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高耐蚀性和全光亮化学镀Ni-P合金的研究

放大字体  缩小字体发布日期:2012-05-07  浏览次数:789

摘要:本文对化学镀Ni-P合金的工艺参数进行研究,确定了最佳工艺条件,采用扫描电镜、电子探针、X射线衍

射仪对镀层的成分和组织结构进行分析,得到Ni-P非晶态合金层。试验表明:镀层在15%H2SO4和10%HCl溶液中,具有优良的耐蚀性,其外观有较好的光亮性。

关键词:化学镀Ni-P合金耐蚀性光亮性

中图分类号:TG174.44     文献标识码:A     文章编号:1008-7818(2006)02-0006-03

0前言

镀铜层是广泛用于防护装饰性的镀层,其中,较多的镀铜是氰化镀铜,但此工艺采用剧毒的氰化亚铜和氰化钠,危害操作人员的身体健康,严重污染环境。另外,在镀制过程中,阴极电流密度过高,氢析出加剧,铜镀层易产生空隙、麻点,阴极也容易钝化,导致镀液老化,影响镀层的质量。镀铜层的结构致密性和耐蚀性也不理想。

针对镀镍中间体缺陷和所带来剧毒物质的环境污染,采用封闭剂工艺提高金属材料表面的耐蚀性和光亮程度。而镀镍层是表面精饰处理中极其重要的工

序,也是长期以来在工业应用中最普遍的工艺[1],该工艺的特点是:

(1)镀液中不需加入任何光亮剂、整平剂、应力消除剂和润湿剂,能从镀液中直接镀制出光亮性极高的合金镀层,因此,镀液的成本低。另外,化学镀镍合金层在空气中能长期保持光亮度,不会发生变色反应,克服了现有化学镀镍存在着磷化膜的作用而使镀层表面变成黑灰色的问题。而普通碳素钢、镀铜层和其他有色金属在酸性腐蚀介质和空气中容易变色。因此,化学镀镍合金层具有非常高的装饰应用价值。此工艺克服了以前镀镍工艺由于镀液中要加入大量光亮剂而使镀镍层变脆和耐蚀性降低的缺点。

(2)化学镀镍避免了电镀由于电流密度分布不均匀而带来的镀层厚度不均匀,电镀镍的厚度在整个零件,尤其是形状复杂的零件上差异很大,在零件的边角和离阳极较近的部位,镀层较厚,而在内表面或离阳极远的地方镀,镀层很薄。化学镀镍可避免电镀的这一缺点,化学镀镍时,只要零件表面和镀液接触,镀液中消耗的成分能及时得到补充,任何部位的镀层厚度都基本相同,即使凹槽、缝隙和盲孔也是如此。

(3)在强酸性腐蚀介质中,化学镀镍合金层使廉价的Q235钢表面的耐蚀性大大提高,所以,具有较高的社会效益和经济效益,是一项很有前景的新技术。

(4)化学镀镍无任何环境污染,是一种环保型的镀液。

1实验方法

1.1工艺参数的影响

Ni - P合金化学镀采用如下施镀工艺:

硫酸镍      0.076~0.152mol/L

次磷酸钠      0.142~0.283mol/L

络合剂D     0.085~0.204mol/L

润湿剂S     0.35×10-4~3.47×10-4mol/L

添加剂P     4.48×10-2 mol/L

pH值   4.5~6.5

温度      85~95℃

(1)硫酸镍浓度对沉积速度的影响

维持其他条件不变,改变硫酸镍浓度,考察沉积速度的变化,结果见图1,可见硫酸镍浓度小于0.114mol/L,沉积速度随硫酸镍浓度的增加明显加快,当硫酸镍浓度大于0.114mol/L时,沉积速度增加不明显,当硫酸镍浓度超过0.152mol/L时,烧杯底部有少量沉淀物出现。

(2)次磷酸钠浓度对沉积速度的影响

图2是次磷酸钠与沉积速度的关系图,从图中可以看出,随着次磷酸钠浓度的增加,沉积速度明显增加,次磷酸钠浓度过低时,基体上难于形成镀层,当次磷酸钠浓度过高时,即次磷酸钠浓度大于0.283mol/L时,烧杯底部有少量沉淀物出现。硫酸镍和次磷酸钠都是镀液的主要成分,二者的浓度对沉积速度、镀液稳定性有重要的影响,因此,选用次磷酸钠浓度为0.236mol/L时比较合适。

(3)络合剂D对沉积速度的影响

镀液中加入络合剂的作用是使Ni2+生成较稳定的络合物,以降低镀液中游离Ni2+的浓度,防止亚硫酸镍沉淀,同时也可作为缓冲剂防止镀液pH值变化过快。络合剂D对沉积速度的影响见图3,可见随着络合剂浓度的增加,沉积速度下降,但幅度不大,络合剂D的最佳含量应为0.136mol/L。

(4)润湿剂S对沉积速度的影响

润湿剂的加入,可降低表面张力,有利于氢气泡逸出,从而减少镀层的针孔。从表1可见,以加润湿剂S 1.74×10-4mol/L为宜,但加入过多会使镀层发黄变暗。

(5)镀液pH值对沉积速度的影响

镀液的pH值对沉积速度的影响见图4,由图可见,沉积速度明显地随溶液的pH值升高而加快,当pH值升高到6.5附近,沉积速度最高,但溶液的稳定性下降。综合考虑,本实验pH值取5.5。

(6)镀液温度对沉积速度的影响

镀液温度对沉积速度的影响十分显著,结果见图5,可见随着温度的升高,沉积速度明显加快。当温度低时,沉积速度很小,温度过高时,反应激烈,并导致镀液分解,因此,镀液温度应为90℃。

(2)X射线衍射分析

图8为镀层的X射线衍射分析结果,由图可见,其衍射图为宽阔对称的衍射峰,说明镀层为非晶态。一般情况下,Ni-P合金镀层的磷含量较高时,即呈非晶态,故镀层由非晶态Ni-6.412% P合金构成。

1.3 Ni - P合金镀层的结合力和耐蚀性

参照《自催化镍磷合金镀层技术要求和试验方法中的结合强度》[2]实验方法,进行热震试验(即加热—骤冷法),在300℃加热1h,然后立即投入冷水中,结果表明,试样表面光洁完整,镀层无任何鼓泡、片状剥离现象出现。在薄钢片上镀Ni - 6.41% P合金层,经弯曲90°,镀层没有脱落,说明镀层与钢基体

的结合力较好。

参照《金属覆盖层实验室全浸腐蚀试验》[3]的方法,用全浸试验方法测定Ni - 6.41%P合金镀层和Q235钢基体在硫酸和盐酸介质中的耐蚀性,结果见表2。

表2样品在15%硫酸和10%盐酸溶液中的腐蚀速率

从表2可以看出,Ni - 6.41%P合金镀层在15%H2SO4和10%HCl溶液中,具有优良的耐蚀性,而且比基体Q235钢和Ni - 3.03%P合金层高得多,这是因为Ni - 6.41%P合金镀层为非晶态结构,非晶态合金层具有表面均匀性、成分均匀性和结构均匀性。另外,Ni - 6.41%P合金镀层中的磷含量较高,而磷元素在腐蚀介质中是一种阳极极化元素,在腐蚀过程中能形成磷化膜,从而降低了镀层的腐蚀性,因此,Ni- 6.41%P化学镀镍合金层与Q235钢相比,具有更高的耐蚀性。在硫酸、盐酸等强酸性腐蚀介质中全浸腐蚀48小时,化学镀镍合金层具有很高的光亮性,不会变色。

2实验结论

(1)研究出化学镀镍溶液的组成和工艺条件为:硫酸镍0.114mol/L,次磷酸钠0.236mol/L,络合剂D0.136mol/L,润湿剂S 1.74×10-4mol/L,添加剂

P 4.48×10-2mol/L,pH值5.5,温度90℃,所沉积的镀层表面光亮。

(2)获得非晶态结构的Ni-P合金镀层,镀层成分为:Ni:93.47%,P:6.41%。

(3)在15%H2SO4和10%HCl溶液中,Ni-6.41%P非晶态合金镀层的耐蚀性高于Q235钢基体。

 

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