試論光亮鍍鎳添加劑對鍍層抗腐蝕性能影響

石國林

（武漢松石科技股份有限公司 湖北武漢 430010）

試論光亮鍍鎳添加劑對鍍層抗腐蝕性能影響

石國林

（武漢松石科技股份有限公司 湖北武漢 430010）

影響光亮鍍鎳的因素很多，正交實(shí)驗(yàn)是處理研究多因素分析的一種方法，可以以最少的實(shí)驗(yàn)次數(shù)來確定各種因素對光亮鍍鎳造成的影響。本文在瓦特鍍鎳液的基礎(chǔ)之上選用1，4-丁炔二醇、糖精鈉和香豆素作為組合光亮劑，通過正交試驗(yàn)，研究了不同種類不同濃度的光亮劑對鍍鎳層光亮度及抗腐蝕性能的影響。進(jìn)而確定最優(yōu)的組合光亮添加劑。最佳的組合光亮劑添加水平是：1，4-丁炔二醇0.6g/L、糖精鈉0.8g/L以及香豆素0.25g/L。

光亮劑；電鍍鎳；正交試驗(yàn)；優(yōu)化

引言

隨著化學(xué)鍍應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，對化學(xué)鍍鎳的耐蝕性要求提高了，尤其是在苛刻的腐蝕環(huán)境中的使用，更要求化學(xué)鍍層具有優(yōu)異的耐蝕性能。而光亮劑具有改變鍍層結(jié)構(gòu)的作用，勢必也能改變鍍層的耐蝕性能。因此研究添加光亮劑后鍍層的耐蝕性，對鍍層在各種腐蝕環(huán)境中的使用具有重要的意義。

影響光亮鍍鎳的因素很多，正交實(shí)驗(yàn)是處理研究多因素分析的一種方法，可以以最少的實(shí)驗(yàn)次數(shù)來確定各種因素對光亮鍍鎳造成的影響。鍍鎳層具有良好的防護(hù)裝飾功能，其具有較高的硬度，鎳在空氣中表面可以快速形成一層鈍化模，在常溫下能夠防止被堿液、水、大氣等侵蝕。光亮鍍鎳層就是將組合光亮劑加入到普通的鍍鎳液中，是鍍鎳工藝中應(yīng)用最廣泛的鍍種，其在加工過程中能夠省去拋光工序，簡化了生產(chǎn)工序，在質(zhì)量和效率上都有很大的提高。

1 鍍鎳層性質(zhì)及用途

鎳具有銀白色（略呈黃色）金屬光澤，具有鐵磁性，密度為8.9，原子量為58.71，標(biāo)準(zhǔn)電極電位為-0.25V。鎳具有很強(qiáng)的鈍化能力，在空氣中能迅速地形成一層極薄的鈍化膜，使其保持經(jīng)久不變的光澤、常溫下，鎳能很好地防止大氣、水、堿液的浸蝕。在堿、鹽和有機(jī)酸中很穩(wěn)定，在硫酸和鹽酸中溶解很慢，易溶于稀硝酸。

由于鎳的硬度較高（HV240-500），所以鎳層可以提高制品表面硬度，并使其具有較好的耐磨性。鎳是鐵族元素，屬于電化學(xué)極化較大的元素，當(dāng)電解時(shí)能產(chǎn)生較大的極化作用，即使在很小的電流密度下，也會(huì)產(chǎn)生顯著的極化作用。因此，鍍鎳與鍍鋅、鍍銅不同，它不需要特殊添加劑。

電鍍鎳工藝是最通用的表面處理工藝之一，也是一種非常重要的電鍍工藝，它可以應(yīng)用于裝飾、工程和電鑄等方面，在裝飾、工程和電鑄方面，電鍍鎳是應(yīng)用最廣泛的表面處理工藝之一，這主要得益于電鍍鎳工藝的持續(xù)進(jìn)步。在微電子機(jī)械系統(tǒng)應(yīng)用中，電鍍鎳在識(shí)別可動(dòng)結(jié)構(gòu)方面也有著廣闊的前景。鍍鎳層不僅應(yīng)用于防護(hù)裝飾，還廣泛地用于功能性鍍層，例如，耐腐蝕、耐磨、耐熱鍍層以及模具的制造等方面。特別是近年來在連續(xù)鑄造結(jié)晶器、電子元件表面的壓印模具、形狀復(fù)雜的宇航發(fā)動(dòng)機(jī)部件、微型電子元件的制造等方面的應(yīng)用，使電鍍鎳用途更加廣泛。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 儀器及電極

TH-CS4型直流數(shù)顯恒流電源；PHS-3D型PH計(jì)；FA2104B型電子天平；電熱鼓風(fēng)干燥箱；金相顯微鏡；CHI660C電化學(xué)工作站；鉑金電極；鎳陽極；飽和甘汞電極；黃銅基底。

2.2 工藝條件及流程

工藝條件為：

硫酸鎳：260g/L；

氯化鎳：40g/L；

硼酸：38g/L；

潤濕劑十二烷基硫酸鈉：0.1g/L；

pH：4.0；

θ：50℃；

Jk：3.0A/dm2；

t：10min；

攪拌方式：空氣攪拌。

正交試驗(yàn)中的電鍍過程均采用如下工藝：

除油（黃銅基底丙酮除油、黃銅基底電化學(xué)除油）→熱水洗→酸洗→烘干→電鍍→冷水洗→烘干→測試。

鎳陽極的鍍前處理過程為：除銹（粗砂打磨）→水洗→除油（丙酮）→熱水洗→冷水洗→入鍍槽。

所有的實(shí)驗(yàn)都采用單面鍍，用環(huán)氧樹脂絕緣密封待鍍銅面的非鍍表面，所有黃銅的基底施鍍面積都一樣。陰陽極的面積比均為1：1.5。

2.3 測試方法

用顯微鏡觀察和分析鍍層的形貌和微觀結(jié)構(gòu)。電解池由研究電極、對電極以及參比電極組成，研究電極為正交試驗(yàn)所得的鍍片，對電極為鉑片，參比電極為飽和甘汞電極（SCE），為了衡量鍍片的抗腐蝕性能，采用鍍層在氯化鈉溶液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%）中的Tafel圖譜和交流阻抗圖譜。在測試過程中的控制鍍層測試面積都一樣。

3 分析測試

3.1 表面形貌

圖1為光亮鍍鎳在正交試驗(yàn)中得到的鍍片的普通數(shù)碼照片。直觀上看鍍層均呈現(xiàn)均勻的致密的光亮效果，均平整。②號(hào)鍍片鍍層的光亮度最低，表面存在白霧。③號(hào)和④號(hào)鍍片鍍層的表面沒有出現(xiàn)不良現(xiàn)象，光亮度最高。①號(hào)鍍片鍍層的光亮度不如③號(hào)和④號(hào)，干凈無霧。直觀上看，鍍片鍍層的光亮效果由高到低為③、④、①、②。

圖1 光亮鍍鎳正交試驗(yàn)的各組鍍片的數(shù)碼照片

3.2 正交試驗(yàn)的金相顯微照片

圖2所示為各組鍍片在正交試驗(yàn)中在放大倍數(shù)為400倍的條件下所得到的金相顯微照片。各個(gè)鍍片的前處理過程全部一樣。從各鍍層的金相顯微照片可以觀察到，各鍍層表面的微觀形貌較好，其中③號(hào)鍍片的結(jié)晶最為細(xì)致，表面最平整均勻，其表面最好。和圖1具有相同的效果。比較而看，①號(hào)和④號(hào)鍍片鍍層的光亮度相應(yīng)的降低，晶粒比較粗大。②號(hào)鍍片的表面呈現(xiàn)和圖1中的霧狀表面相互對應(yīng)，呈現(xiàn)不均勻脊?fàn)罹Я＞奂?。從鍍層的微觀均勻平整度來看，鍍層的質(zhì)量從低到高的順序?yàn)棰?、①、④、③?/p>

圖2 光亮鍍鎳正交試驗(yàn)各組鍍片的金相顯微照片（X400）

3.3 正交試驗(yàn)的交流阻抗測試

光亮鍍鎳在正交試驗(yàn)中各組鍍片的交流阻抗圖譜。就鍍層來說，抗腐蝕性能與電荷的轉(zhuǎn)移電阻成正比，即轉(zhuǎn)移電阻越大，抗腐蝕性能越好。反之，轉(zhuǎn)移電阻越小，抗腐蝕的性能也就越差。

3.4 正交試驗(yàn)的Tafel圖譜

光亮鍍鎳在正交試驗(yàn)中在掃描速度為10mV/s條件下各組鍍片所測得的圖譜。表1為在正交試驗(yàn)中所得的各鍍片的自腐蝕電流和自腐蝕電位。

表1 正交試驗(yàn)各組鍍片的自腐蝕電位和自腐蝕電流（鍍層的測試面積均為1cm2）

對于鍍層來說，一般情況下，其自腐蝕的電位越正，自腐蝕的電流越小，其抗腐蝕的性能也就越好。所以從自腐蝕電流來看，各組鍍片抗腐蝕的性能從低到高為①、④、③、②。從自腐蝕電位來看，各組鍍片抗腐蝕的性能從低到高為③、④、②、①。

從試驗(yàn)結(jié)果和分析來看，正交試驗(yàn)中的各組鍍片的自腐蝕電流與自腐蝕電壓的測試結(jié)果不相一致。以①號(hào)樣品為例子，它的自腐蝕電位是最正的，但是其自腐蝕的電流是最大的。對于光亮鍍鎳層來看，鍍層表面的組成是影響自腐蝕電流最主要的因素。衡量鍍層整體抗腐蝕性能的最為宏觀的指標(biāo)是自腐蝕電流，它的影響因素更多也更為全面，是衡量鍍層抗腐蝕性能最為科學(xué)合理的方法。在一定程度上①號(hào)樣品鍍層自腐蝕電流和自腐蝕電位的不相一致表明該鍍層的表面結(jié)構(gòu)有針孔或者是裂縫，正是由于這種結(jié)構(gòu)上的缺陷造成鍍層的整體自腐蝕電流增加，其抗腐蝕的性能隨之降低。

3.5 正交試驗(yàn)中各光亮劑對鎳鍍層電化學(xué)抗腐蝕性能的影響

評價(jià)指標(biāo)為鍍層電荷的轉(zhuǎn)移電阻，極差分析之后，能夠得出光亮鎳鍍層的電荷轉(zhuǎn)移電阻受各光亮劑組分的添加水平變化的影響程度。結(jié)果表明，在試驗(yàn)的范圍之內(nèi)，光亮鎳鍍層電荷的轉(zhuǎn)移電位受糖精鈉的影響最大，其次是香豆素，1，4-丁炔二醇的影響最小。光亮鎳鍍層電荷的轉(zhuǎn)移電阻的大小與糖精鈉的含量成正比，含量越多，電阻越大，即要想提高鎳鍍層的電化學(xué)抗腐蝕性能，就必須加入大量的糖精鈉。

表2為正交試驗(yàn)中鍍層的自腐蝕電位和各光亮劑的水平。評價(jià)指標(biāo)為鍍層的自腐蝕電位，極差分析之后，容易得到光亮鎳鍍層的自腐蝕電位受各光亮劑組分的添加水平變化的影響程度。分析結(jié)果得到，光亮鍍層的自腐蝕電位受1，4-丁炔二醇額影響最大，其次是香豆素，影響最小的是糖精鈉。鍍層的自腐蝕電位與1，4-丁炔二醇的含量成反比，即含量越高，電位越低。即就自腐蝕電位來看，在試驗(yàn)允許的范圍內(nèi)，為了能夠使鍍層的自腐蝕電位朝正向移動(dòng)，應(yīng)少加入1，4-丁炔二醇。

表2 L4（23）正交表試驗(yàn)結(jié)果（以自腐蝕電位為評價(jià)指標(biāo)）

評價(jià)指標(biāo)為鍍層的自腐蝕電流，極差分析之后，能夠得到光亮鎳鍍層的自腐蝕電流受各光亮劑組分的添加水平變化的影響程度。分析結(jié)果得到，光亮鍍層的自腐蝕電流受香豆素的影響最大，其次是糖精鈉，影響最小的是1，4-丁炔二醇。在實(shí)驗(yàn)的允許范圍之內(nèi)，為了能夠使鍍層整體的具有較好的抗腐蝕性能，鍍層的自腐蝕電流應(yīng)該較小，應(yīng)該加入較多的香豆素。

4 結(jié)語

選擇組合添加劑1，4-丁炔二醇、糖精鈉以及香豆素為考察的因素，對光亮鍍鎳進(jìn)行了三種要素的兩水平的正交試驗(yàn)，分析了電化學(xué)抗腐蝕結(jié)果和鍍層的微觀形貌。結(jié)果表明，在實(shí)驗(yàn)允許的范圍之內(nèi)，影響光亮鎳鍍層電荷的轉(zhuǎn)移電阻最為顯著的是糖精鈉，對光亮鍍層自腐蝕電位影響最為顯著的是1，4-丁炔二醇，對光亮鍍層的自腐蝕電流影響最大的是香豆素。

對電化學(xué)抗腐蝕性能和鍍鎳層的光亮效果進(jìn)行綜合考慮，最佳的組合光亮劑添加水平是：1，4-丁炔二醇0.6g/L、糖精鈉0.8g/L以及香豆素0.25g/L。

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TG174.4

A

1004-7344（2016）24-0220-02

2016-8-8