沉积时产生的内应力高。可用有机添加剂来降低内应力,但必须谨慎使用,因为这些添加剂增加电沉积层的硫含量,也可能产生压应力。含硫的镍及镍合金电镀层在高于200℃时加工或使用可能变脆,这取决于在超高温度下的时间。整平剂往往会在张力方向上增加电镀层的内应力[见4.1g)]。

螺旋压力测量计、刚性带及其它测量内应力的方法可用来测量内应力,但这些方法都未进行标准化。测量内应力的设备提供应商可提供测量电镀层的内应力的详细说明。

6.12延展性

电镀后须进行弯曲或加工成型的应用中,电沉积镍和镍合金层的延展性是重要的考虑因素,例如电气和电子方面的许多应用。延展性不好可导致镀层在加工成型时开裂。不含硫的镍电沉积层的延展性通常大于8℅。需方应规定所要求的延伸率(见注)和测量方法(见GB/T15821)。延伸率常按GB/T15821中描述的圆柱心轴弯曲法进行测量[见4.1g)]。

注:附录A表明,以拉伸的百分率测量,从瓦特镍槽液中电沉积镍的延展性在10℅到30℅之间,从氨基磺酸镍槽液中电沉积镍的延展性在5℅到30℅之间,这取决于pH、温度和电流强度。不含硫的镍电沉积层的延展性可通过电镀后的热处理来提高。

7抽样

抽样方案应从GB/T12609规定的程序中选择。接收水平应由需方规定[见4.1j)]。

附录A

(资料性附录)

瓦特镍和氨基磺酸镍槽液的典型组成和操作条件及镍电镀层的机械性能


附录B

(资料性附录)

厚度测量的试验方法

B.1概述

GB/T6463综述了金属及其它无机覆盖层厚度的测量方法.。

B.2破坏性实验

B.2.1显微镜法

采用GB/T6462规定的方法。如需浸蚀,则采用标准中规定的硝酸/冰醋酸浸蚀剂。对于铜+镍电镀层,浸蚀剂为1体积的硝酸(相对密度ρ=1.4g/ml)和5体积的冰醋酸的混合液。

B.2.2库仑法

GB/T4955规定的库仑法可用于测量镍镀层和铜底镀层的总厚度。应用该方法时,可在主要表面上直径20mm的小球可接触到的任何一点上测量。

B.2.3扫描电镜法

GB/T7503描述的扫描电镜法可用来测量镍电镀层和底镀层的厚度。

注:如遇争议,则库仑法用来测量10μm以下的镍电镀层的厚度,显微镜法用来测量10μm及以上厚度的镍电镀层和底镀层的厚度。

B.3.1非破坏性试验

B.3.1磁性法(仅用于镍电镀层)

采用GB/T13744规定的方法。

注:这种方法的灵敏度随电镀层渗透性的变化而变化。

B.3.3β反向散射法(仅用于没有铜底层的电镀层)

采用GB/T20018规定的方法。本方法适用于铝基体上单镍电镀层。如果用于测量有铜底层的电镀层,则本方法测量的是镀层(包括铜底层)的总厚度。

B.3.3X射线光谱法

采用GB/T16921规定的方法。

附录C

(规范性附录)

热水孔隙率试验

C.1概述

本方法考察铁件上镍电镀层的不连续和孔隙率,并对镍镀层无腐蚀性。

C.2材料

不锈钢或衬胶容器,或玻璃容器,中间悬挂工件,并使工件与金属容器接触处隔热。电镀层的主要表面应全部浸入清洁的蒸馏水或去离子水中。水的pH值应保持在6.0-7.5之间,导电率不高于0.5μS/m。用于调节pH值的添加剂应对镍镀层无腐蚀性,并得到需方的认可。例如,pH值可通过引入CO2或加入H2SO4或醋酸或NaOH来调节。无油气源应能在水中产生足够的搅动,以免气泡依附在工件的主要表面上。

C.3步骤

对待测电镀层表面进行清洗和脱脂,使其表面无水痕,然后将工件镀层表面全部浸入85℃的水中。当工件和水在85℃±3℃达到平衡时开始计时,保持试验60min,其间温度维持不变。试验结束时,将工件从热水中取出,并使水沥干,可用无油压缩空气加速干燥。黑点或红斑表明基体金属腐蚀或存在孔隙。

C.4试验报告

试验报告应包括以下信息:

a)被测表面的面积;

b)肉眼可见的斑点的数量和直径;

c)符合需方定义和规定的单位面积上可见斑点的最大数量。

附录D

(规范性附录)

改进型孔隙率试剂试验

D.1概述

本方法考察铁件上的镍电镀层的不连续和孔隙率。

如果试验超出规定周期(10分钟)3分钟及更长时间,试验对镍电镀层有轻微的腐蚀性。本试验对表面上存在的铁敏感,如镍电镀层表面与铁接触时,其表面上存在微量铁的地方会出现蓝色斑点。实验结果取决于表面精饰,Ra大于0.08μm的表面比粗糙度低于该值的表面可能展现更多的孔隙。

D.2材料和试剂

D.2.1溶液A将50g明胶和50g的氯化钠溶入1L热(45℃)蒸馏水中。

D.2.2溶液B将50g的氯化钠和1g非离子型润湿剂溶入1L蒸馏水中。

D.2.3溶液C将50g铁氰化钾溶入1L蒸馏水中。

D.2.4滤纸具有一定的润湿强度,条形。

D.3步骤

保持溶液A在一定温度,使明胶溶解。将滤纸条浸入溶液A中,然后让滤纸干燥。使用前,将其浸入溶液B中足够长,使滤纸完全湿透。再将滤纸紧贴在彻底脱脂和清洗过的待测镍电镀层的表面。试验保持接触10分钟。其间,如滤纸变干,用溶液B重新润湿。试验结束时移开滤纸,并迅速将其浸入溶液C中。滤纸上的蓝色印记被认为基体金属腐蚀或存在孔隙。

D.4试验报告

试验报告应包括以下信息:

a)被测表面的面积;

b)肉眼可见的斑点的数量和直径;

c)符合需方定义和规定的单位面积上可见斑点的最大数量。

附录E

(资料性附录)

不同用途的附加资料

E.1耐磨性

镍与包括镍表面和钢在内的某些金属接触滑动时,即使经过很好的润滑,也易磨损。镍与铬和磷青铜接触滑动也不能形成好的磨合。为避免该问题,可用其它金属作为镍层的表面镀层。

E.2电镀前的清洗和准备

a)对基体金属进行喷砂清洗可使表面光滑,但导致结合力不好。

b)含铬的浸蚀液不适于电镀前使用,因为其可能使镍电镀槽液污染,以致镀层产生起泡、麻点、起皮。

c)镍不能在铅、锌、锌基合金、铝合金、含锌量超过40℅的铜合金上直接电镀。锌、锌基合金、含锌量超过40℅的铜合金电镀镍前需镀铜底层(最小厚度为8μm—10μm)。铝及其合金在电镀镍前通常在锌酸盐或锡酸盐中浸镀,然后在浸镀层上电镀铜或其它中间层。

E.3镀镍槽液中杂质的影响

a)铝和硅使电镀层高中电流密度区域发雾和轻微粗糙。

b)铁使镀层表面变粗糙。

c)60℃时溶液中硫酸钙以钙计超过0.5g/L时,产生硫酸钙沉淀,以致出现针状粗糙。

d)以铬酸盐形式存在的铬造成暗条纹,高电流密度时析气,也可产生起皮。

e)三价铬与铁、硅、铝一样可使镀层发雾、变粗糙。

f)铜、锌、镉使低电流密度区域发雾、发暗/黑。

g)有机污染物使光亮层发雾、变暗,也会造成暗镍变得半光亮或光亮。

参考文献

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[2]EN573-3:2003,Alumimiumandalumimiumalloys—Chemicalcompositionandformofwroughtproducts—Part3:ChemicalComposition1)

[3]EN1706:1998,Alumimiumandalumimiumalloys—Castings—Chemicalcompositionandmechanicalproperties1)

[4]EN10088-1:1995,Stainlesssteels—Part1:listofstainlessstells1)

[5]CR13388,copperandcopperalloys—compendiumofcompositionsandproducts:1998-111)

[6]DIBARI,GeorgeA.,ElectrodepositionofNickel(Chapter3),andNickelAlloys,CobaltandCobaltAlloys(Chapter13),ModernElectroplating,fourthedited,editedbyM.SchlesingerandM.Paunovic,JohnWiley,NewYork,2000

[7]BRENNER.Abner,ElectrodepoditionofAlloys—PrinciplesandPractice,AcademicPress,NewYork,1963,VolumeⅡ,pp194to483

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