珍珠鍍鎳的電鍍工藝參數(shù)優(yōu)化

趙堯敏，崔鐵兵，胡可可

（中原工學(xué)院，鄭州450007）

近年來，隨著鍍鎳技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們研制出了不同種類的鍍鎳.在瓦特型鎳鍍液中，通過添加不同類型的添加劑，可以獲得不同光澤和性能的鎳鍍層，如半光亮鎳、光亮鎳、珍珠鎳、槍黑鎳等.普通鍍鎳的鍍層是無光澤的，多用于較厚的功能性電鍍，其耐腐蝕性較好；光亮鍍鎳的內(nèi)應(yīng)力和脆性較大，耐腐蝕性較差，并且光亮鍍層的鏡面光澤給人的眼睛以強烈的刺激感；珍珠鎳鍍層的亞光中略帶光澤，色澤柔和，可避免使眼睛疲勞.此外，珍珠鎳緞面鍍層結(jié)構(gòu)細致、孔隙少、耐腐蝕性好.很多裝飾品、五金件、自行車零件、光學(xué)儀器的表面等都可用珍珠鎳作為防護及裝飾性鍍層.

珍珠鎳鍍層的制備方法可分為3種：機械法、復(fù)合鍍法和乳化劑法.

乳化劑法是指在合適的工藝條件下，通過向鍍液中加入乳化劑形成乳化液，使小乳滴均勻彌散于鍍液中，在電場的作用下正電荷的小乳滴向陰極移動，并在陰極產(chǎn)生吸附，吸附處因被乳滴屏蔽不能夠沉積金屬，從而使該部位形成一個凹穴.乳滴在陰極表面的吸附和脫附過程及金屬在電極表面的電沉積都在不斷地交替進行，從而在鍍層的表面生成無數(shù)個相互重疊的圓形凹穴，根據(jù)其平均直徑的大小，可以得到不同效果的珠光鍍層［1］.

與傳統(tǒng)的機械法和復(fù)合鍍法相比，乳化液型電鍍工藝不僅可以減少勞動強度，改善工作環(huán)境，避免機件的損失，防止環(huán)境的污染，而且成本低廉，可以獲得不同種類的高質(zhì)量的柔和珠光鍍層.

珍珠鎳電鍍中的各種工藝參數(shù)（溫度、鍍液pH、電流密度、攪拌方式）對珍珠鎳鍍層的效果有極大的影響.優(yōu)化電鍍工藝參數(shù)和配方，尋求最佳工藝以獲得性能良好鍍層的研究工作一直在進行［2－8］.本文研究的珍珠鍍鎳工藝，是以瓦特鎳鍍液作為基礎(chǔ)鍍液，以NiSO4為主鹽，NiC12為陽極活化劑，硼酸為緩沖劑.控制合適的電鍍溫度和pH值，綜合前人的相關(guān)研究，制定了珍珠鍍鎳的鍍液配方和工藝參數(shù)的大概范圍，并進行進一步的研究和優(yōu)化.

乳化液型的珍珠鎳電鍍添加劑大致包含3類：

（1）初級光亮劑，如糖精鈉、2，7一苯二磺酸鈉、對甲苯磺酰胺、萘三磺酸鈉等，本試驗選用糖精鈉.

（2）乳化劑，主要由非離子表面活性劑構(gòu)成，如脂肪醇聚氧乙烯醚、烷基酚聚氧乙烯醚、失水山梨醇脂肪酸酯聚氧乙烯醚、環(huán)氧乙烷與環(huán)氧丙烷嵌段共聚物等，它是使鍍層呈現(xiàn)珍珠鎳緞面效果的關(guān)鍵.本試驗選用辛基酚聚氧乙烯醚（OP－10）.

（3）阻聚劑，是為了防止乳化劑在工作溫度下發(fā)生凝聚而加入的，本試驗選用阻聚劑對甲苯胺.

1 試 驗

1.1 珍珠鍍鎳的正交試驗設(shè)計

正交試驗［9］是研究處理多因素分析的一種科學(xué)方法.珍珠鍍鎳工藝影響因素較多，因此本文采用正交試驗，以最少的試驗次數(shù)，通過對正交試驗結(jié)果的分析比較，確定珍珠鍍鎳的最佳工藝參數(shù).

確定正交試驗的因素和水平是正交試驗設(shè)計的關(guān)鍵.本文選取電鍍溫度、pH、電流密度作為正交試驗的3種主要影響因素，每個因素取3個水平，如表1所示.根據(jù)所列因素和水平的數(shù)目，進行L9（34）正交試驗，如表2所示（1－9號正交實驗的具體條件列于表2）.

表1 正交試驗因素水平表

表2 L9（34）正交試驗表

1.2 鍍液的配制

利用硫酸鎳、氯化鎳、硼酸、糖精鈉、OP－10、對甲苯胺、蒸餾水來配置鍍液，并將鍍液分成3份.用pH計分別測定它們的pH值，并用稀硫酸或稀氫氧化鈉將其pH值調(diào)整到3.5、4.5、5備用.

1.3 電鍍前處理過程

電鍍前處理對鍍層的性能和外觀也起著至關(guān)重要的作用.

銅片：丙酮除油 熱水洗 冷水洗 電化學(xué)除油［10］熱水洗 冷水洗 活化［11－12］（約30s）；

鎳陽極：粗紗打磨除銹 水洗 丙酮除油 熱水洗 冷水洗.

陰陽極面積比均選用1∶1.5［13］.試驗采取單面鍍，待鍍銅片的非鍍表面用環(huán)氧樹脂絕緣密封，所有銅片施鍍面積相同.試驗前先計算出各個試驗需要施加的電流.通過控制電鍍時間來控制鍍層厚度，且所有銅片施鍍厚度相同.

1.4 電鍍試驗

將陰陽極片放入鍍液并用電極夾將其固定在鍍槽壁上.用恒溫磁力攪拌器控制鍍液溫度；用TH－WY1直流數(shù)顯穩(wěn)壓電源控制電流；用秒表控制電鍍時間.

電鍍結(jié)束后分別用熱水和冷水清洗鍍層，并用無水乙醇干燥.重復(fù)試驗3次.根據(jù)正交試驗表依次試驗，每個正交試驗至少做出3片具有平行性的鍍片.電鍍試驗條件如表3所示.

表3 電鍍試驗條件

1.5 鍍層的表征

1.5.1 結(jié)構(gòu)和形貌表征

用XJP－300金相顯微鏡對鍍層的微觀結(jié)構(gòu)和形貌進行觀察和分析.

1.5.2 電化學(xué)性能表征

電化學(xué)交流阻抗技術(shù)是研究電化學(xué)界面和電極反應(yīng)的一種重要手段［14］.采用電化學(xué)交流阻抗技術(shù)（EIS）得到鍍層的電荷轉(zhuǎn)移電阻進而衡量鍍層的抗腐蝕性能.通過對鍍片進行Tafel曲線測試得到鍍層的自腐蝕電位，并將其作為衡量鍍片的抗腐蝕性能的依據(jù).

2 結(jié)果與討論

2.1 鍍片的結(jié)構(gòu)表征

圖1 正交試驗1－9的鎳鍍層的金相照片（400×）（每個正交試驗的具體條件見表2）

采用蘇州南光電子科技有限公司生產(chǎn)的XJP－300金相顯微鏡觀測鍍層的微觀結(jié)構(gòu)和表觀形貌，結(jié)果如圖1所示.根據(jù)鍍片的直觀視覺效果，并綜合金相顯微照片可以看出，在不同條件下得到的珍珠鎳鍍層表觀和珠光效果有顯著的區(qū)別.當(dāng)pH值較小時，鍍層表面有針孔，這可能是由大量氫氣泡在鍍層表面停留造成的，故可通過適當(dāng)提高鍍液pH值來解決；當(dāng)電流密度過高時，鍍層珍珠效果不明顯，鍍層較亮；此外，隨著試驗的進行，添加劑也會不斷減少，從而影響鍍層的珍珠效果，故應(yīng)對鍍液進行分析并及時補充添加劑；當(dāng)鍍液溫度過高時，鍍層的珠光效果不均勻.另外，基體表面本身光潔度不一致對珠光外觀有較大影響.

2.2 鍍片的電化學(xué)性能表征及正交試驗數(shù)據(jù)的處理

用正交試驗得到的鍍片作為研究電極，鉑片作為對電極，飽和甘汞電極（SCE）作為參比電極；采用上海辰華儀器公司生產(chǎn)的CHI660C型電化學(xué)工作站測試鍍層在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的氯化鈉溶液中的交流阻抗圖譜，以衡量鍍片的抗腐蝕性能.測試過程中控制鍍層的測試面積均相同.

對正交試驗數(shù)據(jù)進行處理，以鍍片的電荷轉(zhuǎn)移電阻作為正交試驗的目標(biāo)，結(jié)果列于表4.通過對正交試驗結(jié)果進行極差分析，得到試驗中最顯著的影響因素及試驗范圍內(nèi)的優(yōu)水平和優(yōu)組合.

通過對交流阻抗的測試及對正交試驗結(jié)果的極差分析得出：在試驗中，鍍液pH值對鍍層的電荷轉(zhuǎn)移電阻影響最大.以電荷轉(zhuǎn)移電阻作為優(yōu)化目標(biāo)得到珍珠鍍鎳的最佳工藝是：溫度55℃，鍍液pH值4.5，電流密度5.5A／dm2.

圖2 正交試驗1－9的交流阻抗圖譜（每個正交實驗的具體條件見表2）

表4 L9（34）正交表及珍珠鍍鎳工藝參數(shù)的試驗結(jié)果

2.3 3種鍍鎳的金相顯微照片比較

采用蘇州南光電子科技有限公司生產(chǎn)的XJP－300金相顯微鏡對單層珍珠鍍鎳、單層光亮鍍鎳和雙層珍珠鍍鎳進行比較觀察，如圖3所示.

圖3 3種鎳鍍層的金相顯微照片（400×）

從金相照片可以明顯看出，單層珍珠鎳和雙層鎳（光亮鎳＋珍珠鎳）的表面都是由圓形的小凹坑組成，只是小凹坑的疏密程度和大小略有不同，單層珍珠鎳的小凹坑比較大，而雙層鎳的小凹坑小且密.直觀的視覺效果也表明，與單層珍珠鎳相比，雙層鎳的均勻度明顯改善.綜上可知，光亮鎳的表面非常平整、均勻，在光亮鎳鍍層表面施鍍珍珠鎳鍍層得到的雙層鎳比單層珍珠鎳均勻度明顯改善，且鍍層更加致密.

2.4 3種鍍鎳的電化學(xué)性能比較

采用上海辰華儀器公司生產(chǎn)的CHI660C型電化學(xué)工作站在三電極系統(tǒng)中進行交流阻抗測試.質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的氯化鈉溶液為電解質(zhì)溶液；輔助電極為鉑金片；參比電極為飽和甘汞電極（SCE）.單層珍珠鍍鎳、單層光亮鍍鎳和雙層珍珠鍍鎳的交流阻抗圖譜比較如圖4所示.從圖4可以看出，單層珍珠鍍鎳的電荷轉(zhuǎn)移電阻大于雙層鎳，而雙層鎳的電荷轉(zhuǎn)移電阻大于光亮鎳，說明單層珍珠鎳的耐腐蝕性優(yōu)于雙層鎳，雙層鎳的耐腐蝕性又優(yōu)于光亮鎳.雙層鍍時珠光外觀得到顯著改善，但是鍍層的抗腐蝕性能有所下降.

圖4 單層珍珠鍍鎳、單層光亮鍍鎳和雙層珍珠鍍鎳的交流阻抗圖譜

采用上海辰華儀器公司生產(chǎn)的CHI660C型電化學(xué)工作站在三電極系統(tǒng)中進行Tafe曲線測試.電極體系和交流阻抗測試相同.單層珍珠鎳、單層光亮鎳和雙層鎳的Tafe曲線比較如圖5所示.從單層珍珠鍍鎳、單層光亮鍍鎳和雙層鎳（光亮鎳＋珍珠鎳）的Tafel曲線比較可以看出，單層珍珠鍍鎳的自腐蝕電位高于雙層鎳，而雙層鎳（光亮鎳＋珍珠鎳）的自腐蝕電位高于單層光亮鍍鎳，即沒有施加光亮鍍的單層珍珠鎳的耐腐蝕性最優(yōu).雙層鎳（光亮鎳＋珍珠鎳）的自腐蝕電位居中，其抗腐蝕性能也居中.單層光亮鍍鎳的自腐蝕電位最低，其抗腐蝕性能最差.Tafel曲線測試結(jié)果與交流阻抗所得結(jié)果相一致.

圖5 單層珍珠鍍鎳、單層光亮鍍鎳和雙層珍珠鍍鎳的Tafel圖

3 結(jié) 語

選擇溫度、鍍液pH和電流密度作為考察因素，控制相同的鍍層厚度，對單層珍珠鍍鎳工藝進行三因素三水平的正交試驗條件優(yōu)化.對鍍層的微觀形貌和電化學(xué)抗腐蝕性能表征結(jié)果進行分析.結(jié)果表明：在試驗范圍內(nèi)，鍍液pH值對鍍片電荷轉(zhuǎn)移電阻的影響最大；鍍液溫度影響居中；電流密度影響最小.以交流阻抗圖譜得到的電荷轉(zhuǎn)移電阻作為正交試驗的目標(biāo)，得到抗腐蝕性能的優(yōu)組合為鍍液溫度55℃，鍍液pH 4.5，電流密度5.5A／dm2.

對單層珍珠鍍鎳、單層光亮鎳和雙層珍珠鍍鎳（光亮鎳＋珍珠鎳）進行對比試驗.金相顯微觀測的結(jié)果表明，在光亮鎳鍍層表面施鍍珍珠鎳鍍層得到的雙層鎳比單層珍珠鎳均勻度明顯改善，且鍍層更加致密.雙層鎳和單層珍珠鎳、單層光亮鎳的耐腐蝕性對比研究表明，單層珍珠鎳的耐腐蝕性優(yōu)于雙層鎳（光亮鎳＋珍珠鎳），雙層鎳（光亮鎳＋珍珠鎳）的耐腐蝕性又優(yōu)于光亮鎳.雙層鎳鍍層的珠光均勻性顯著增加，但是抗腐蝕性能有所下降.

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