工藝條件及鍍液雜質(zhì)對瓦特鎳鍍層內(nèi)應(yīng)力的影響

胡　維,　王春霞,　周佑明,　胡小萍

(1.江西洪都航空工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 熱表處理廠，江西 南昌　330063； 　2.南昌航空大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,江西 南昌　330063； 　3.金川集團(tuán) 金柯有色金屬有限公司，江蘇 昆山　215300)

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工藝條件及鍍液雜質(zhì)對瓦特鎳鍍層內(nèi)應(yīng)力的影響

胡維1,王春霞2,周佑明3,胡小萍2

(1.江西洪都航空工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 熱表處理廠，江西 南昌330063； 2.南昌航空大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,江西 南昌330063； 3.金川集團(tuán) 金柯有色金屬有限公司，江蘇 昆山215300)

摘要：為控制生產(chǎn)中瓦特鎳鍍層的內(nèi)應(yīng)力，利用條形陰極法測試了鍍液的溫度、pH及鍍液中的雜質(zhì)等對瓦特鎳鍍層內(nèi)應(yīng)力的影響。結(jié)果表明，鍍鎳液θ為50℃，pH為4.0時(shí)，鍍層內(nèi)應(yīng)力最?。浑S著鍍液中Cu(2+)、Zn(2+)金屬雜質(zhì)含量的增加，鍍層內(nèi)應(yīng)力均增加；另外，在生產(chǎn)中為降低鍍層的內(nèi)應(yīng)力，還需嚴(yán)格控制硫酸鎳品質(zhì)。

關(guān)鍵詞:電鍍條件； 鍍液雜質(zhì)； 內(nèi)應(yīng)力； 條形陰極法； 鍍鎳層

引言

任何材料中都有應(yīng)力，電鍍層也不例外。由于鍍層的應(yīng)力是電沉積本身形成的，而非施加外力引起的附加應(yīng)力，應(yīng)力集中在鍍層之中，所以電鍍層的應(yīng)力稱為內(nèi)應(yīng)力。若鍍后不作消除應(yīng)力的處理，則電沉積中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力始終存在，故又稱為剩余應(yīng)力或殘余應(yīng)力[1]。

鍍層的內(nèi)應(yīng)力在一定范圍內(nèi)使鍍層的耐蝕性降低，尤其在應(yīng)力突變的部位，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的腐蝕，當(dāng)內(nèi)應(yīng)力較大時(shí)，還會(huì)使鍍層出現(xiàn)起泡、開裂和局部脫落等現(xiàn)象，影響鍍層的結(jié)合強(qiáng)度[2-3]。在生產(chǎn)中，經(jīng)常出現(xiàn)過高的內(nèi)應(yīng)力而使鍍層產(chǎn)生裂縫，甚至剝落，影響鍍層外觀、耐蝕性和結(jié)合力，從而影響到產(chǎn)品的合格率?；诖耍疚闹攸c(diǎn)研究了鍍液的溫度、pH及鍍液中常見的雜質(zhì)對鍍層內(nèi)應(yīng)力的影響，為后續(xù)生產(chǎn)提供依據(jù)，確保生產(chǎn)順利進(jìn)行。

1實(shí)驗(yàn)

1.1基材

實(shí)驗(yàn)所采用材料為H68黃銅基材，其主要成分為67%～70%銅，鋅余量。試樣規(guī)格為100mm×10mm×0.25mm，彈性模量為88.9GPa，單面密封膠密封。

1.2鍍鎳工藝流程及溶液配方

電鍍瓦特鎳工藝流程及溶液配方為：

銅片除油→水洗→鍍鎳→取出試片水洗、吹干→測量試片偏轉(zhuǎn)量→測量鍍層厚度。

1)化學(xué)除油。20g/L NaOH，20g/L Na2CO3，20g/L Na3PO4·12H2O，4g/L Na2SiO3，1～3g/L OP-10乳化劑，t為3～5min，θ為50～60℃。

2)鍍鎳。270g/L NiSO4·7H2O，50g/L NiCl2·6H2O，35g/L H3BO3，θ為50℃，pH為4.0，Jκ為1A/dm2，t為1h，陽極采用鎳板。

根據(jù)廠家提供的資料，移動(dòng)消防炮額定壓力為0.8MPa，額定射程為60m，在工作壓力為0.7MPa時(shí)，射程約為52～55m，滿足本項(xiàng)目的消防要求。

1.3鍍層內(nèi)應(yīng)力測試

采用條形陰極法，條形陰極為100mm×10mm×0.25mm的銅片，單面密封膠密封，經(jīng)除油水洗后，上端固定，下端為自由端，在一定的條件下電鍍后，取出試片，水洗吹干，利用坐標(biāo)紙準(zhǔn)確測量試片偏轉(zhuǎn)量，再利用測厚儀測量試片鍍層的厚度，通過內(nèi)應(yīng)力計(jì)算公式計(jì)算內(nèi)應(yīng)力大小[4]。這種條形陰極法測得的內(nèi)應(yīng)力是一個(gè)半定量性質(zhì)的。表達(dá)公式如下[5]：

式中：F為鍍層內(nèi)應(yīng)力，MPa；E為基體材料彈性模數(shù)，MPa；t為試片厚度，mm；d為鍍層平均厚度，mm；L為試片電鍍面的長度，mm；Y為試片自由端偏轉(zhuǎn)幅度，mm。

施鍍過程中，固定銅片的上端，下端為自由端，采用坐標(biāo)紙測量銅片的偏轉(zhuǎn)量，利用DJH電解式測厚儀(武漢材保所)測試鍍層厚度。

2結(jié)果與討論

2.1工藝參數(shù)對鍍層內(nèi)應(yīng)力的影響2.1.1溫度的影響

為研究溫度對鍍層內(nèi)應(yīng)力的影響，實(shí)驗(yàn)固定鍍液的工藝參數(shù)Jκ為1A/dm2，pH為4.0，t為1h，利用條形陰極法測試鍍液θ為40、45、50、55和60℃時(shí)，鍍層的內(nèi)應(yīng)力，結(jié)果見圖1。

圖1　溫度對鎳鍍層內(nèi)應(yīng)力的影響

由圖1可知，鍍鎳層的內(nèi)應(yīng)力與溫度的關(guān)系很明顯，鍍液θ由40℃升至50℃時(shí)，鍍層內(nèi)應(yīng)力增加，而由50℃升至60℃時(shí)，鍍層內(nèi)應(yīng)力減少，50℃時(shí)鍍層內(nèi)應(yīng)力最大。

鍍層內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的原因在于金屬沉積過程中外來物質(zhì)的夾雜或鍍層組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化引起的晶格畸變和晶粒結(jié)構(gòu)變化所致，鍍液溫度的升高使鍍層的組織發(fā)生了變化，當(dāng)θ低于或等于40℃時(shí)，織構(gòu)軸取向?yàn)閇210]，50℃時(shí)，織構(gòu)軸取向是[100]，這種晶粒生長的差異，影響著鎳沉積層的內(nèi)應(yīng)力[6]。

2.1.2pH的影響

為研究pH對鍍層內(nèi)應(yīng)力的影響，實(shí)驗(yàn)固定工藝參數(shù)Jκ為1A/dm2，θ為50℃，t為1h，利用條形陰極法測試了鍍液pH為3.0、3.5、4.0、4.5和5.0時(shí)，鎳鍍層的內(nèi)應(yīng)力，結(jié)果見圖2。

圖2　pH對鎳鍍層內(nèi)應(yīng)力的影響

從圖2可以看出，pH對鍍層的內(nèi)應(yīng)力有影響，但影響程度比溫度小，在pH=4.0時(shí)，鍍層內(nèi)應(yīng)力為最小。這主要是由于鍍液pH在3.4～4.5之間時(shí)，隨著pH增大，鍍層析氫困難，使得晶格扭曲降低，鍍層內(nèi)應(yīng)力降低；鍍液pH在4.0～5.0之間，隨著鍍液的pH升高，鍍液易產(chǎn)生氫氧化鎳夾雜鍍層中，會(huì)引起鍍層內(nèi)應(yīng)力增大。所以為減小鎳鍍層的內(nèi)應(yīng)力，瓦特鎳鍍液的pH一般應(yīng)控制在4左右。

2.2鍍液中雜質(zhì)對內(nèi)應(yīng)力的影響

金屬雜質(zhì)離子是影響鍍鎳層內(nèi)應(yīng)力的最復(fù)雜因素。因其在生產(chǎn)過程中難以時(shí)時(shí)監(jiān)控，不同于鍍液溫度、pH及其他參數(shù)可在線監(jiān)控，金屬雜質(zhì)往往是在其積累到一定量后才出現(xiàn)故障，而一旦出現(xiàn)故障，排除較困難。

實(shí)驗(yàn)固定工藝參數(shù)Jκ為1A/dm2，θ為50℃，t為1h，分別利用單因素實(shí)驗(yàn)研究了鍍液中常見的Cu2+和Zn2+雜質(zhì)對鍍層內(nèi)應(yīng)力的影響，結(jié)果見圖3。

圖3　雜質(zhì)對鍍層內(nèi)應(yīng)力的影響

從圖3可以看出，雜質(zhì)對鍍層內(nèi)應(yīng)力的影響遠(yuǎn)大于工藝參數(shù)的影響，隨著鍍鎳溶液中銅離子和鋅離子含量的增加，鍍層的內(nèi)應(yīng)力均不斷增大，這是因?yàn)槲⒘康碾s質(zhì)會(huì)影響電結(jié)晶過程沉積出的鍍層的晶界，鍍層中位錯(cuò)的數(shù)量、類型和分布，鍍液中的雜質(zhì)在沉積層中夾雜，這種夾雜會(huì)使晶格產(chǎn)生歪曲，雜質(zhì)夾雜在鍍層晶格中引起晶格參數(shù)的增大，致使鍍層內(nèi)應(yīng)力也不斷增大[7-8]。

2.3硫酸鎳對鍍層內(nèi)應(yīng)力影響

硫酸鎳是鍍鎳電解液的主鹽，其質(zhì)量濃度為250～300g/L，在生產(chǎn)過程中因其不斷消耗，使得鍍液中硫酸鎳含量不斷降低，需分析補(bǔ)加。生產(chǎn)中因多次補(bǔ)加硫酸鎳，而使鍍層的應(yīng)力增大，彎折實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鍍層易斷裂。為此，測試了市場上5種品牌硫酸鎳配置的瓦特鎳液的鍍層內(nèi)應(yīng)力，工藝參數(shù)Jκ為1A/dm2，θ為50℃，pH為4.0，t為1h，其結(jié)果如圖4所示。

圖4　不同品牌的硫酸鎳對鍍層內(nèi)應(yīng)力的影響

從圖4可以看出，五種品牌硫酸鎳配置的瓦特鍍鎳液，其內(nèi)應(yīng)力有較大差異，其中C和E品牌所得鍍鎳層內(nèi)應(yīng)力最小，D品牌所得鍍鎳層內(nèi)應(yīng)力最大。因施鍍過程中，各工藝條件均保持一致，可以認(rèn)定硫酸鎳中的雜質(zhì)是使鍍層內(nèi)應(yīng)力不同的主要原因。

另外，在由各種品牌硫酸鎳配置濃縮液過程中，還發(fā)現(xiàn)鍍層內(nèi)應(yīng)力較大的鍍液，其表面有大量氣泡，可能是硫酸鎳所含有機(jī)物稍多所致，所以在生產(chǎn)中，為減小鍍層內(nèi)應(yīng)力，必須選擇雜質(zhì)較少的硫酸鎳，確保鍍件質(zhì)量。

3結(jié)論

1)瓦特鍍鎳液θ為50℃，pH=4.0時(shí)，鍍鎳層內(nèi)應(yīng)力最小。

2)隨著鍍液中Cu2+、Zn2+金屬雜質(zhì)含量的增加，鍍層內(nèi)應(yīng)力均增加。

3)在實(shí)際生產(chǎn)中，不同品牌的硫酸鎳影響鍍層的內(nèi)應(yīng)力。

參考文獻(xiàn)

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The Influence on the Watt Nickel Internal Stress by Process Conditions and Impurities in Plating Solution

HU Wei1, WANG Chunxia2, ZHOU Youming3, HU Xiaoping4

(1.Jiangxi Hongdu Aviation Industry Group Co.,Ltd.hot surface treatment plant,Nanchang 330063,China;2.Nanchang Hangkong University, Material Science and Engineering,Nanchang 330063,China;3.Jinchuan Group Jinco Nonferrous Metals Co.,Ltd,Kunshan 215300,China)

Abstract:The effects of temperature,pH and impurities on the watt nickel internal stress were tested by the strip cathode method in order to control the internal stress of watt nickel films in production.The results showed that the plating internal stress was the smallest when watt nickel plating solution was at 50℃ and pH=4.0.As the concentration of Cu(2+) and Zn(2+) increasing,the plating internal stress was all enhanced.In addition,the quality of nickel sulfate should be strictly controlled in order to reduce the plating internal stress in the production.

Keywords:plating conditions;impurities in plating solution;internal stress;strip cathode method;nickel coatings

中圖分類號(hào)：TQ153.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

基金項(xiàng)目：校企合作項(xiàng)目(2011-01-060)

收稿日期：2015-12-03修回日期： 2015-12-25

doi：10.3969/j.issn.1001-3849.2016.04.007