鋁合金化學鍍Ni-Cu-P 沉積速度的研究

李思良 龍 華(蘭州理工大學石油化工學院，甘肅 蘭州730050)

鋁和鋁合金具有密度小、延展性好、導熱導電性能好、比強度高、斷裂韌度高、易加工等優(yōu)點，廣泛應用于機械制造、電力、電子、電氣、汽車、輕工、建筑等行業(yè)[1-3]。但同時也存在硬度低、耐磨性、耐腐蝕性差等缺陷，使其應用受到一定限制。化學鍍Ni-Cu-P 合金鍍層具有良好的耐磨性和耐蝕性，因而得到廣泛的利用[4]。本文主要研究了主鹽、絡合劑及工藝參數(shù)對鍍層沉積速率的影響，并對鍍層表面形貌、結合強度以及鍍層的耐蝕性等進行了考察，得到了鋁合金基體化學鍍Ni-Cu-P 的優(yōu)化工藝參數(shù)。

1 實驗

1.1 實驗材料

采 用35 mm×20 mm×3．0 mm 的6063鍛造鋁合金試樣進行化學沉積，其基本化學組成(質 量 分 數(shù)) 為0.2% ～0.6% Si，0.45% ～0.9%Mg，0.1% Cu，0.35% Fe。

1.2 工藝流程

砂紙打磨試樣→水洗→堿洗→熱水洗→冷水洗→活化→一次浸鋅→水洗→退鋅→水洗→二次浸鋅→水洗→退鋅→水洗→純水洗→吹干→稱重→化學鍍鎳銅磷合金→水洗→吹干→檢測。其中，堿洗溶液組成為：Na3PO330g／L，Na2CO335g／L，十二烷基磺酸鈉5g／L，溫度75℃， 時 間5min； 活 化 組 成：10%HNO3溶 液， 室溫下活化20-30 s；浸鋅溶液組成為：ZnO 105g／ L，NaOH 500g ／ L，KNaC4H4O612g ／ L，F(xiàn)eC13 1.5 g／L，溫度為室溫。第一次浸鋅時間為30～45 S，第二次浸鋅時間為15～20 S。為進一步提高鍍層與基體之間的結合強度，浸鋅后用1：1 硝酸(體積比)在室溫下進行退鋅處理，時間為l5 ～20 S。采用氨水調節(jié)鍍液的pH 值，采用pHS-25 型酸度計對溶液pH 值進行測定；采用DK-98-1 型數(shù)顯恒溫水浴鍋控制鍍液溫度。

1.3 鍍層性能測試

1.3.1 鍍層沉積速率測定

采用增重法，即通過稱量試樣鍍前鍍后的質量，根據(jù)鍍層密度計算：

鍍速 = [(m1-m2)/(7.8s)]×104 ，式中m1 、m2 為施鍍前后試片質量，g；7.80 為鍍層質量密度，g／cm3；S 為試片面積，cm2。采用TG 328A 電光分析天平稱量試樣施鍍前后的質量。

1.3.2 鍍層結合強度

采用熱震法定性檢測鍍層的結合情況[5]。將鍍覆有鍍層的鋁合金試樣經200℃ 烘烤120 min，然后迅速冷卻，觀察鎳銅磷合金鍍層是否有局部剝離、起泡、起皮等不良現(xiàn)象。

1.3.3 鍍層孔隙率

將25 g 鐵氰化鉀和15g 氯化鈉溶于1L 蒸餾水中，充分攪拌后待用。在25℃的上述溶液中，將試樣浸泡30s。取出試樣，立即水洗，并在空氣中干燥，存在孔隙的部位將出現(xiàn)明顯可見的藍點，計算出單位面積上藍點的數(shù)量(個／cm2)[6]。

1.3.4 鍍層耐蝕性

在室溫下，將鍍覆有鍍層的鋁合金試樣一半浸入濃硝酸中，另一半暴露于空氣中，記錄試樣表面出現(xiàn)第一個變色點的時間(s)[7]。

2 結果與討論

2.1 工藝參數(shù)的影響

2.1.1 溫度的影響

圖l 溫度對Ni-Cu-P 鍍層沉積速度的影響

圖1 表明，沉積速度隨溫度升高而迅速提高。但溫度過高會引起鍍液蒸發(fā)速度快，鍍液成分難以控制，鍍液性能惡化。為了得到高的沉積速率，又保證溶液的穩(wěn)定性，因此，最適宜的溫度定為60 ～70℃溫度范圍之間，鍍液既有較快反應速度又有較好穩(wěn)定性能。

2.1.2 pH 值的影響

圖2 pH 值對Ni-Cu-P 鍍層沉積速度的影響

圖2表明，鍍層沉積速度隨鍍液pH 值增大而增加。pH 值為5.0 ～6.0 范圍之間，鍍液有較好平穩(wěn)的沉積速度。

2.2 主鹽的影響

2.2.1 硫酸銅的影響

由圖3 可見，濃度在2.5-5g/L 的區(qū)域內時，鍍層的沉積速率平穩(wěn)。

圖3 CuSO4 含量對Ni-Cu-P 鍍層沉積速度的影響

2.2.2 次亞磷酸鈉的影響

圖4 NaH2 PO2 含量對Ni-Cu-P 鍍層沉積速度的影響

次磷酸鈉是整個化學反應過程的還原劑。圖4 表明NaH2PO2質量濃度為20g/L 時鍍液的沉積速率最快。

2.3 混合絡合劑的影響

圖5 C4O6H2KNa 含量對Ni-Cu-P 鍍層沉積速度的影響

圖5 是保持絡合劑（檸檬酸鈉和酒石酸鉀鈉）的總量在30g/L 不變，改變酒石酸鈉在其中的量而測得。隨著絡合劑量增加，鍍速隨之增加而增大，達到一個最大值后開始下降。結果表明，C4O6H2KNa 含量5g/L 時，鍍層具有較大的沉積速度。綜上所述，本實驗確定鋁合金的化學鍍Ni-Cu-P 工 藝 為：NiSO4·6H2O：20g/L、CuSO4：3g/L、NaH2PO2·H2O：20g/L、 檸 檬 酸 鈉：25g/L、酒石酸鉀鈉：5g/L、氟化鈉：1g/L、T：60 ～70℃、pH：5.0 ～5.5。

3 鍍層性能研究

3.1 外觀檢驗

以上多次實驗表明采用絡合劑的鍍層光亮度比較好，表面均勻，沒有針孔、麻點、起皮、脫落、斑點、分層、樹枝狀結晶等缺陷。

3.2 鍍層耐蝕性能

本實驗中采用濃硝酸滴在試件表面，然后觀察試件表面變色的時間，觀察結果如表1。

表1 濃硝酸變色時間

3.3 鍍層孔隙率的測定

本實驗鍍層孔隙率的測定結果見表2。

表2 鍍層的孔隙率

從表中看出，隨著施鍍時間的增加，鍍層厚度變厚。當施鍍時間為1 小時后，耐蝕性達到最大，孔隙率為0。

3.4 鍍層結合力

根據(jù)金屬鍍層的結合強度測試方法。經放大鏡檢查，沒有發(fā)現(xiàn)鼓泡、起皮或脫落等現(xiàn)象。

4 結論

本實驗研究確定了Ni-Cu-P 合金的化學鍍工 藝 為：NiSO4·6H2O：20g/L、CuSO4：3g/L、NaH2PO2·H2O：20g/L、 檸 檬 酸 鈉：25g/L、 酒石酸鉀鈉：5g/L、氟化鈉：1g/L、T：60 ～70℃、pH：5.0 ～5.5、t：1h。

采用此工藝獲得的鍍層表面光亮，均勻完整，孔隙率小，結合力和耐蝕性良好。

[1]潘復生，張丁非.鋁合金及應用[M].北京：化學工業(yè)出版社，2006.

[2]Kurt M，Kaynak Y，Bagci E.Evaluation of drilled hole quality in 2024 A1 alloy[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2008，37(11)：l051-1060.

[3]Zamponi C H，Sonneberger S T，Haaks M，et a1.Investigation of fatigue cracks in aluminium alloys 2024 and 6013 in laboratory air and corrosive environment[J].Journal of Materials Science，2004，39(23)：6 951-6 956.

[4]胡文彬，劉磊，仵亞婷.難鍍基材的化學鍍鎳技術[M].北京：化學工業(yè)出版社，2003.

[5]GB 5933-86，輕工產品金屬鍍層的結合強度測試方法[s].

[6]盧亞輝，黃燕濱.化學鍍非晶態(tài)N-P 鍍層孔隙率及其結構研究[J].中國表面工程，2002，(3)：41.

[7]尹國光，潘小芳，陳延民.鋁合金化學鍍鎳工藝研究[J].材料保護，2004，31(1)：30-32