铝合金化学镀镍工艺对镀层沉积速度的影响

铝及其合金由于其优良性能,已广泛应用于建筑、航天、电器、电子产品及日用品等各个方面,其产量和用途均已成为仅次于钢铁的第二大金属材料。随着现代科技的发展,对铝合金表面性能的要求越来越高,如耐蚀性、耐磨性和装饰性等等,铝合金表面处理技术正是在这种背景下产生并不断发展的[1 3]。 　　铝合金的表面处理方法主要有电镀、化学镀、化学氧化、阳极氧化及微弧氧化等,其中化学镀镍的应用比较普遍。铝合金化学镀镍可以改善其耐蚀性和耐磨性,使其具有钎焊性。但是,铝合金在大气中形成的氧化膜与金属镀层结合不好,要想获得良好的镀层必须彻底去除表面氧化膜并使之在化学镀镍前不再形成,这是铝合金化学镀镍的一个难点,铝合金也因此被视为“难镀”基材之一。目前,化学镀镍在难镀基材方面的工艺尚有待改进[4 9]。本文采用特殊方法对铝合金进行前处理,通过正交试验确定铝合金化学镀镍工艺条件。测试镀层的沉积速度、结合力、耐蚀性及孔隙率。
　 　1　化学镀镍试验
　　 1.1　工艺条件优化
　　试验在恒温水浴中进行,采用立式搅拌机进行搅拌,转速为250ｒ ｍｉｎ～500ｒ ｍｉｎ,用ｐＨＳ 25酸度计精确测定镀液ｐＨ值。试验材料为直径3ｍｍ的铝合金棒材。
　　将试验温度控制在80℃～85℃,然后以镍盐、还原剂及络合剂的含量和镀液ｐＨ值为主要因素,在单因素试验基础上进行四因素三水平正交试验[10 11],考察指标为镀层沉积速度。然后以优选工艺加工试样,并进行性能测试。
　　 1.2　工艺流程
　　每次试验按如下工艺流程进行:化学除油→冷水洗→碱蚀→冷水洗→特殊处理→冷水洗→蒸馏水洗→化学镀镍→冷水洗→热水洗→干燥→热处理。
　　特殊处理液由无机酸和氧化剂组成,无机酸:150ｍＬ Ｌ;氧化剂:75ｍＬ Ｌ;室温处理20ｍｉｎ。
　　 1.3　性能测试
　　试验结束在扫描电镜下观察镀层截面,测量镀层厚度,用镀层厚度值除以镀覆时间,得出反应沉积速度,此为平均镀速。按ＧＢ-Ｔ13913-92的相关规定,采用热震试验检查镀层结合力,用浓硝酸试验和浸泡试验检测试样的耐蚀性[12]。
　　 2　结果与讨论
　　 2.1　单因素试验
　　2.1.1　硫酸镍浓度的确定
　　硫酸镍浓度是影响镀层沉积速度的主要因素。随着硫酸镍浓度的升高,镀层沉积速度会加快,但在乳酸体系的化学镀镍溶液中,这种趋势不是很明显。试验得知,当硫酸镍含量达到30ｇ Ｌ以后,镀层表面粗糙,镀液自分解现象严重,容器壁上有镍沉积。另外,硫酸镍浓度的升高,镀层结合力和耐蚀性增大,因此,镀液中的硫酸镍含量控制在20ｇ Ｌ～30ｇ Ｌ。
　　2.1.2　次亚磷酸钠浓度的确定
　　次亚磷酸钠浓度主要对镀层沉积速度和耐蚀性产生影响。在一定的ｐＨ值范围内,次亚磷酸钠浓度增加,镀层沉积速度加快,但在试验过程中,如果次亚磷酸钠的含量过高,镀液不稳定,易使镀层粗糙或形成暗镀层。次亚磷酸钠含量控制在20ｇ Ｌ～30ｇ Ｌ。
　　2.1.3　乳酸浓度的确定
　　加入乳酸后,镀液通常比较稳定,因为镍离子与乳酸中的两个配位体生成配位键,使络离子具有环状结构,即生成了内络合物[11]。当镀液中存在乳酸时,镀速随着乳酸浓度的提高而增加,达到最大值以后,乳酸浓度继续增加,镀速降低。乳酸的加入,还可以使镀层的外观得到改善,使镀液工作ｐＨ值提高[7]。通过试验,乳酸的用量确定15ｍＬ Ｌ～25ｍＬ Ｌ。
　　2.1.4　ｐＨ值的确定
　　ｐＨ值同样会影响镀层沉积速度。ｐＨ值低于3时,化学镀镍反应很难发生;ｐＨ值高于6,镀液自分解严重,施镀过程中ｐＨ值下降快,镀层表面出现大量气孔。ｐＨ值控制在4.5～5.5时,镀液稳定,镀层光滑平整。
　　 2.2　正交试验及结果
　　表1及表2是正交试验因素水平表及极差分析结果。由表2可知,各影响因素的主次顺序为:Ａ>Ｂ(Ｃ)>Ｄ,其最佳工艺条件为Ａ3Ｂ3Ｃ1Ｄ2,即:硫酸镍30ｇ Ｌ,次亚磷酸钠30ｇ Ｌ,乳酸15ｍＬ Ｌ,ｐＨ5.0。


　　2.3.1　特殊处理对镀层表面状态的影响
　　可以看出,特殊处理后试样表面形成了细小的均匀分布的蜂窝,这些蜂窝可以作为镀层的沉积点,使镀层与基体间结合更紧密。随着处理时间的延长,蜂窝分布更加均匀,但处理时间超过30ｍｉｎ后,基体腐蚀量加大。目测镀层完整,光亮,无针孔、气泡、阴阳面等表面缺陷,在扫描电镜下观察,镀层表面为均匀的球形胞状物,光滑致密,说明特殊处理后留下的空穴不会影响镀层的表面质量。
　　2.3.2　镀层厚度
　　及沉积速度图2是经过热处理后的镀层断面的扫描电镜图像,镀覆2ｈ后镀层厚度为25.3μｍ,用镀层厚度除以镀覆时间即得沉积速度,所以镀层沉积速度为12.6μｍ ｈ。
　　2.3.3　结合力试验结果
　　同样由图2可以看出镀层与基体间没有出现缝隙,说明二者结合力良好。因为在对镀层进行热处理时,发生了原子互扩散,导致非晶与微晶发生重结晶,生成金属镍的晶胞和金属间化合物,这些金属间化合物引起镀层的硬化;随着热处理的持续,镀层与基体间的互扩散使二者结合力得到改善,而且低温热处理还可以提高镀层的耐蚀性,消除部分内应力[13-14]。
　　2.3.4　耐蚀性测定
　　在开始阶段,试样腐蚀速度较慢,48ｈ后试样周围有白雾出现,72ｈ后,在试样的棱角处可以观察到有腐蚀液渗透的痕迹,腐蚀速度有加快的趋势,因为在化学镀镍过程中,存在边缘效应。镀层生长方向是沿“台阶”向前推进,如果基体存在较锐的棱角,镀层就会在此处优先生长;而镀层的加厚,则是靠层与层的重叠来完成的[15]。随着镀层重叠次数增多,以及层与层之间的参差排列,在试样边缘就形成了层状组织,而容易被优先腐蚀。浸泡96ｈ后,镀层主要表面没有出现鼓泡或起皮现象,说明耐化学腐蚀性良好。用硝酸点滴法测试时,试样表面变色时间为47ｓ,达到了耐腐蚀性的要求。
　　 3　结　论
　　(1)本试验所采用的前处理工艺操作简单,克服了传统的“二次浸锌”方法流程复杂的缺点,满足镀层表面质量及结合力要求,处理液可以反复使用,而且不会污染环境。
　　(2)试验优选出了沉积速度较快且镀层性能良好的铝合金化学镀镍工艺:硫酸镍,30ｇ Ｌ;次亚磷酸钠,30ｇ Ｌ;乳酸,15ｍＬ Ｌ;ｐＨ,5.0。
　　(3)采用优选工艺获得的镀层表面光亮,均匀完整,结合力和耐蚀性良好。
　 　参考文献:
　　[1]　杨绮琴.铝及其合金的表面处理[Ｊ].广东有色金属,1993,(3):74-79.
　　[2]　路贵民,王兆国,李冰.铝合金腐蚀与表面处理[Ｍ].沈阳:东北大学出版社,2000.