超聲波輔助化學鍍工藝及性能研究

趙 霞，王 濤

（西安創(chuàng)聯(lián)電鍍有限責任公司，陜西 西安 710065）

工業(yè)制作中金屬表面處理是非常重要的一環(huán)，通過金屬表面處理可以有效的去除金屬表面污漬，通過鍍層工藝保護好金屬表面不受到氧化、腐蝕等破壞。常見的金屬表面處理工藝中化學鍍具有非常好的均勻鍍的能力，因此化學鍍經(jīng)常被運用于電子產(chǎn)品、汽車零部件以及航空航天零部件等領(lǐng)域。鎂合金以其輕質(zhì)的特點應用于汽車、航空等多個領(lǐng)域，但也存在一定的缺點，在鎂合金表面利用化學鍍覆蓋一層Ni-P合金層之后，可以提升鎂合金的抗腐蝕和抗磨損能力，同時還可以優(yōu)化鎂合金的電磁、力學特性。

傳統(tǒng)的鎂合金化學鍍Ni-P，需要在八九十度的水浴中完成。整個過程耗能大，鍍層穩(wěn)定性不高，還會產(chǎn)生一些對環(huán)境有害的物質(zhì)。而利用超聲波輔助鎂合金Ni-P化學鍍，恰好可以解決以上問題，優(yōu)化化學鍍之后的產(chǎn)品性能。因此，本文將通過實驗獲得超聲波輔助鎂合金Ni-P化學鍍的超聲波功率。

1 超聲波輔助鎂合金Ni-P化學鍍實驗

1.1 實驗方案介紹

首先，準備實驗材料。本次實驗使用10mm*10mm*10mm的鎂合金作為基材。并使用不同規(guī)格的砂紙對基材進行表面打磨，使用丙酮溶液對打磨后的基材進行清洗，利用堿洗去污，利用酸洗刻蝕，并進行活化處理。

表1 比較實驗研究方案

如下表所示，為了準確了解不同功率的超聲波對化學鍍工藝及性能的影響，本文使用40kHz頻率90W和150W兩種功率的超聲波輔助化學鍍，然后分別與常規(guī)水浴加熱化學鍍進行比較，從而獲得超聲波功率對化學鍍工藝及性能的影響指標。

1.2 實驗比較指標

1.2.1 沉積速率

通過增重法獲得鎂合金化學鍍層的沉積速率，具體可用如下公式計算：

1.2.2 微觀形態(tài)

使用電子顯微鏡觀察不同化學鍍實驗之后樣品鍍層的微觀形態(tài)。

1.2.3 耐腐蝕性

采用鹽水噴灑實驗測定不同化學鍍實驗之后樣品鍍層的耐腐蝕性。

1.2.4 硬度

使用顯微硬度計測量不同化學鍍實驗之后樣品鍍層的硬度。

1.2.5 表面粗糙度

采用輪廓儀測定不同化學鍍實驗之后樣品鍍層表面的粗糙度。

1.2.6 結(jié)合力

采用劃線法和熱震實驗測定不同化學鍍實驗之后樣品鍍層的結(jié)合力。

2 超聲波輔助鎂合金Ni-P化學鍍實驗結(jié)果

2.1 超聲波輔助對鎂合金Ni-P化學鍍的工藝影響

2.1.1 沉積速率

通過表2的實驗結(jié)果可以看出，5種實驗方案中，常規(guī)85℃水浴加熱條件下的化學鍍的沉積速率最??；通過實驗方案1和2以及4和5可以看出隨著超聲波的增加，鎂合金Ni-P化學鍍的沉積速率增加；通過實驗方案1和4以及2和5可以看出隨著溫度的增加，鎂合金Ni-P化學鍍的沉積速率也會增加；因此五組實驗方案中第五組鎂合金Ni-P化學鍍的沉積速率最高，達到了24.7um/h。

表2 沉積速率實驗結(jié)果比較

主要原因是：一方面超聲波在鍍液中產(chǎn)生的高速微射流隨著超聲波的功率增加而作用越大，對溶液的攪拌能力越強，沉積速率越大；另一方面超聲波可以有效清潔基體表面，提高基體表面的催化活性；第三，超聲波將水分子分解為活化態(tài)的氫原子，在催化劑以及溫度的作用下加速速Ni2+，H2PO2氧化還原生成NiP的反應。

2.1.2 微觀形態(tài)

在65℃、150W的條件下，鎂合金Ni-P化學鍍鍍層表面均勻堆積球狀鍍層顆粒。而85℃、150W的條件下，鎂合金Ni-P化學鍍鍍層表面出現(xiàn)了體積不均勻的顆粒堆積狀態(tài)，甚至出現(xiàn)了大小不一的孔洞。

究其原因主要是在溫度適宜（65℃）的條件下，超聲波可以有效的提升鍍層表面顆粒的沉積速率。在沉積速率適當?shù)臈l件下，鍍層顆粒在基體表面進行均勻堆積。而隨著溫度的增加，會導致沉積速率過的快，而在堆積層表面大量堆積的過程中產(chǎn)生體積較大的顆粒，甚至出現(xiàn)氣泡或者脫落現(xiàn)象，而造成鍍層表面出現(xiàn)空洞等問題。因此，超聲波輔助鎂合金Ni-P化學鍍工藝過程中需要適當?shù)慕档突瘜W度的溫度，以實現(xiàn)提升化學鍍工藝，同時有效降低能耗。

2.1.3 硬度

使用顯微硬度計測量不同化學鍍實驗之后樣品鍍層的硬度，具體見表3所示。

表3 硬度實驗結(jié)果比較

通過上表可以看出，65℃、150W條件下超聲波輔助對鎂合金Ni-P化學鍍產(chǎn)品的硬度最佳，達到了597HV，硬度遠高于常規(guī)水浴加熱化學鍍的硬度。

究其原因是超聲波給球狀鍍層顆粒加以能量，使得這些顆粒被壓實在鍍層表面，從而產(chǎn)生一定的硬化作用。同時該條件下，超聲波的攪拌作用使得鍍層表面球狀鍍層顆粒更加均勻，顆粒之間的應力作用更加一致。

2.1.4 耐腐蝕性

金屬表面鍍層一個重要的原因就是為了提升金屬表面的耐腐蝕性，鍍層的一致性和完整性是耐腐蝕性至關(guān)重要的前提。

表4 耐腐蝕性實驗結(jié)果比較

對五組實驗結(jié)果的樣品進行鹽霧實驗，發(fā)現(xiàn)65℃、150W條件下超聲波輔助對鎂合金Ni-P化學鍍產(chǎn)品的耐腐蝕性最佳。主要原因與在該條件下的鍍層微觀形態(tài)以及表面硬度形成的機理相關(guān)，超聲波改善了鍍液中的微觀分散度，使得P元素在鍍層表面分布的更加均勻，鍍層更加細密，孔隙、麻點等缺陷的發(fā)生率更低。而第五組（85℃、150W）的條件下，耐腐蝕性最差，主要是因為該條件下微觀形態(tài)鍍層表面出現(xiàn)了空洞等問題，從而大大降低了鍍層的耐腐蝕性。

2.2 超聲波輔助對鎂合金Ni-P化學鍍的性能影響

2.2.1 粗糙度

采用輪廓儀測定不同化學鍍實驗之后樣品鍍層表面的粗糙度，可以發(fā)現(xiàn)超聲波輔助鎂合金Ni-P化學鍍的樣品表面粗糙度Ra均值為0.036μm。實驗結(jié)果說明了超聲波輔助鎂合金Ni-P化學鍍樣品表面光滑明亮、裝飾性強、抗腐蝕性好，有利于提升樣品的使用年限。

2.2.2 結(jié)合力

鍍層表面具備良好的結(jié)合力是鍍層保護基材的重要指標。采用劃線法和熱震實驗測定不同化學鍍實驗之后樣品鍍層的結(jié)合力。結(jié)果表明超聲波輔助鎂合金Ni-P化學鍍樣品鍍層無起皮、剝落等現(xiàn)象。鍍層中的Ni、P元素分布較為均勻，從鍍層到過渡層再到基材，鍍層元素Ni、P呈現(xiàn)出逐漸下降，而鎂元素逐漸上升的趨勢，說明了在超聲波輔助鎂合金Ni-P化學鍍的過程中，兩種鍍層和基材元素在接觸面形成了良好的擴散現(xiàn)象，大大提升了鍍層的結(jié)合力，使得鍍層與基材更加密實，不易脫落。

3 結(jié)論

超聲波輔助鎂合金Ni-P化學鍍可以有效的提升化學鍍過程中的沉積速率，并且沉積速率隨著溫度和功率的增加而增加。在溫度和功率條件最優(yōu)化的情況下，鍍層表面的球狀鍍層顆粒均勻分布，密度較高，有效降低空隙、麻點等缺陷，提升了鍍層的硬度和耐腐蝕性，同時也提升了產(chǎn)品表面光滑度。通過本次實驗可以得出65℃、150W條件下，超聲波輔助鎂合金Ni-P化學鍍產(chǎn)品的綜合性能最佳，可以起到最佳的保護作用。