添加劑對(duì)負(fù)壓－溫度梯度鍍鎳層結(jié)構(gòu)與性能的影響

盧曉霞， 李英杰， 呂珍斌

（1.蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械系，安徽 蕪湖 241006；2.河南理工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，河南 焦作 454000）

添加劑對(duì)負(fù)壓－溫度梯度鍍鎳層結(jié)構(gòu)與性能的影響

盧曉霞1， 李英杰2， 呂珍斌2

（1.蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械系，安徽 蕪湖 241006；2.河南理工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，河南 焦作 454000）

研究了十二烷基硫酸鈉對(duì)負(fù)壓-溫度梯度鍍鎳層結(jié)構(gòu)與性能的影響。結(jié)果表明：向鍍液中加入適量的十二烷基硫酸鈉后，所得鍍層的平均晶粒尺寸由7μm減小至5μm，組織結(jié)構(gòu)更加致密；顯微硬度明顯提高且不受陰極電流密度的影響；在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的HCl溶液和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的H2SO4溶液中的腐蝕率分別降低了7.7%和5.7%。

添加劑；結(jié)構(gòu)；顯微硬度；耐蝕性

0 前言

添加劑是鍍液中具有特殊作用的成分，對(duì)鍍層的形貌質(zhì)量及物化性能影響顯著。但由于添加劑的種類繁多，加之電鍍工藝條件存在不同程度的差異，添加劑發(fā)揮的作用不盡相同。伍玉琴等［1］分別研究了聚乙二醇、4-苯基-3-丁烯-2-酮和十六烷基三甲基溴化銨三種添加劑及其組合對(duì)納米晶鍍鋅層結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明：采用三者混合而成的添加劑可制備出光亮、平整、致密的納米晶鍍鋅層；同時(shí)指出鍍層晶粒細(xì)化的原因在于混合添加劑有效地提高了鋅沉積的過(guò)電位，抑制了晶核長(zhǎng)大，加快了成核速率。李云東等［2］研究了稀土元素鈰對(duì)快速電刷鍍鎳層表面質(zhì)量及顯微硬度的影響。結(jié)果表明：適量的稀土添加劑（0.3～0.6g/L）能明顯降低鍍層的孔隙率，改善鍍層的致密性，提高鍍層的表面質(zhì)量和顯微硬度。荊天輔等［3］研究了糖精對(duì)噴射電沉積納米晶鍍鎳層微觀結(jié)構(gòu)和硬度的影響。結(jié)果表明：適量的糖精添加劑可明顯細(xì)化鍍層晶粒，改變鍍層織構(gòu)，顯著增大鍍層的顯微硬度。朱曉東等［4］研究了88系列添加劑對(duì)高速鍍鋅層形貌質(zhì)量、表面粗糙度及耐蝕性的影響。結(jié)果表明：向鍍液中加入適量的添加劑后，獲得的高速鍍鋅層的形貌質(zhì)量、表面平整性和耐蝕性均有所提高。

十二烷基硫酸鈉是鍍鎳工藝中常用的添加劑，并已被證實(shí)是一種有效的防針孔劑，對(duì)減少鍍層針孔缺陷作用明顯［5］。然而有關(guān)其對(duì)鍍鎳層結(jié)構(gòu)與性能影響的研究報(bào)道較少。此外，在負(fù)壓環(huán)境下實(shí)施電鍍工藝，十二烷基硫酸鈉的作用是否會(huì)發(fā)生改變，尚存疑問(wèn)。本文采用負(fù)壓－溫度梯度電沉積工藝制備鍍鎳層，并研究了十二烷基硫酸鈉對(duì)鍍層結(jié)構(gòu)與性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 鍍液組成

Ni（NH2SO3）2·4H2O（濃縮液）450mL/L，NiCl2·6H2O 10g/L，CH3（CH2）11OSO3Na（添加劑）0.05g/L，H3BO340g/L，pH 值4.0。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

陰極（芯模）采用直徑為40mm、厚度為1mm的不銹鋼片，陽(yáng)極為電解鎳板，陰陽(yáng)極面積比約為1∶2。電鍍時(shí)陰陽(yáng)極板水平正對(duì)放置，間距約為25 mm。為便于陰極面上氣泡的排離，減小鍍層針孔、積瘤等缺陷，并借助大量氣泡上浮及爆破引起的擾動(dòng)效應(yīng)改善擴(kuò)散層內(nèi)的傳質(zhì)狀況，在負(fù)壓（5kPa）環(huán)境下實(shí)施電鍍。同時(shí)，為加強(qiáng)陰極面附近液層與上層溶液間的自然對(duì)流，在陰極面（高溫65℃）與上層溶液（低溫35℃）間施加溫度梯度。實(shí)驗(yàn)采用的陰極電流密度為3～9A/dm2。電鍍前，芯模表面依次經(jīng)拋光、除油、弱酸堿浸蝕等處理，以增強(qiáng)鍍層與基體的結(jié)合力。電鍍后，取出芯模，用蒸餾水沖洗數(shù)次，待真空干燥后進(jìn)行相關(guān)測(cè)試和分析。

1.3 性能檢測(cè)

用JSM-6300型掃描電子顯微鏡觀察鍍鎳層的微觀結(jié)構(gòu)及腐蝕后的表面形貌。用HXS-1000Y型顯微硬度儀測(cè)定鍍鎳層的顯微硬度，載荷為0.49 N，加載保持10s，結(jié)果取六個(gè)不同位置點(diǎn)的平均值。采用失重法，以腐蝕率（腐蝕損失質(zhì)量與鍍層腐蝕前質(zhì)量的比值）為指標(biāo)評(píng)價(jià)鍍鎳層的耐蝕性。腐蝕溶液采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的HCl溶液和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的H2SO4溶液，腐蝕時(shí)間為14d。

2 結(jié)果與討論

2.1 添加劑對(duì)鍍層結(jié)構(gòu)的影響

在沉積空間氣壓5kPa，溫度梯度35℃/65℃，陰極電流密度3A/dm2的條件下，研究添加劑對(duì)鍍層微觀結(jié)構(gòu)的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖1所示。由圖1可知：向鍍液中添加適量的十二烷基硫酸鈉后，所得鍍層的平均晶粒尺寸從7μm減小至5μm，且晶粒分布更加均勻、組織結(jié)構(gòu)更加致密。這是由于添加劑吸附于陰極雙電層內(nèi)的活性生長(zhǎng)點(diǎn)上，占據(jù)晶核生長(zhǎng)位置，抑制晶核長(zhǎng)大，加速新晶核形成，從而細(xì)化晶粒，提高了鍍層的致密性［6］。對(duì)上述兩種鍍層的表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果表明：后者的表面粗糙度（0.746μm）較前者的 （0.854μm）降低了12.6%，在宏觀上呈現(xiàn)為鍍層更平整、光澤度更高。

圖1 添加劑對(duì)鍍層微觀結(jié)構(gòu)的影響

2.2 添加劑對(duì)鍍層顯微硬度的影響

在沉積空間氣壓5kPa，溫度梯度35℃/65℃，陰極電流密度3～9A/dm2的條件下，研究添加劑對(duì)鍍層顯微硬度的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖2所示。由圖2可知：當(dāng)陰極電流密度為3A/dm2時(shí)，有添加劑條件下所得鍍層的顯微硬度為3 603MPa，明顯高于無(wú)添加劑條件下所得鍍層的顯微硬度（3 039 MPa）。這表明適量的十二烷基硫酸鈉有利于提高鍍層的顯微硬度。其原因?yàn)椋海?）添加劑能細(xì)化晶粒，使鎳離子還原后在結(jié)晶過(guò)程中的相互作用力增強(qiáng)，晶界密度增大，從而提高了鍍層的致密性；（2）添加劑可能在電鍍過(guò)程中發(fā)生分解，部分分解產(chǎn)物（如S，C）夾雜在鍍層晶格的空隙中，形成金屬結(jié)晶的點(diǎn)或面缺陷，致使鍍層存在夾雜應(yīng)力，顯微硬度提高［7］。在電流密度為3A/dm2的基礎(chǔ)上增大陰極電流密度，可以看出：有添加劑條件下所得鍍層的顯微硬度雖呈現(xiàn)更大的降幅，但仍高于同一陰極電流密度下無(wú)添加劑時(shí)所得鍍層的顯微硬度。由此可知，十二烷基硫酸鈉對(duì)鍍層顯微硬度的影響不受制于陰極電流密度。

圖2 添加劑對(duì)鍍層顯微硬度的影響

2.3 添加劑對(duì)鍍層耐蝕性的影響

在沉積空間氣壓5kPa，溫度梯度35℃/65℃，陰極電流密度3A/dm2的條件下，研究添加劑對(duì)鍍層耐蝕性的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖3所示。兩種鍍層在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10% 的HCl溶液和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的H2SO4溶液中腐蝕后的表面形貌，分別如圖4和圖5所示。由圖3可知：無(wú)添加劑時(shí)，鍍層在HCl溶液和H2SO4溶液中的腐蝕率分別為5.2%和3.5%；加入適量添加劑后，鍍層在HCl溶液和H2SO4溶液中的腐蝕率分別降至4.8%和3.3%，降幅分別為7.7%和5.7%。盡管添加劑的引入可能導(dǎo)致鍍層內(nèi)應(yīng)力較大，加劇應(yīng)力腐蝕，但其可在更大程度上提高陰極過(guò)電位，細(xì)化晶粒，改善鍍層的致密性。綜合而言，向鍍液中加入適量的十二烷基硫酸鈉能提高鍍層的耐蝕性。

圖3 兩種鍍層在不同介質(zhì)中的腐蝕率

3 結(jié)論

圖4 兩種鍍層在HCl溶液中腐蝕后的表面形貌

圖5 兩種鍍層在H2SO4溶液中腐蝕后的表面形貌

（1）在相同操作條件下，向鍍液中加入適量的十二烷基硫酸鈉能明顯細(xì)化鍍層晶粒，改善組織結(jié)構(gòu)，提高鍍層的顯微硬度和耐蝕性。

（2）十二烷基硫酸鈉對(duì)鍍層顯微硬度的影響不受制于陰極電流密度。

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［1］伍玉琴，李謀成，辛森森，等.三種添加劑對(duì)納米晶鋅鍍層電沉積行為及結(jié)構(gòu)的影響［J］.化學(xué)學(xué)報(bào)，2010，68（6）：531-534.

［2］李云東，江輝，李根生，等.稀土添加劑對(duì)快速鎳刷鍍層的影響［J］.中國(guó)表面工程，2002（2）：24-26.

［3］荊天輔，喬桂英，熊毅，等.添加劑對(duì)噴射電沉積納米晶鎳的影響［J］.材料保護(hù)，2001，34（7）：20-21.

［4］朱曉東，李寧，黎德育，等.88系列添加劑對(duì)高速鍍鋅層質(zhì)量的影響［J］.電鍍與環(huán)保，2005，25（5）：6-8.

［5］張?jiān)收\(chéng).電鍍手冊(cè)（上冊(cè)）［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1997：315.

［6］王慶浩.銅鍍層質(zhì)量對(duì)電子雕刻的影響［J］.電鍍與環(huán)保，2009，29（3）：10-14.

［7］李永清.鎳－鐵合金電鍍工藝的故障分析與消除［J］.電鍍與環(huán)保，1985，5（3）：33-35.

Effects of Additive on the Structure and Properties of Nickel Coating Electroplated under Negative Pressure and Temperature Gradient Conditions

LU Xiao-xia1， LⅠ Ying－jie2， LüZhen-bin2
（1.Department of Mechanics，Wuhu Institute of Technology，Wuhu 241006，China；2.School of Mechanical and Power Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，China）

The influence of CH3（CH2）11OSO3Na on the structure and properties of nickel coating prepared under negative pressure and temperature gradient conditions was investigated and analyzed.The results show that the average grain size of the nickel coating，which was electrodeposited in the electroplating bath containing proper amount of CH3（CH2）11OSO3Na，decreases from 7μm to 5μm，and the structure becomes more compact compared with the coating achieved without additive.The microhardness increases evidently and is unaffected by the cathode current density.Moreover，the corrosion rate in 10%HCl solution and 10%H2SO4solution is lowered by 7.7%and 5.7%respectively.

additive；structure；microhardness；corrosion resistance

國(guó)家自然科學(xué)基金（51175152）

TQ 153

A

1000-4742（2013）01-0012-03

2011-12-12