2A12鋁合金化學(xué)鍍鎳前處理工藝研究*

畢　晨，劉定富，曾慶雨

(貴州大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，貴州　貴陽　550025)

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2A12鋁合金化學(xué)鍍鎳前處理工藝研究*

畢晨，劉定富▲，曾慶雨

(貴州大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，貴州貴陽550025)

摘要：針對2A12鋁合金前處理工藝的不足之處，對其進行了改良。2A12鋁合金的前處理工藝流程是：除油→熱水洗→去離子水洗→堿蝕→兩次去離子水洗→化學(xué)拋光→兩次去離子水洗→一次浸鋅→兩次去離子水洗→去鋅→兩次去離子水洗→二次浸鋅→兩次去離子水洗→預(yù)鍍鎳→去離子水洗→熱水洗→鍍鎳。結(jié)果表明：采用改進的前處理工藝，在最佳施鍍條件下鍍1 h鍍層達到12.14 μm，結(jié)晶均勻、細(xì)致，表面平整，光澤度達225 Gs。鍍層為Ni-P微晶，磷含量達到11.07 %。可耐96 h鹽霧實驗，表面鍍層可對2A12鋁合金起到良好的防護作用。

關(guān)鍵詞：2A12鋁合金，前處理，化學(xué)鍍

鋁合金是 Al 元素與其他元素 (如 Cu，Sn，Mn，Si，Mg)中的一種或幾種組合而成的合金。鋁合金強度比較高，接近或超過優(yōu)質(zhì)鋼，可塑性好，可加工成各種型材，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和抗蝕性，工業(yè)上應(yīng)用廣泛，用量僅次于鋼。2A12鋁合金板為一種高強度硬鋁，可進行熱處理強化，點焊焊接性良好等特點，而成為一種通用的結(jié)構(gòu)材料。目前化學(xué)鍍鎳在鋁合金中應(yīng)用廣泛[2-3]。在鋁合金上應(yīng)用化學(xué)鍍鎳的方法進行表面改性是十分有效的技術(shù)之一。表面處理領(lǐng)域，鋁及鋁合金的化學(xué)鍍工藝還處于探索階段，長久以來無實質(zhì)性的突破，至今沒有形成完善、成熟的工藝[4]。然而，由于鋁有較高的活潑性，與氧有很強的親和力，在鋁合金表面極易生成Al2O3，這種氧化膜與鍍層的夾雜會造成結(jié)合力下降[5-6]。所以鋁合金是一種難鍍的金屬基體。所以前處理顯得尤為重要，鑒于此，很多研究人員從工藝、前處理等途徑對鋁合金表面的化學(xué)鍍鎳前處理進行大量試驗研究[7-8]。目前來看，國內(nèi)外主要有三種方法來實施鋁合金表面化學(xué)鍍鎳前處理工藝：1) 浸鋅—預(yù)鍍法；2) 鎳預(yù)鍍；3) 其它的特殊預(yù)處理。

本文在前期對化學(xué)鍍鎳鍍液研究的基礎(chǔ)上[9-12]，對前處理工藝進行改進，并結(jié)合掃描電鏡，能譜等儀器的分析，改進工藝條件，獲得一種使后續(xù)化學(xué)鍍Ni-P鍍速高、鍍層結(jié)合強度好且耐蝕性優(yōu)良的前處理工藝。

1實驗

1.1材料

本實驗所采用的基體材料為2A12鋁合金，其化學(xué)組成為：Cu 3.8 %～4.9 %，Mg 1.2 %～1.8 %，Mn 0.3 %～0.9 %，Si≤0.5 %，Zn≤0.3 %，Ti≤0.15 %，Ni≤0.1 %，F(xiàn)e 0 %～0.5 %，鋁余量。試樣尺寸為20 mm × 10 mm × 2 mm。

1.2工藝流程

除油→熱水洗→去離子水洗→堿蝕→兩次去離子水洗→化學(xué)拋光(3∶7硝酸)→兩次去離子水洗→一次浸鋅→兩次去離子水洗→去鋅(1∶1硝酸)→兩次去離子水洗→二次浸鋅→兩次去離子水洗→預(yù)鍍鎳→去離子水洗→熱水洗→鍍鎳→去離子水洗→烘干→去氫→鈍化。

1.2.1除油

Na2SiO335 g / L

Na3PO420 g / L

OP-102 g / L

溫度50 ℃

時間5 min

1.2.2堿蝕

NaOH10 g / L

Na2CO330 g / L

Na3PO410 g / L

溫度50 ℃

時間10 s

1.2.3浸鋅

NaOH60 g / L

NaNO31 g / L

KNaC4H4O680 g / L

ZnO6 g / L

FeCl32 g / L

溫度25 ℃

時間30 s

1.2.4預(yù)鍍鎳

Na4P2O7·10H2O20 g / L

NiSO4·6H2O25 g / L

NaH2PO225 g / L

溫度30 ℃

時間5 min

1.2.5鍍鎳

C6H8O7·H2O21.5 g / L

NiSO4·6H2O26 g / L

NaH2PO230 g / L

CH3COONa·3H2O6 g / L

88 %(體積分?jǐn)?shù))乳酸5 ml / L

OP-105 mg / L

溫度88 ℃

PH5

時間1 h

1.3沉積速率

采用單位時間內(nèi)鍍層的增重量來測定鍍速。通過稱量鍍件鍍前和鍍后的質(zhì)量，用公式(1)即可得到鍍速。

(1)

式中：v為鍍速，μ m / h；m1：基體鍍前質(zhì)量，g；m2：基體鍍后質(zhì)量，g；ρ為鍍層密度，g / cm3。本實驗中ρ=7.8 g / cm3；S為鍍件表面積。

1.4鍍層性能評價

1.4.1外觀和光澤度

目視鍍層表面的色澤和粗糙度，將鍍層外觀分為光亮、半光亮、不光亮和粗糙4個等級。采用上海圖新電子科技公司MN-60型光澤度儀，在60°的折射角下測定鍍層光澤度。

1.4.2油污殘余量確定

采用德國sita公司表面清潔度儀(SITA CleanoSpector)，可以準(zhǔn)確的測定基體表面油污殘余量。

1.4.3抗變色性

將化學(xué)鍍鎳試樣室溫下浸在用水稀釋的 1∶1 的硝酸溶液中，如果在 20 s 內(nèi)形成黑膜，鍍層就被認(rèn)為是不耐色變的。

1.4.4結(jié)合力

將鍍鎳試樣置于烘箱中200 ℃恒溫1 h，取出后立即放入冷水中，觀察鍍層有無起皮、鼓泡等類似現(xiàn)象。

1.4.5耐蝕性測定

實驗室測定鍍層耐蝕性的方法有鹽霧試驗法。本實驗根據(jù)國標(biāo)GB6845，使用F / YW—90A 型鹽霧試驗機，通過觀察基體表面開始腐蝕的時間測定鍍層耐蝕性。主要操作方法是：

1)控制鹽霧箱溫度35±2 ℃、鹽溶液濃度3.5 %、pH=6.5～7.2。

2)調(diào)節(jié)鹽霧箱噴霧時間間隔，間隔5 min，噴霧5 h，使鹽霧沉降量在0.5～3.0 ml / 80 cm2h。

3)將鍍片懸掛在V型檔桿上，與豎直方向夾角為30°左右。

4)啟動噴霧按鈕，觀察鍍片表面變化，記錄鍍片放入鹽霧箱到開始腐蝕時的時間。

1.4.6形貌和含量

采用日立 Hitachi SU-1500 掃描電鏡(SEM)觀察鍍層的表面形貌，用與其配套的能譜儀(EDS)測定鍍層磷含量。

2結(jié)果與討論

2.1工藝條件對除油的影響

把零件置于不同溫度和不同時間下，油污的殘留量的結(jié)果如圖1，圖2所示。

從圖1中可以看出，在40 ℃前除油效果不太理想，在40～50 ℃時除油效果最好，超過50 ℃除油效果增加不大。

從圖2中可以看出除油時間在4 min前不明顯，5～8 min除油效果最好，超過8 min除油效果增加不大。據(jù)報道，平均有85 %～95 %的油污是在整個清洗時間前一半內(nèi)清除的，而余下的5 %～15 %是在后一半時間清除的[13]，延長脫脂時間可以提高除油效果，但除油時間過長，堿性介質(zhì)會對鋁合金工件表面腐蝕，所以最終確定除油時間為5 min，溫度為50 ℃。

圖1　溫度對殘余油量的影響

圖2　時間對殘余油量的影響

2.2工藝條件對堿蝕的影響

鋁合金表面一般都有自然的氧化膜，故需堿蝕除去表面氧化膜，暴露基體，但鋁與堿性介質(zhì)反應(yīng)控制不當(dāng)，容易使機體過度腐蝕，鋁合金表面氧化膜主要成分為Al2O3，堿蝕時其主要反應(yīng)機理如下：

Al2O3+2NaOH=2NaAlO2+H2O

2Al+2NaOH+2H2O=2NaAlO2+3H2↑

氫氣的放出可以強化促進浸蝕的過程，氫氣能對難容氧化物產(chǎn)生沖擊，剝離的作用，提高堿蝕效率。

2.2.1溫度的影響

把零件置于不同溫度下，產(chǎn)生氫氣的時間如圖3。

從圖3可知，在40 ℃前反應(yīng)時間過長，40～50 ℃時反應(yīng)時間合適，50 ℃以上反應(yīng)過于快速，不好控制，所以把反應(yīng)溫度定于50 ℃。

圖3　溫度對產(chǎn)生氫氣時間的影響

2.2.2時間的影響

零件置于50 ℃，反應(yīng)5 s，10 s，15 s時的微觀表面形貌如圖4。

從圖4中可以看出反應(yīng)5 s基體還沒有暴露出來，15 s基體過度腐蝕，所以最佳反應(yīng)時間為10 s。

(a)5 s

(b)10 s

(c)15 s

2.3二次浸鋅的影響

零件經(jīng)過除油堿蝕拋光后，一次浸鋅和二次浸鋅的微觀表面形貌如圖5。

從圖5中可以看出二次浸鋅后的表面形貌與一次浸鋅相比更為細(xì)粒平整[14]。一次浸鋅使裸露的金屬鋁迅速與鋅離子反應(yīng)而避免鋁與氧反應(yīng)而使鋁合金表面形成氧化膜，這樣較強的活性鋁表面就變成了相對較不活潑的鋅表面，從而防止鋁基表面再次被氧化形成氧化膜，達到除去氧化鋁膜的目的。 然后退除第一次浸鋅時所獲得的較粗糙、覆蓋不完全且含有夾雜物的鋅層，進行二次浸鋅，以獲得更均勻、更致密的、更薄的浸鋅層。

圖5　各條件下的SEM圖

2.4鍍層性能

2.4.1鍍層結(jié)合力

將鍍鎳試樣置于烘箱中200 ℃恒溫1 h，取出后立即放入冷水中，觀察發(fā)現(xiàn)鍍層無起皮、鼓泡等類似現(xiàn)象。表明鍍鎳層結(jié)合力良好。

2.4.2鍍層抗變色性

將化學(xué)鍍鎳試樣室溫下浸在用水稀釋的1∶1 的硝酸溶液中，在 20 s 內(nèi)沒有形成黑膜，表明鍍層是抗色變的。

2.4.3鍍層成分分析

采用能譜儀分析所得鍍鎳層化學(xué)成分可知，鍍層磷含量為11.07 %，余量為鎳，證明本體系所得鍍層的是高磷鍍層，不含雜質(zhì)。這也間接地說明鍍液很穩(wěn)定，在化學(xué)鍍過程中各組分均未發(fā)生分解。

2.4.4光澤度與鍍速

鍍層光澤度達到225 Gs，說明表面光亮，鍍速達到12.14 μm / h。

2.4.5鍍層的表面形貌

鍍鎳前與鍍鎳后的微觀表面形貌如圖6所示。從圖6可以看出，鍍鎳后，鍍層較為平整、光滑，結(jié)晶比較均勻、細(xì)致。

圖6　各條件下的SEM圖

2.4.6耐腐蝕性

鍍鎳試樣置于煙霧箱96小時無變化，說明耐腐蝕性良好。

3結(jié)論

1)本工藝的流程為：除油→熱水洗→去離子水洗→堿蝕→兩次去離子水洗→化學(xué)拋光(3∶7硝酸)→兩次去離子水洗→一次浸鋅→兩次去離子水洗→去鋅(1∶1硝酸)→兩次去離子水洗→二次浸鋅→兩次去離子水洗→預(yù)鍍鎳→去離子水洗→熱水洗→鍍鎳。

2)按該前處理工藝鍍鎳后，所得鍍層結(jié)晶均勻、細(xì)致，表面平整，光澤度達225 Gs，鍍速為12.14 μm / h，磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11.07 %，結(jié)合力良好，抗變色性能優(yōu)良，耐腐蝕性良好。

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收稿日期：2016-02-29；修回日期：2016-03-14

*基金項目：2015貴州省科技計劃富氧燃燒等清潔生產(chǎn)技術(shù)的研究應(yīng)用之電鍍行業(yè)清潔生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)(黔科合SY字[2015]3010)。

作者簡介：畢晨(1990-)，男，安徽銅陵人，在讀碩士研究生。研究方向：無氰電鍍添加劑。

通信作者：▲劉定富，博士，教授。

中圖分類號：TQ153.1+2

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-6563(2016)03-0088-05

A study on pretreatment process of electroless Nickel plating on 2A12 aluminum alloy*

BI Chen，LIU Dingfu▲，ZENG Qingyu

(SchoolofChemistryandChemicalEngineering，GuizhouUniversity，Guiyang550025，China)

Abstract：The traditional pretreatment process for 2A12 aluminum alloys was improved.The novel pretreatment process flow is followed：(1)In addition to oil；(2)Hot water wash；(3) De ionized water wash；(4) Alkaline etching；(5)Two times De ionized water washing；(6)chemical polishing；(7)Two times De ionized water washing；(8)once Zinc immersion；(9) Two times De ionized water washing；(10) In addition to zinc；(11) Two times De ionized water washing(12)Double Zinc immersiom；(13)Two times De ionized water washing；(14)Pre plating nickel；(15)De ionized water washing；(16)Hot water washing；(17)Plate with nickel.The results show that as the improved pretreatment process，the coating deposited under the optimal process parameters is composed of Ni-P micro crystal，in which the content of P reaches 11.7 %.Its thickness reaches to 12 μm after 1 h deposition.

Keywords：2A12 aluminum alloy，pretreatment，electroless plating