化學(xué)鍍鎳溶液中Al3+、Ti4+和Cr3+雜質(zhì)對(duì)鍍層性能的影響

周佑明， 王春霞， 曹經(jīng)倩

(1.金柯有色金屬有限公司，江蘇 昆山215301;2.南昌航空大學(xué)材料學(xué)院，江西 南昌330036;)

引 言

化學(xué)鍍鎳層具有良好的耐蝕性和耐磨性，廣泛應(yīng)用于石油化工、機(jī)械模具、電子和航空航天工業(yè)等［1］。目前，化學(xué)鍍鎳是一種非常成熟的工藝，但在生產(chǎn)過(guò)程中由于管理不善或原材料純度不高，鍍液雜質(zhì)不斷積累，往往使鍍層的外觀、結(jié)合力和耐蝕性下降，影響鍍層質(zhì)量?；诖?，電鍍工作者研究了Cu2+、Fe2+和Zn2+雜質(zhì)對(duì)鍍層的影響，給工藝管理提供了技術(shù)支持［2-4］，但對(duì)于Al3+、Ti4+和 Cr3+雜質(zhì)未作深入研究，而這些雜質(zhì)往往來(lái)源于化學(xué)鍍鎳的主鹽硫酸鎳，其對(duì)鍍層的影響不可忽視。

本文分別研究了化學(xué)鍍鎳液中含有Al3+、Ti4+和Cr3+三種雜質(zhì)時(shí)，對(duì)化學(xué)鍍鎳層的微觀形貌、結(jié)合力及耐蝕性的影響，這對(duì)電鍍企業(yè)生產(chǎn)，原料的選擇具有指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 基材與工藝

實(shí)驗(yàn)基材A3鐵，規(guī)格為50mm×100mm×1mm。

化學(xué)鍍鎳工藝流程:打磨試件→除油→水洗→活化→水洗→化學(xué)鍍鎳→水洗→吹干。

依次用180～800號(hào)砂紙對(duì)基材表面進(jìn)行打磨拋光;采用市售Fec-5602堿性除油劑，除油液組成及操作條件為40～60g/L Fec-5602，θ為40～70℃，t為2 ～10min;活化溶液V(H2O)∶V(H2SO4)=10∶1，室溫，t為 30s?；瘜W(xué)鍍鎳溶液 60mL/L A劑，150mL/L B 劑，pH 為4.4 ～4.8，t為85 ～89℃，t為1h。鍍液溫度通過(guò)恒溫水浴鍋控制。A劑450g/L NiSO4·7H2O、25g/L乳酸(88%);B劑60g/L氫氧化鈉、260g/L絡(luò)合劑B、180g/L次磷酸鈉和14mg/L穩(wěn)定劑。

1.2 基礎(chǔ)鍍液與雜質(zhì)溶液的分析

利用725-ES型號(hào)的ICP-AES(美國(guó)Varian公司)分析基礎(chǔ)化學(xué)鍍鎳液中三種雜質(zhì)的含量，見(jiàn)表1。選擇Al2(SO4)3、Cr2(SO4)3和 Ti(SO4)2作為雜質(zhì)分別配制成溶液，利用ICP-AES進(jìn)行準(zhǔn)確分析，結(jié)果見(jiàn)表2。在基準(zhǔn)溶液中添加一種雜質(zhì)元素，使得鍍液所含雜質(zhì)為所需濃度，且在相同工藝條件下進(jìn)行各項(xiàng)性能測(cè)試。

表1 基礎(chǔ)鍍液中雜質(zhì)離子質(zhì)量濃度

表2 雜質(zhì)溶液的質(zhì)量濃度

1.3 性能檢測(cè)

1)利用Quanta2000型掃描顯微鏡觀察化學(xué)鍍鎳層的表面形貌;

2)利用MFT-4000多功能材料表面性能試驗(yàn)機(jī)(中科院蘭州化學(xué)物理研究所)檢測(cè)鍍層的結(jié)合力，加載速度40N/m，劃痕長(zhǎng)度5mm，采用該試驗(yàn)機(jī)的雙重模式進(jìn)行測(cè)量綜合考慮摩擦力和聲信號(hào)曲線情況，取其曲線上有突變處所對(duì)應(yīng)的載荷(臨界載荷)作為測(cè)量值。每個(gè)鍍鎳層試樣測(cè)量3次，取平均值作為最終的測(cè)量值;

3)采用標(biāo)準(zhǔn)ASTM B117-03進(jìn)行中性鹽霧試驗(yàn)，評(píng)價(jià)鍍層的耐蝕性。

2 結(jié)果與討論

2.1 鍍層的表面形貌

基礎(chǔ)化學(xué)鍍鎳液分別引入Al3+、Cr3+和Ti4+雜質(zhì)，施鍍1h，鍍鎳層δ為14～15μm，所得鍍層外觀形貌(SEM)見(jiàn)圖1。

圖1 鍍層表面SEM照片

由圖1可以看出，基礎(chǔ)鍍液所獲取鍍鎳層表面胞狀物細(xì)小，分布均勻見(jiàn)圖1(a);Al3+雜質(zhì)的引入，鍍層表面胞狀物稍有減少，但體積稍有增大見(jiàn)圖1(b)，肉眼觀察，鍍層光澤性較基礎(chǔ)鍍液無(wú)明顯區(qū)別;Cr3+雜質(zhì)的引入，使鍍層表面胞狀物堆積嚴(yán)重，體積明顯增大，嚴(yán)重影響鍍層的光亮度見(jiàn)圖1(c)，肉眼觀察，鍍層光澤性明顯變差;Ti4+雜質(zhì)的引入，使鍍層表面胞狀物堆積度下降，數(shù)量明顯減少，表面平整見(jiàn)圖1(d)，肉眼觀察鍍層明顯較基礎(chǔ)鍍液光亮。

2.2 鍍層的結(jié)合力

圖2為化學(xué)鍍鎳液分別含三種雜所得鍍層的結(jié)合力，鍍層δ為14～15μm。

圖2 雜質(zhì)對(duì)化學(xué)鍍鎳層結(jié)合力的影響

從圖2中可以看出，隨著Al3+質(zhì)量濃度的增加，化學(xué)鍍鎳鍍層的結(jié)合力降低如圖2曲線a，有少量試樣彎折試驗(yàn)出現(xiàn)微脫皮現(xiàn)象;Cr3+質(zhì)量濃度從2mg/L增至 10mg/L，鍍層結(jié)合力大幅度下降，10mg/L到100mg/L變化較小見(jiàn)圖2曲線b，有少量試樣彎折試驗(yàn)出現(xiàn)脫皮現(xiàn)象;隨著Ti4+質(zhì)量濃度的增加，化學(xué)鍍鎳鍍層結(jié)合力有大幅度降低如圖2曲線c，彎折試驗(yàn)大部分試樣出現(xiàn)微脫皮和脫皮現(xiàn)象。三種雜質(zhì)的引入，均使鍍層的結(jié)合力下降。

2.3 鍍層的耐蝕性

基礎(chǔ)化學(xué)鍍鎳液分別引入Al3+、Cr3+和Ti4+雜質(zhì)，施鍍 1h，鍍鎳層 δ為 14～15μm，按照 ASTM B117-03標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行中性鹽霧試驗(yàn)8h，鍍層外觀見(jiàn)圖3、圖4和圖5。

圖3 Al3+對(duì)鍍層鹽霧試驗(yàn)的影響

圖4 Cr3+對(duì)鍍層鹽霧試驗(yàn)的影響

圖5 Ti4+對(duì)鍍層鹽霧試驗(yàn)的影響

從圖3、圖4和圖5可以看出，高質(zhì)量濃度的Al3+、Cr3+和Ti4+三種雜質(zhì)均使化學(xué)鍍鎳層的耐蝕性降低，但Al3+對(duì)鍍層耐蝕性的影響較其它兩種雜質(zhì)要小，Ti4+對(duì)鍍層的耐蝕性影響最嚴(yán)重，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)高質(zhì)量濃度的Ti4+(100mg/L)雜質(zhì)還使化學(xué)鍍鎳液穩(wěn)定性下降，易發(fā)生自發(fā)分解現(xiàn)象。

2.4 討 論

從上述結(jié)果可以看出，化學(xué)鍍鎳溶液中三種雜質(zhì)均對(duì)化學(xué)鍍鎳層性能有一定的影響。鍍液中100mg/L以下的Al3+雜質(zhì)雖然對(duì)鍍層外觀形貌、耐蝕性影響較小，但降低了鍍層的結(jié)合力;鍍液中100mg/L以下的Cr3+雜質(zhì)使得鍍層外觀變暗，結(jié)合力下降，耐蝕性下降;Ti4+雖然可以增強(qiáng)鍍層的光亮性，但鍍層的結(jié)合力明顯降低，總之，三種雜質(zhì)共同特性，均使鍍層的結(jié)合力和耐蝕性下降。為此，在生產(chǎn)中必須嚴(yán)格控制鍍液中雜質(zhì)含量，是確保鍍層結(jié)合力和耐蝕性的首要條件。硫酸鎳作為化學(xué)鍍鎳的主鹽，在化學(xué)鍍鎳濃縮液中高達(dá)460g/L，生產(chǎn)中化學(xué)鍍鎳液一般使用8～10周期，并且隨鎳鹽不斷消耗，硫酸鎳不斷補(bǔ)加，若其雜質(zhì)含量較高，則雜質(zhì)積累較快，對(duì)化學(xué)鍍鎳后周期鍍層結(jié)合力影響很大，所以硫酸鎳的純度是生產(chǎn)用戶必須重視的環(huán)節(jié)。

3 結(jié)論

1)Al3+雜質(zhì)對(duì)鍍層的外觀影響較小，高質(zhì)量濃度的Al3+(100mg/L)使鍍層結(jié)合力和耐蝕性降低。

2)Cr3+雜質(zhì)使鍍層的外觀變差，高質(zhì)量濃度的Cr3+(100mg/L)使鍍層結(jié)合力和耐蝕性降低。

3)Ti4+雖有利于增強(qiáng)鍍層的光亮性，但使鍍層的結(jié)合力和耐蝕性降低，當(dāng)其質(zhì)量濃度達(dá)10mg/L時(shí)，鍍液易發(fā)生分解。

［1］ Keene R H.Application and control of electroless nickel process at northwest airline［J］.Plating and Surface Finishing，1998，75(12):22-25.

［2］ 張?jiān)收\(chéng)，胡如南，向榮.電鍍手冊(cè)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2007:215-216.

［3］ 李國(guó)斌，彭榮華，唐冬秀，等.光亮鍍鎳液中雜質(zhì)對(duì)鍍層性能的影響與去除［J］.材料保護(hù)，2002，35(8):57.

［4］ 謝廣文，石玉龍，彭紅瑞，等.化學(xué)鍍鎳磷合金鍍液中雜質(zhì)顆粒對(duì)鍍層耐蝕性的影響［J］.電鍍與涂飾，2006，19(3):9-10.

［5］ 張景雙，石金聲，石磊，等.電鍍?nèi)芤号c鍍層性能測(cè)試［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003:71-132.