低碳钢快速化学镀Ni-P合金的研究

李新跃, 曾宪光, 郑兴文, 曹 盛

（四川理工学院材料与化学工程学院,四川自贡 643000）

低碳钢快速化学镀Ni-P合金的研究

李新跃, 曾宪光, 郑兴文, 曹 盛

（四川理工学院材料与化学工程学院,四川自贡 643000）

以低碳钢为基体进行酸性化学镀Ni-P,采用单因素实验法研究了温度、p H值、还原剂的质量浓度以及时间等工艺参数对化学镀层沉积速率及耐蚀性的影响。结果表明最佳工艺条件为:硫酸镍30 g/L,次磷酸钠40 g/L,柠檬酸钠10 g/L,醋酸10 mL/L,乳酸10 mL/L,p H值4.0,80℃,1.5 h;在该工艺条件下,镀速达78 g·m-2·h-1,镀层厚度达23μm,镀层具有较强的耐蚀性,孔隙率分布较窄。

化学镀Ni-P;工艺条件;沉积速率;耐蚀性

0 前言

化学镀镍是当前发展速度较快的低温表面强化技术之一,其具有镀层厚度均匀、工艺设备简单、孔隙率低和环保等特点,目前已在电子、机械、汽车、航空航天、采矿、纺织等工业中得到广泛的应用[1-3]。国际上将化学镀技术作为一个无公害排放的表面处理工艺,有绿色环保技术之称,受到了工业界的普遍关注。如何寻求更好的化学镀Ni-P合金工艺,获得耐蚀性更好的镀层,具有重大的现实意义。

1 实验

1.1 材料及试剂

实验所用材料为低碳钢,各主要成分的质量分数为:Al 0.052%,Cr 0.021%,Fe 97.76%,Cd 0.085%,Mg 0.026%,Na 0.077%,O 1.4%,P 0.022%,Si 0.253%;试样规格:30 mm×50 mm×1 mm。

实验所用药品:硫酸镍,次磷酸钠,柠檬酸三钠,乳酸,乙酸,以上试剂均为分析钝。

1.2 实验仪器

S4 Explorer型 X射线荧光光谱仪,L K 2005型电化学工作站,HV-5型维氏硬度计,TT 220型数值式覆层测厚仪。

1.3 装载量确定及试片施镀工艺流程

为了保证镀液的稳定性、维护镀液成分及较精确控制镀层厚度,镀液装载量以0.8～1.2 dm2/L为宜,本实验取装载量为1 dm2/L。施镀工艺流程[4]:

1.4 镀层性能检测

（1）沉积速率

按照 GB/T 13913-1992,利用增重法计算镀层沉积速率,计算公式为:

式中:v为镀层的沉积速率,g·m-2·h-1;m1为试样镀后的质量,g;m0为试样镀前的质量,g;S为试样的表面积,m2;t为时间,h。

（2）耐蚀性能

用浓硝酸点滴实验和静态腐蚀实验来确定镀层的耐蚀性能,其实验步骤为将打磨好的低碳钢基体试样和施镀后的试样分别用丙酮和无水乙醇清洗除油,蒸馏水清洗干净,电吹风冷风吹干,称重;室温下在质量分数为3.5%的NaCl溶液中浸泡24 h,去除腐蚀产物,冲洗干净,冷风吹干,称重;计算腐蚀速率,公式为:

式中:G0为单位表面积镀层在单位时间内的失重,g·m-2·h-1;m1为试样腐蚀前的质量,g;m2为试样腐蚀后除去腐蚀产物的质量,g;S为试样表面积,m2;t为试样浸蚀时间,h。

（3）硬度

镀层硬度用HV-5型维氏硬度计测定。

（4）外观形貌

镀层的外观及表面形貌用目视检查,表面外观主要分为光亮、半光亮或无光亮。

（5）电化学测试

利用L K 2005型电化学工作站在室温下测试Tafel极化曲线,电解液为质量分数为 3.5%的NaCl溶液,极化范围为-1～0 V,扫描速率为10 mV/s。

（6）孔隙率

按照 GB/T 5935,选用滤纸黏贴法,确定孔隙率。

（7）结合力

结合ISO 4527及 GB/T 13913中的相关规定,采用锉刀法确定结合力。

（8）厚度

用TT 220型数值式覆层测厚仪测试镀层厚度。

2 结果与讨论

2.1 基础镀液及工艺条件的确定

查阅文献并结合大量预实验[5],确定基础镀液的组成为:硫酸镍30 g/L,柠檬酸钠10 g/L,乳酸10 mL/L,醋酸 10 mL/L 。

2.1.1 温度对沉积速率及耐蚀性的影响

在硫酸镍 30 g/L,次磷酸钠20 g/L,柠檬酸钠10 g/L,醋酸10 mL/L,乳酸10 mL/L,p H 值 4.5,施镀时间1.5 h的条件下,测试了温度对沉积速率及耐蚀性能的影响,实验结果,如图1所示。

图1 温度对沉积速率及耐蚀性的影响

由图1可知:温度低于100℃时,随着温度的升高,沉积速率随之增大;当温度大于60℃时,试样的点滴实验显色时间随施镀温度的增大逐渐增长,镀层的耐蚀性逐渐增强;但当温度超过90℃,显色时间有所下降。可能是随着温度的升高,沉积速率加快,镀层的致密度降低所致。综合考虑镀层沉积速率和耐蚀性的情况,温度应控制在70～90℃范围较好,本实验中施镀温度为80℃。

2.1.2 还原剂对沉积速率及耐蚀性的影响

在硫酸镍30 g/L,柠檬酸钠10 g/L,醋酸10 mL/L,乳酸10 mL/L,p H值4.5,施镀温度80℃,施镀时间1.5 h的条件下,测试了还原剂次磷酸钠的质量浓度对沉积速率及耐蚀性的影响,实验结果,如图2所示。

由图2可知:随着次磷酸钠的质量浓度的增加,沉积速率先减小后增大,当其质量浓度在30～50 g/L时,随着次磷酸钠的质量浓度的不断增加,沉积速率不断增大;当其质量浓度在20～40 g/L时,对镀层的耐蚀性影响不大,当其质量浓度在40～50 g/L时,显色时间明显减短,镀层的耐蚀性有较大下降。综合考虑沉积速率和耐蚀性的情况,镀液中次磷酸钠的质量浓度定为40 g/L。

图2 还原剂对沉积速率及耐蚀性的影响

2.1.3 p H值对沉积速率及耐蚀性的影响

在硫酸镍30 g/L,次磷酸钠40 g/L,柠檬酸钠10 g/L,醋酸 10 mL/L,乳酸 10 mL/L,施镀温度80℃,施镀时间1.5 h的条件下,测试了p H值对沉积速率及耐蚀性的影响,实验结果,如图3所示。

图3 p H值对沉积速率及耐蚀性的影响

由图3可知:随着p H值的升高,沉积速率加快;p H值越高,显色时间越短,说明试样的耐蚀性越差。综合考虑镀层沉积速率和耐蚀性的情况,确定镀液的p H值为4.0。

2.1.4 时间对沉积速率及耐蚀性的影响

在硫酸镍30 g/L,次磷酸钠40 g/L,柠檬酸钠10 g/L,醋酸10 mL/L,乳酸10 mL/L,p H值4.0,施镀温度80℃的条件下,测试了施镀时间对沉积速率及耐蚀性的影响,实验结果,如图4所示。

由图4可知:随着施镀时间的增加,镀层的沉积速率呈下降趋势,这是由于镀层的形成要消耗镀液中的金属和类金属离子,使反应物的质量浓度逐渐降低,加之某些生成物（如氢氧化物或碱式盐）的形成,也将影响反应速率[6],使镀速降低;随着施镀时间的增加,显色时间不断增加,镀层耐蚀性不断提高,这是由于镀层沉积速率放慢,形成的镀层更加致密,孔隙率更低所致[7]。综合考虑镀层沉积速率和耐蚀性的情况,施镀时间确定在1.5 h为宜。

图4 时间对沉积速率及耐蚀性的影响

综上所述,在硫酸镍30 g/L,次磷酸钠40 g/L,柠檬酸钠 10 g/L,醋酸 10 mL/L,乳酸10 mL/L,p H值4.0,1.5 h,80℃的条件下所得的镀层的表面平整,有金属光泽,无结瘤现象,整体质量好。

2.2 镀层性能检测

2.2.1 沉积速率、外观、厚度及孔隙率分析

镀层沉积速率较快,达78 g·m-2·h-1。镀后试样表面光亮,目视检查时,表面较平整均匀,无麻点、裂纹、起泡、分层或结瘤等缺陷,镀层质量整体较好。镀层厚度较均匀,平均厚度可达23μm。镀层孔隙率整体较低,为0.2个/cm2,说明镀层整体致密性较好。

2.2.2 镀层的结合力分析

使用锉刀沿与试样成45°角锉磨4次后 ,未见镀层起皮或脱落 ,说明镀层与基体结合力良好。

2.2.3 成分分析

用S4 Explorer型X射线荧光光谱仪测试镀层成分,化学镀层主要由Ni和 P两种元素组成,Ni的质量分数为90.24%,P的质量分数为8.85%。

2.2.4 显微硬度分析

用 HV-5型维氏硬度计测定镀层硬度,加载载荷为4.9 N,加载时间为10 s,对试样取6个不同位置测试,取平均值。测试结果表明:所测6个点的硬度相差不大,镀层硬度整体较好,平均达2 649.5 MPa,表明镀层均有一定的耐磨性,可以较好地保护Ni-P镀层不被磨损。

2.2.5 静态腐蚀实验

为了比较镀后试样耐蚀性的变化,实验分为两组,一组实验为空白对照实验,试样为经打磨处理后的低碳钢基体试样;另一组试样为施镀后的低碳钢试样,每组分别作3个水平实验。室温下分别将两组试样浸泡在质量分数为3.5%的NaCl溶液中24 h。由实验结果可知:镀后的低碳钢试样的平均腐蚀速率为0.034 62 g·m-2·h-1,而未作化学镀处理的低碳钢试样的腐蚀速率却高达0.106 66 g·m-2·h-1。这充分说明经过化学镀Ni-P处理后的低碳钢试样耐蚀性有较大的提高。

2.2.6 Tafel极化曲线测试

利用L K 2005型电化学综合测试系统在室温下测试 Tafel极化曲线。图5是低碳钢基体材料和表面化学镀Ni-P试样的极化曲线。由图5可知:经过表面化学镀Ni-P处理后的试样,电流密度明显低于基体材料的,且腐蚀电位正移了近152 mV,说明经过化学镀Ni-P表面处理后,试样的耐蚀性能得到了明显的改善。

图5 试样的极化曲线

3 结论

（1）通过单因素实验得出化学镀Ni-P的最佳配方及工艺条件:硫酸镍30 g/L,次磷酸钠40 g/L,柠檬酸钠 10 g/L,醋酸 10 mL/L,乳酸 10 mL/L,p H值4.0,80℃,1.5 h。

（2）在最佳工艺条件下,镀层沉积速率达78 g·m-2·h-1,厚度可达23μm。镀层具有较强的耐蚀性,孔隙率整体较低,镀层表面平整、光亮、分布较均匀,有很好的金属光泽,无麻点、起泡、分层、结瘤等缺陷。

[1] 姜晓霞,沈伟.化学镀理论及实践[M].北京:国防工业出版社,2000:35-39.

[2] 黄天尉.化学镀镍技术应用研究[J].科技创新导报,2009,32:90-92.

[3] 廖西平,夏洪均.化学镀镍技术及其工业应用[J].重庆工商大学学报,2009,26（4）:399-402.

[4] 李慧琪,李惠东.低温超声波化学镀镍层的组织结构与性能[J].中国有色金属学报,1998,8（4）:573-578.

[5] 蒲艳丽,杜敏,高荣杰,等.化学镀Ni-P合金工艺的优化[J].电镀与精饰,2004,26（3）:25-29.

[6] 胡睿,张华明,熊晓玲,等.小体积化学镀镍工艺[J].电镀与涂饰,2009,28（8）:27-29.

[7] 侯引平,姜忠义,李艳,等.化学镀Ni-P合金的工艺条件研究[J].陕西师范大学学报:自然科学版,2005,33:89-93.

A Study of Fast Electroless Ni-P Alloy Plating for Low Carbon Steel

LI Xin-yue, ZENG Xian-guang, Zheng Xing-wen, CAO Sheng
（Institute of Material and Chemical Engineering,Sichuan University of Science and Engineering,Zigong 643000,China）

Acid electroless Ni-P alloy plating was carried on carbon steel substrate and the effects of such processing parameters as temperature,p H value,mass concentration of reducing agent,processing time,etc.on deposition rate and corrosion resistance of the electroless coating was investigated by single factor experiments.The results show that the most optimal conditions are:NiSO4·6H2O 30 g/L,NaH2PO2·H2O 40 g/L,C6H5Na3O7·2H2O 10 g/L,acetic acid 10 mL/L,lactic acid 10 mL/L,p H value 4.0,temperature 90℃,processing time 1.5h.Under such processing conditions,plating rate has reached 78 g·m-2·h-1and plating thickness 23μm.The coating has a strong corrosion resistance and the porosity distribution is narrower.

electroless Ni-P alloy plating;processing condition;deposition rate;corrosion resistance

TQ 153

A

1000-4742（2011）04-0021-04

2010-12-01

·设 备·