酸性化學(xué)鍍鎳系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

趙永 楊勇

摘 要

研究了影響化學(xué)鍍鎳系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的主要因素，重點(diǎn)介紹了化學(xué)鍍鎳槽體的優(yōu)化設(shè)計(jì)、陽(yáng)極保護(hù)系統(tǒng)及鍍液的維護(hù)，對(duì)化學(xué)鍍鎳系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。使用效果表明該優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠有效提高化學(xué)鍍鎳系統(tǒng)的穩(wěn)定性及鍍液的使用周期。

關(guān)鍵詞

化學(xué)鍍鎳;陽(yáng)極保護(hù);化學(xué)鍍鎳鍍液維護(hù)

中圖分類號(hào)： C23C18/32 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.19.071

Abstract

The main factors influencing the operation stability of the electroless nickel plating system are studied. The optimized design of the electroless nickel plating tank， the anode protection system and the maintenance of the plating solution are introduced. The electroless nickel plating system is optimized.The results show that the optimized design can effectively improve the stability of electroless nickel plating system and the service life of the bath.

Key words

Electroless nickel plating; Anodic protection; Maintenance of electroless nickel plating bath

0 前言

化學(xué)鍍鎳具有較好的深鍍和均鍍能力，可對(duì)形狀復(fù)雜的零件進(jìn)行化學(xué)鍍，化學(xué)鎳鍍層均勻且具有優(yōu)越的防腐蝕性、耐磨性、防護(hù)性及裝飾性，廣泛應(yīng)用于五金、汽車(chē)、電子、航空、航天等領(lǐng)域。酸性化學(xué)鍍鎳溶液具有腐蝕性強(qiáng)、鍍液不穩(wěn)定、工藝溫度高的特點(diǎn)，因此對(duì)化學(xué)鍍鎳設(shè)備有較高的要求。

化學(xué)鍍鎳過(guò)程中溶液需要進(jìn)行不斷地?cái)嚢杓把h(huán)過(guò)濾，以保證溶液溫度及濃度的均勻并及時(shí)過(guò)濾掉施鍍過(guò)程產(chǎn)生的雜質(zhì)。酸性化學(xué)鍍鎳工藝溫度85-90℃，鍍槽材質(zhì)及結(jié)構(gòu)直接影響著化學(xué)鍍鎳設(shè)備的穩(wěn)定性及造價(jià);PP塑料板雖然具有較好的耐腐蝕性能，但其在90℃下長(zhǎng)期使用易老化變形，使用壽命短;PVDF塑料板雖然具有較好的耐腐蝕性能及耐溫性能，但設(shè)備造價(jià)較高;采用不銹鋼制作化學(xué)鍍鎳槽由于施鍍時(shí)槽壁上會(huì)有鎳沉積，極易引起鍍液自分解反應(yīng)，因此必須配套設(shè)計(jì)鍍槽陽(yáng)極保護(hù)系統(tǒng)，使槽壁處于電化學(xué)鈍化狀態(tài)，阻止鎳在槽壁上的沉積[1]。因此優(yōu)化設(shè)計(jì)的槽體結(jié)構(gòu)及陽(yáng)極保護(hù)系統(tǒng)是化學(xué)鍍鎳設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。

化學(xué)鍍鎳過(guò)程中鎳離子與還原劑不斷被消耗，必須及時(shí)分析測(cè)定與添加補(bǔ)充。目前多數(shù)電鍍廠都是人工取樣后由實(shí)驗(yàn)員進(jìn)行分析測(cè)定，然后根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)充添加，該法耗時(shí)長(zhǎng)，分析結(jié)果滯后，難以保證工藝的穩(wěn)定性。鍍液自動(dòng)分析添加系統(tǒng)能夠有效地解決上述問(wèn)題[2]。

本文對(duì)化學(xué)鍍鎳槽槽體結(jié)構(gòu)及陽(yáng)極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用化學(xué)鎳自動(dòng)分析添加系統(tǒng)對(duì)鍍液進(jìn)行自動(dòng)維護(hù)，經(jīng)過(guò)多個(gè)客戶現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用驗(yàn)證了優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效性。

1 化學(xué)鍍鎳槽優(yōu)化設(shè)計(jì)

如圖1所示化學(xué)鍍鎳槽采用不銹鋼板制作，內(nèi)槽四周采用圓弧整體式設(shè)計(jì)減少焊縫，使與鍍液接觸的槽內(nèi)壁更加光滑，以減少槽內(nèi)激化點(diǎn)，從而減少化學(xué)鎳在槽內(nèi)壁上的沉積;鍍槽內(nèi)槽底部采用錐形底設(shè)計(jì)，錐底底部設(shè)計(jì)過(guò)濾機(jī)抽液管、錐底兩相對(duì)側(cè)面設(shè)計(jì)有過(guò)濾機(jī)回液管;循環(huán)過(guò)濾時(shí)施鍍過(guò)程中產(chǎn)生的雜質(zhì)從錐底最低處進(jìn)入過(guò)濾機(jī)過(guò)濾，然后過(guò)濾機(jī)將潔凈的鍍液從錐底側(cè)面的回液管輸送回鍍槽內(nèi)并在錐底附近產(chǎn)生湍流效應(yīng)，這些結(jié)構(gòu)可以大大增強(qiáng)過(guò)濾機(jī)的過(guò)濾效果及溶液的攪拌效果。

2 化學(xué)鍍鎳槽陽(yáng)極保護(hù)系統(tǒng)

2.1 陽(yáng)極保護(hù)原理

在化學(xué)鍍鎳過(guò)程中，不銹鋼槽內(nèi)壁是一個(gè)活性激化點(diǎn)，在施鍍過(guò)程中鎳離子容易槽壁上沉積，導(dǎo)致化學(xué)鍍鎳溶液發(fā)生自分解反應(yīng)。因此，對(duì)不銹鋼槽壁進(jìn)行鈍化和陽(yáng)極保護(hù)，才能有效阻止鎳在槽壁上的沉積。陽(yáng)極保護(hù)法是在施鍍時(shí)對(duì)不銹鋼槽壁施加合適的電壓，用不銹鋼棒作為陰極，陰極靠近不銹鋼槽壁，使鍍槽處于電化學(xué)鈍化狀態(tài)，可有效地防止槽壁上金屬鎳的析出。根據(jù)w.Fields & R. Duncan的理論，典型酸性化學(xué)鍍鎳液（NiS04·6H2O 25g/L，NaH2P02·H2O 20g/L，NaAc· 3H2O 15g/L，Na3C6H5O7 2H2O 10g/L）中的不銹鋼槽的電化學(xué)特性見(jiàn)圖2，A至B之間是不銹鋼槽在酸性化學(xué)鍍鎳溶液中的鈍化區(qū)，因此把不銹鋼槽的電位控制在鈍化區(qū)槽壁既不會(huì)腐蝕也不會(huì)被鍍覆[3]。

2.2 陽(yáng)極保護(hù)裝置的安裝

陽(yáng)極保護(hù)裝置的安裝如圖3所示，恒壓直流電源（參數(shù)：輸出DC 5A/6V）正極與鍍槽槽壁相連，負(fù)極與陰極桿相連，加熱器、攪拌器、過(guò)濾器等不銹鋼部件與槽壁接觸，陰極桿安裝與槽壁與加熱器之間，盡量靠近加熱器，但與槽壁之間的距離應(yīng)大于50mm[4]。

陰極桿一般采用光亮不銹鋼棒制作，長(zhǎng)度為從槽口延伸至距離槽底100mm。陰極桿須與槽壁及槽內(nèi)其他不銹鋼部件絕緣，一般是把陰極桿裝在Φ25mm的聚丙烯管內(nèi)，聚丙烯管壁上開(kāi)圓孔讓陽(yáng)極桿與鍍液接觸，開(kāi)孔總面積約為鍍槽槽體面積的0.5%[3]。對(duì)于容積在1000L以下的槽體，一般在槽體4個(gè)角落各安裝一個(gè)陰極桿并使對(duì)角位置的聚丙烯保護(hù)套管的開(kāi)孔相對(duì)，對(duì)于容積大于1000L的槽體可以適當(dāng)增加陰極桿的數(shù)量。

2.3 陽(yáng)極保護(hù)裝置的使用

（1）在陽(yáng)極保護(hù)系統(tǒng)恒壓直流電源開(kāi)啟之前，須用30-40℃的50%硝酸浸泡不銹鋼鍍槽12小時(shí)以上，使不銹鋼槽壁鈍化，然后用純水沖洗至中性，確保槽內(nèi)壁及槽內(nèi)其它不銹鋼部件表面潔凈。

（2）在硝酸鈍化完成、化學(xué)鍍液送入鍍槽之后、鍍液加熱之前，必須立即開(kāi)啟恒壓直流電源，電源調(diào)節(jié)為恒壓模式，電壓1.1V。

（3）陽(yáng)極保護(hù)系統(tǒng)開(kāi)啟之后，只要鍍液在不銹鋼鍍槽內(nèi)，無(wú)論鍍液是在工藝溫度（85℃-90℃）還是冷態(tài)下陽(yáng)極保護(hù)電源都必須一直開(kāi)著。

（4）隨著鍍液使用時(shí)間的增加，鍍液中雜質(zhì)會(huì)增多，電流會(huì)慢慢增大，會(huì)影響鍍液的使用時(shí)間及陽(yáng)極保護(hù)效果，因此鍍槽在使用過(guò)程中必須開(kāi)啟過(guò)濾機(jī)對(duì)鍍液進(jìn)行連續(xù)過(guò)濾并及時(shí)更換濾芯。

（5）化學(xué)鍍鎳時(shí)，若鍍件或陰極棒接觸槽體，會(huì)使陽(yáng)極保護(hù)失效，電流值會(huì)瞬間增大。因此使用過(guò)程中若發(fā)現(xiàn)鍍件調(diào)入槽內(nèi)，應(yīng)及時(shí)取出。

（6）在化學(xué)鍍鎳過(guò)程中，陰極桿上有鎳層沉積，并且越來(lái)越厚，需經(jīng)常更換陰極桿。更換后的陰極桿放在40℃，50%的硝酸浸泡中12小時(shí)以退除鎳層。

（7）陽(yáng)極保護(hù)系統(tǒng)使用過(guò)程中若發(fā)現(xiàn)電流值顯著增大或槽壁上有大量氣泡出現(xiàn)，應(yīng)及時(shí)將鍍液溫度降低至60℃以下，并更換溶液。

3 鍍液維護(hù)

3.1 化學(xué)鎳溶液的自動(dòng)分析與添加

化學(xué)鍍鎳反應(yīng)過(guò)程中鎳離子不斷被消耗，磷酸根濃度不斷增大，H+不斷生成，鍍液pH值逐漸降低，要保證正常鍍速及鍍層質(zhì)量，延長(zhǎng)鍍液的使用周期，必須對(duì)鍍液中成分進(jìn)行實(shí)時(shí)分析并及時(shí)添加鎳鹽、還原劑、穩(wěn)定劑，調(diào)節(jié)鍍液PH使其在工藝允許的范圍內(nèi)。若采用人工定期取樣分析有一定的滯后性，直接影響鍍液的穩(wěn)定性，因此對(duì)鍍液進(jìn)行自動(dòng)分析與添加是實(shí)現(xiàn)化學(xué)鍍鎳連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)的關(guān)鍵。

如圖4所示，化學(xué)鍍鎳自動(dòng)分析添加系統(tǒng)由自動(dòng)采樣系統(tǒng)、在線分析系統(tǒng)和自動(dòng)加藥系統(tǒng)組成。鍍液冷卻、過(guò)濾、消泡后進(jìn)入鎳分析探頭及PH分析探頭，控制系統(tǒng)PLC根據(jù)鎳分析探頭及PH分析探頭的分析數(shù)據(jù)，控制Ni鹽、PH調(diào)節(jié)劑的添加，添加Ni鹽的同時(shí)，按照化學(xué)鍍液藥水說(shuō)明書(shū)規(guī)定的比例同時(shí)還原劑及穩(wěn)定劑。

3.2 鍍液的攪拌與過(guò)濾

產(chǎn)品在化學(xué)鍍鎳溶液中連續(xù)施鍍過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生雜質(zhì)，及時(shí)過(guò)濾掉溶液中的雜質(zhì)可以延長(zhǎng)鍍液的使用周期，因此在化學(xué)鍍鎳過(guò)濾中應(yīng)連續(xù)過(guò)濾，并根據(jù)產(chǎn)量及時(shí)更換濾芯。

化學(xué)鍍鎳過(guò)程保證溶液溫度場(chǎng)及濃度場(chǎng)的均勻?qū)ΡＷC鍍層質(zhì)量、延長(zhǎng)鍍液使用周期是非常關(guān)鍵的，因此在化學(xué)鍍鎳時(shí)要對(duì)鍍液連續(xù)攪拌，常見(jiàn)的攪拌方式有壓縮空氣攪拌、機(jī)械攪拌槳攪拌和泵攪拌。采用壓縮空氣攪拌會(huì)加速鍍液的揮發(fā)，污染工作環(huán)境;采用泵攪拌對(duì)泵的耐腐蝕性、耐溫性及穩(wěn)定性有著較高的要求，造價(jià)較高;因此我司生產(chǎn)的化學(xué)鍍鎳槽大都采用機(jī)械攪拌槳攪拌。

4 應(yīng)用案例及結(jié)論

根據(jù)近3年我司生產(chǎn)的化學(xué)鍍鎳系統(tǒng)在客戶的使用情況證明本文所提及的針對(duì)化學(xué)鍍鎳系統(tǒng)槽體結(jié)構(gòu)、陽(yáng)極保護(hù)系統(tǒng)及鍍液維護(hù)方面的優(yōu)化大大延長(zhǎng)化學(xué)鍍鎳槽的硝槽周期、延長(zhǎng)鍍液的使用壽命、提高鍍層均勻性，實(shí)現(xiàn)化學(xué)鍍鎳的連續(xù)生產(chǎn)，減少泡槽硝酸的使用量。

參考文獻(xiàn)

[1]一種新型不銹鋼化學(xué)鍍鎳槽[P].中國(guó).C23C 18/32（2006.1）.CN 103741124 A.2014.4.23.

[2]程瑤，鐘洪勝，岳麗. 化學(xué)鍍鎳液的在線分析及維護(hù)系統(tǒng)[J].電鍍與涂飾，2019，38（18）：1012-1014.

[3]W.Fields & R.Duncan.化學(xué)鍍用不銹鋼槽的電化學(xué)鈍化[J].電鍍與環(huán)保，1992，12（3）：（18）：：15-17.

[4]馬建鐵.化學(xué)鍍煤不銹鋼槽體的陽(yáng)極保護(hù)[J].表面技術(shù)，1999，28（6）：46-47.