施鍍工藝對鋁合金化學(xué)鍍鎳-磷-鎢的影響

康 鑫，沈岳軍

（貴州航天電器股份有限公司，貴州 貴陽 550009）

0 引言

鋁在地殼中作為儲量較豐富的元素之一，其中鋁的化學(xué)活性較優(yōu)越，其自然環(huán)境中的存在形式多以離子或化合物的形式。1886 年，在提煉金屬鋁時用到的方法是電解氧化鋁。到了1888年拜耳法，氧化鋁能夠從鋁土礦中生成，同時通過直流電解技術(shù)的發(fā)展，使其較大規(guī)模的生產(chǎn)鋁合金。鋁合金有著優(yōu)越的性能，如：比強(qiáng)度高、比重小、導(dǎo)電導(dǎo)熱優(yōu)良和易加工，廣泛應(yīng)用于軍用產(chǎn)品和民用產(chǎn)品領(lǐng)域[1]。鋁、鎂、硅、鐵及其合金是鋁合金中的主要元素，材料涉及的其他合金會造成材料應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致所使用的元器件提前失效，為保障元器件的相關(guān)性能，目前鋁合金上基本采用電鍍和化學(xué)鍍的方法，提高鋁合金材料綜合性能。在鍍液中加入第三相使鎳磷合金一起沉積是化學(xué)復(fù)合鍍的主要原理以及制備復(fù)合鍍層的主要方式之一。

化學(xué)鍍鎳-磷-鎢合金自發(fā)現(xiàn)以來，其優(yōu)越的耐磨性和耐蝕性，廣泛應(yīng)用于武器裝備制造業(yè)。許曉麗[2]在制備得到化學(xué)鍍Ni-W-P 合金鍍層為酸性鍍，設(shè)計正交試驗，得出最優(yōu)配方是硫酸鎳20g/L、鎢酸鈉20g/L、次磷酸鈉20g/L、絡(luò)合劑40g/L、緩沖劑20g/L，pH 為6。并在此條件下研究了各因素在對耐硝酸變色時間的影響大小順序依次是：硫酸鎳的質(zhì)量濃度、pH、鎢酸鈉質(zhì)量濃度、檸檬酸鈉質(zhì)量濃度、次磷酸鈉質(zhì)量濃度、硫酸銨的質(zhì)量濃度。陳鈺秋等[3]研究了鍍液pH 與主鹽濃度比（c[WO42-/[Ni2+]）、絡(luò)合劑和穩(wěn)定劑的濃度對化學(xué)鍍Ni-W-P 合金鍍層及鍍層中磷與鎢含量的影響。表明了想在鍍層中獲得高鎢與高磷含量，需要同時提高絡(luò)合劑與主鹽鎢酸鈉的濃度。在研究過程中也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鎢鹽溶于酸性溶液中，易析出淡黃色的WO3·nH2O 膠體，會使得鍍液失效。故化學(xué)鍍Ni-W-P 較常選用的pH 范圍是8.5～9。在化學(xué)鍍Ni-W-P中，較常使用的穩(wěn)定劑是Pb2+、Cu2+。但是，Cu2+在對鍍層成分及沉積速率的影響較為復(fù)雜，因為Cu2+自身也參與了沉積過程。與化學(xué)鍍Ni-P 相比，化學(xué)鍍Ni-W-P 有著更好的熱穩(wěn)定性。W 的加入使得結(jié)晶顆粒粗化。在熱處理后，鍍件硬度明顯增大。

本文通過研究施鍍溫度和施鍍pH 對化學(xué)鍍鎳-磷-鎢鍍層綜合性能的影響，實(shí)驗出鎳-鎢-磷鍍的最佳參數(shù)，提升施鍍的鎳磷鎢鍍層的綜合性能，提高鋁合金本身的性能，實(shí)現(xiàn)電子元器件等行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

1 零件生產(chǎn)及性能測試

1.1 鋁合金化學(xué)鍍鎳工藝流程

①除油→②微蝕→③去灰→④浸鋅→⑤鍍→⑥烘干

1.2 性能檢測

1.2.1 沉積速率

化學(xué)鍍前后鍍件質(zhì)量變化需用電子天平稱量鍍件在，按式（1）計算沉積速率。

式中：A——基體表面積，cm2；m1——施鍍前工件質(zhì)量，mg；m2——鍍后工件質(zhì)量，mg；t——時間，h；ν——沉積速率，mg·cm-2·h-1。

1.2.2 鍍層耐蝕性

用鋁試劑的方法測試鍍層孔隙率。操作方法為：根據(jù)《工產(chǎn)品金屬鍍層的孔隙率測試方法》（QB/T 3823—1999），將零件浸入溶液中，進(jìn)行數(shù)零件表面點(diǎn)的方式，溶液組成時鋁試劑（3.5g/L）和氯化鈉（150g/L）。在室溫下浸沒10min，用水沖洗吹干后，進(jìn)行計算，根據(jù)紅點(diǎn)個數(shù)除以工件面積得出孔隙率，其中，孔隙率越少說明鍍層耐蝕性較好，孔隙率越多說明鍍層耐蝕性較差。

1.2.3 顯微硬度

鍍層硬度使用顯微硬度計（型號：HV-1000 型）進(jìn)行測定。選擇合適的載荷進(jìn)行操作，同時要利于讀取測試數(shù)據(jù)，保障結(jié)果的轉(zhuǎn)缺陷[3]。通過文獻(xiàn)的閱讀與反復(fù)的實(shí)驗，測定硬度的載荷（100g），測定硬度的加載時間（10s），工件取四個棱角和中間區(qū)域作為測量區(qū)域，最終算取硬度的平均值。

1.2.4 鍍層微觀形貌

Ni-W-P 鍍層的表面貌是使用場發(fā)射SEM 來觀察和分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 施鍍溫度的影響

通過書籍和實(shí)驗的驗證，影響化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)與動力學(xué)的主要參數(shù)是溫度。不同的溫度對離子速率和溶劑的活性影響較為關(guān)鍵，進(jìn)而直接影響金屬沉積的快慢，甚至對鍍層中的成分的多少和結(jié)構(gòu)起到影響，同時影響著基體和鍍層之間的結(jié)合力和鍍層的結(jié)晶以及鍍層的耐蝕性[4]。因此，為化學(xué)鍍合金鍍層選擇合適的溫度是極為重要的。

鍍液配方為硫酸鎳為18～20g/L 作為主鹽一，鎢酸鈉為20～22g/L 作為主鹽二，次亞磷酸鈉為25～30g/L 作為還原劑，檸檬酸鈉28～30g/L 作為絡(luò)合劑，醋酸鈉15～20g/L 作為緩沖劑，穩(wěn)定劑為1～2mg/L，施鍍時間為1h，pH 為8.5。通過在不同溫度下施鍍，通過實(shí)驗可以得出不同施鍍溫度對沉積速率、鍍層孔隙率和鍍層耐蝕性等的影響，如圖1 所示。

圖1 溫度對施鍍效果的影響

由圖1 可知，溫度的升高，會使施鍍效果沉積速率增加，且在76～88℃區(qū)間中，隨著溫度增加，沉積速率一直增加的狀態(tài)。溫度越高，提供反應(yīng)的活化能越高，反應(yīng)越為劇烈。當(dāng)鍍液溫度為80℃時，鍍層的顯微硬度為642.6HV，同時在該數(shù)值下，鍍層孔隙率為0.64 個/cm2，孔隙率較低。根據(jù)實(shí)驗溫度的持續(xù)增加，復(fù)合鍍層的孔隙率隨之增多，鍍層顯微硬度持續(xù)降低。綜合鍍層相關(guān)性能表征數(shù)據(jù)來看，上述配方中最佳工藝溫度應(yīng)為80℃。

2.2 施鍍pH 的影響

圖2 中影響鍍層孔隙率、鍍速、鍍層耐蝕性清楚的表達(dá)在圖中。隨著pH 的增加，沉積速率增加，當(dāng)pH 為7.8 時，沉積速率可以達(dá)到16.66mg·cm-2·h-1。但是當(dāng)pH 為8.0 時，鍍層硬度達(dá)到最高為645.7HV，孔隙率為0.64 個/cm2。當(dāng)pH 為8.0 時，鍍層性能較為優(yōu)良。故該配方下的溶液施鍍pH 為8.0。

圖2 pH 對施鍍效果的影響

通過化學(xué)鍍鎳-磷-鎢反應(yīng)原理來看，氫離子不斷產(chǎn)生，所以施鍍pH 隨著反應(yīng)的進(jìn)行持續(xù)降低。若不對鍍液中的酸堿度進(jìn)行調(diào)整，鍍液就會失調(diào)，所進(jìn)行的實(shí)驗得到的結(jié)果鍍層綜合性能將會出現(xiàn)不優(yōu)，達(dá)不到預(yù)期。在實(shí)驗中和反應(yīng)進(jìn)行的同時，要對鍍液的pH 監(jiān)控起來，及時調(diào)整鍍液的pH，補(bǔ)加pH 使用1:1 氨水進(jìn)行調(diào)整。

2.3 最佳溫度和pH 微觀形貌

化學(xué)鍍Ni-W-P 合金鍍層微觀形貌如圖3 所示，鍍層表面均由帶狀突起物構(gòu)成，鍍層表面致密，無明顯針孔和孔隙。

圖3 鍍層的掃描電鏡圖

3 結(jié)論

通過上述實(shí)驗鍍液pH 和實(shí)驗溫度的單因素實(shí)驗可以看到，施鍍溫度為80℃，施鍍pH 為8.0 鋁合金化學(xué)鍍鎳-磷-鎢復(fù)合鍍層最佳，此時孔隙率、最佳施鍍pH 為較低為0.64 個/cm2、顯微硬度可以達(dá)到640HV 以上。