低溫化學(xué)鍍鎳磷合金工藝

黃琳*，徐想娥，汪萬強(qiáng)

（湖北文理學(xué)院化工系，湖北 襄陽 441053）

化學(xué)鍍鎳是鎳鹽溶液在強(qiáng)還原劑次磷酸鈉作用下 使鎳離子還原成金屬鎳，同時(shí)次磷酸鹽分解析出磷，從而在具有催化表面的鍍件上獲得Ni-P 合金鍍層。因其鍍層表面硬度高，耐磨性能好，硬化層厚度均勻，處理部件不受形狀限制，具有優(yōu)良的抗腐蝕性能，鍍層與機(jī)體結(jié)合力高且不易剝落，表面光亮等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、塑料、模具、冶金、石油化工、陶瓷、水力、航空航天等工業(yè)部門，是很有發(fā)展前途的鍍覆技術(shù)之一。

化學(xué)鍍鎳過程發(fā)生的是氧化還原反應(yīng)，這些反應(yīng)都發(fā)生在催化活性表面，需要外界提供能量，即化學(xué)鍍鎳工藝普遍在較高的溫度(60～95 °C)下進(jìn)行，雖然沉積速率快、耐蝕性好，但高溫對鍍槽及加熱設(shè)備要求較高，能量消耗大，鍍液的穩(wěn)定性能差，操作維護(hù)不方便，鍍層內(nèi)應(yīng)力大。因此，降低化學(xué)鍍鎳磷溫度的研究越來越受重視[1-2]。基于前期的探索實(shí)驗(yàn)，本文通過改變配位劑、添加劑及降低操作溫度等工藝手段來提高沉積速率及鍍層質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了低溫化學(xué)鍍鎳磷合金。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

采用50 mm × 25 mm × 2 mm 的A3 鋼片為基體。所用試劑除NiSO4·6H2O、NaH2PO2·H2O 為市售工業(yè)級試劑，其余均為化學(xué)純。

1.2 工藝流程

砂紙逐級打磨鋼片至光亮─無水乙醇除油─堿性化學(xué)除油─水洗─10%(體積分?jǐn)?shù))鹽酸除去氧化膜─水洗─干燥─稱重─掛片施鍍─沖洗─干燥─稱重─性能測試。

其中，堿性除油組成為：Na2CO335～45 g/L，Na3PO4·12H2O 15～30 g/L，NaOH 7.5～15.0 g/L，Na2SiO3·9H2O 7.5 g/L。

1.3 鍍液組成與工藝

鍍液基礎(chǔ)組成與工藝由前期試驗(yàn)得到，具體為：NiSO4·6H2O 30 g/L，NaH2PO2·H2O 30 g/L，pH 8.5～9.5，溫度30～50 °C，時(shí)間2 h。

1.4 鍍層性能測試

1.4.1 沉積速率

采用增重法計(jì)算鍍層的沉積速率，計(jì)算公式為：

式中：v為鍍速(μm/h)，Δm為基體施鍍前后的質(zhì)量差(g)，ρ為鍍層的密度(取7.8 g/cm3)，A為試片的表面積(cm2)，t為施鍍時(shí)間(h)。試片的質(zhì)量用TG328 型電光分析天平(山東中煤)稱量。

1.4.2 結(jié)合強(qiáng)度

按照GB/T 5933-1986《輕工產(chǎn)品金屬鍍層的結(jié)合強(qiáng)度測試方法》，采用熱震法定性檢測鍍層的結(jié)合強(qiáng)度。將施鍍后的合金試樣在200 °C 下烘烤2 h，取出迅速冷卻，觀察Ni-P 鍍層是否有局部剝離、起泡、起皮等不良現(xiàn)象。

1.4.3 耐蝕性

將施鍍后的試樣先后用丙酮擦洗、水沖洗。干燥后，在室溫下沿長度方向?qū)⑵湟话虢霛庀跛嶂校话肫芈队诳諝庵小? h 后取出，觀察表面狀況，記錄試樣表面出現(xiàn)第一個(gè)變色點(diǎn)的時(shí)間[3]。

1.4.4 孔隙率

根據(jù)GB/T 5935-1986《輕工產(chǎn)品金屬鍍層的孔隙率測試方法》，用貼濾紙法檢測。

2 結(jié)果與討論

2.1 工藝條件的優(yōu)化

本實(shí)驗(yàn)采用檸檬酸鈉、植酸作為復(fù)合配位劑，氟化鈉為添加劑。為提高沉積速率及改善鍍層性能，采用正交試驗(yàn)和單因素試驗(yàn)對化學(xué)鍍工藝進(jìn)行優(yōu)化。

2.1.1 配位劑、添加劑等對鍍速的影響

以鍍速為性能指標(biāo)，按L9(34)正交表對配位劑、添加劑和溫度等進(jìn)行正交試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果和極差分析見表1。從表1極差分析可知，各因素對鍍速的影響順序?yàn)椋害?檸檬酸鈉)＞ρ(植酸)＞ 溫度 ＞ρ(NaF)。按均值分析可知，最優(yōu)工藝組合為A2B3C3D2，即：檸檬酸鈉10 g/L，植酸18 g/L，溫度50 °C，NaF 6 g/L。按此最佳組合進(jìn)行化學(xué)鍍，測得其鍍速為15.62 μm/h。

2.1.2 pH 對沉積速率的影響

采用上述確定的鍍液配方，控制溫度為50 °C，用氨水調(diào)節(jié)鍍液pH，考察pH 對沉積速率的影響，結(jié)果見圖1。在圖1的pH 范圍內(nèi)，觀察鋼片上鍍得的光亮Ni-P 層，鍍層平整、均勻。從圖1可知，當(dāng)pH=9.0時(shí)鍍層鍍速最大，為15.82 μm/h。

表1 正交試驗(yàn)結(jié)果分析Table 1 Analysis of orthogonal test results

圖1 pH 對鍍速的影響Figure 1 Effect of pH on deposition rate

2.1.3 巰基乙酸

在上述優(yōu)化的工藝基礎(chǔ)上，添加少量的巰基乙酸，與NaF 形成復(fù)合添加劑，可加快鍍液的沉積速率。巰基乙酸含量對鍍速的具體影響見圖2。

圖2 巰基乙酸的質(zhì)量濃度對鍍速的影響Figure 2 Effect of mass concentration of thioglycolic acid on deposition rate

由圖2知，隨化學(xué)鍍液中巰基乙酸的質(zhì)量濃度增大，鍍速迅速增大。巰基乙酸的質(zhì)量濃度大于0.6 g/L時(shí)，鍍速增大的趨勢變緩。因此，巰基乙酸的較佳添加量為0.6 g/L。

綜上可知，低溫化學(xué)鍍鎳磷合金最佳工藝為：NiSO4·6H2O 30 g/L，NaH2PO2·H2O 30 g/L，檸檬酸鈉10 g/L，植酸18 g/L，NaF 6 g/L，巰基乙酸0.6 g/L，溫度50 °C，pH 9.0，時(shí)間2 h，適量的氨水作為緩沖液。

3 鍍層性能

采用最佳工藝對A3 鋼進(jìn)行化學(xué)鍍Ni-P 合金，其性能表征結(jié)果如下。

3.1 外觀

觀察所得Ni-P 合金鍍層可知，鍍層光亮度較好，表面均勻，沒有針孔、麻點(diǎn)或斑點(diǎn)、起皮、脫落、分層等缺陷。

3.2 結(jié)合強(qiáng)度

對鍍層進(jìn)行熱震試驗(yàn)后，用放大鏡觀察鍍層，發(fā)現(xiàn)鍍層無鼓泡、起皮或脫落等現(xiàn)象，說明鍍層結(jié)合力合格。

3.3 耐蝕性

將試樣用濃硝酸浸泡1 h 后，鍍層表面不變色，仍有光澤，表明該鍍層具有良好的耐蝕性。3.4 孔隙率

鍍層的孔隙率反映了鍍層表面的致密程度，孔隙率直接影響防護(hù)鍍層的防護(hù)能力，孔隙率低說明鍍層較厚，致密性好。根據(jù)GB/T 5935-1986，測得化學(xué)鍍鎳磷合金試片的孔隙率約為2 個(gè)/cm2，說明鍍層致密性良好[3]。

4 結(jié)論

低溫化學(xué)鍍 Ni-P 合金的最優(yōu)工藝條件為：NiSO4·6H2O 30 g/L，NaH2PO2·H2O 30 g/L，檸檬酸鈉10 g/L，植酸18 g/L，NaF 6 g/L，巰基乙酸0.6 g/L，溫度50 °C，pH 9.0，時(shí)間2 h，緩沖劑氨水適量。在此條件下得到的鍍層外觀良好，孔隙率低，結(jié)合力強(qiáng)，耐蝕性好。

[1]黃岳山,蒙繼龍,李異.低溫化學(xué)鍍鎳工藝的研究[J].電鍍與環(huán)保,1998,18 (2):18-20.

[2]朱焱,孔小雁,黃錦濤.Q235 鋼上中溫化學(xué)鍍鎳磷合金工藝[J].電鍍與涂飾,2011,30 (5):21-24.

[3]姜曉霞,沈偉.化學(xué)鍍理論及實(shí)踐[M].北京:國防工業(yè)出版社,2000:216-217.