鉬絲表面鍍鉑工藝的研究

孫傳富， 劉新慶， 邵忠財

（1.駐672廠軍代室，黑龍江 齊齊哈爾161000；2.沈陽理工大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧 沈陽110159）

0 前言

鉬及鉬合金屬于耐高溫材料，但鉬材表面所生成的氧化膜毫無保護(hù)作用，因此，在高溫環(huán)境下會產(chǎn)生強(qiáng)烈的氧化［1-3］。用于電子材料領(lǐng)域的鉬片，通常是在其上鍍鉑以改善鉬片材料的導(dǎo)電性能、耐熱性能、釬焊性能，并減少或防止材料的氧化［4-6］。由于鍍鉑層具有優(yōu)良的耐熱性、耐蝕性、裝飾性和催化性等性能，已廣泛應(yīng)用于理化器具、電工材料、電鍍電極、玻璃工業(yè)材料、化工、汽車排氣觸媒以及裝飾品等領(lǐng)域中。另外，為了減少資源消耗，在很多行業(yè)中又進(jìn)行了鉑的回收利用［7-8］。

在鉬片上鍍鉑難度較大，直接鍍鉑往往黏附不牢，通常需要采用多層鍍并進(jìn)行擴(kuò)散退火，工藝較為繁瑣。本實驗通過先在鉬基體上電鍍其他金屬，再在其表面鍍鉑，來提高鍍層的結(jié)合力和耐磨性。

1 實驗

1.1 氯鉑酸的配制

將鉑屑溶于王水中，用水浴蒸干，再用濃鹽酸潤濕沉淀后蒸干，如此重復(fù)3次，最后溶于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的鹽酸中，即得到氯鉑酸。

1.2 工藝流程

1.3 酸性鍍鉑溶液配方

H2PtCl6（以Pt計）10g／L，K2SO450g／L，K2SO31.0g／L，pH值（用H2SO4調(diào)整）1.0。

1.4 鍍層性能測試

（1）結(jié)合力

采用彎曲法檢測鍍層與基體的結(jié)合力。將試樣沿一直徑等于試樣厚度的軸反復(fù)彎曲180°，直至試樣與基體斷裂，按鍍層起皮、脫落的程度來衡量其結(jié)合力。

（2）厚度

先將試片用清洗劑除油，干燥后稱出質(zhì)量m1（g）；再將試片按要求進(jìn)行施鍍，干燥后稱出質(zhì)量m2（g）。按下式計算鍍層厚度：

式中：d為鍍層厚度，μm；S為試片的表面積，cm2；ρ為鍍層的密度，g·cm-3。

（3）表面形貌

采用日立Hitachi S-4800型冷場發(fā)射電子顯微鏡觀察鍍層的表面形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 工藝條件對鍍層結(jié)合力的影響

選取電流密度為1，3，6，9，12mA／dm2進(jìn)行實驗。結(jié)果表明：隨著電流密度的增加，鍍層的結(jié)合力提高；但當(dāng)電流密度達(dá)到6mA／dm2后，鍍層的結(jié)合力下降。增加電流密度引起晶粒尺寸減小，晶粒之間的結(jié)合變得緊密。這是因為鍍層晶粒的大小是晶核生成和晶核成長這兩個過程相互作用的結(jié)果，當(dāng)晶體的成核速率大于晶體的成長速率時，鍍層晶粒較細(xì)膩。

鍍層的結(jié)合力隨著溫度的升高而增大。這主要是因為：在其他條件相同的情況下，升高鍍液溫度，會使金屬離子的擴(kuò)散速率加快，濃差極化降低，導(dǎo)致陰極極化降低；同時，由于鍍液溫度升高，離子脫水過程加快，離子和陰極表面的活性增強(qiáng)，電化學(xué)極化降低，陰極反應(yīng)加快，所以陰極極化也就降低，從而使鍍層結(jié)晶變粗。

隨著電鍍時間的增加，鍍層的結(jié)合力提高；但當(dāng)電鍍時間達(dá)到15min后，鍍層的結(jié)合力下降。這是由于隨著電鍍時間的增加，峰處晶體向谷處生長，使棱變得粗大而溝槽明顯縮小，整個鉬絲表面趨于平整。此時晶粒尺寸變得很小，且不再隨時間而變化。

對電流密度、溫度、電鍍時間這三個因素進(jìn)行正交實驗，確定鍍鉑的最佳工藝條件為：6mA／dm2，室溫，15min。得到的鍍層與基體結(jié)合良好，測得鍍層厚度為5μm。

2.2 鍍層的表面形貌

對于鍍鉑的試片，研究其鍍層性能，推測鉑離子在鉬絲表面隨時間的沉積情況。圖1為在最佳工藝條件下電鍍15min和30min后，所得鍍鉑層的表面形貌。

剛開始的時候，電荷集中在棱上；隨著時間的推移，棱表面趨于光滑，電荷也向谷處移動；直到最后整個鉬絲表面都變得光滑。晶粒尺寸的變化也可以歸結(jié)到電荷分布的變化上來。雖然電荷首先集中在棱上，但棱并不是完全光滑的，棱上往外凸的那些地方電荷相對較多，鉑晶體首先在那些地方生長，長成大微粒時輪廓變得模糊，此時鍍層出現(xiàn)裂紋，結(jié)合力變?nèi)酢?/p>

圖1 不同時間下鍍鉑層的表面形貌

2.3 鍍鎳時電流密度對鍍層的影響

為了進(jìn)一步提高鍍鉑層與基體的結(jié)合力，同時節(jié)約成本，采用酸性鍍鎳。鍍液組成為：氯化鎳240 g／L，鹽酸100mL／L。研究了鉬表面電鍍鎳的工藝，同時以此為鍍鉑的中間層。

選取電流密度為4，7，9，12，15mA／dm2進(jìn)行鍍鎳實驗。結(jié)果表明：隨著電流密度的增加，鍍鎳層外觀先逐步增亮；當(dāng)電流密度增加到12mA／dm2以后，鍍層外觀出現(xiàn)燒焦的黑色。這是由于電流密度過大，鍍片的面積較小，單位面積上的沉積速率過快，導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)上不能承受。隨著電流密度的增加，鍍層厚度增加，鍍層的結(jié)合力降低。這是因為在基體表面沉積的鎳離子過多，離子之間相互排斥，晶間力增大，鍍層不穩(wěn)定。因此，鍍鎳時最優(yōu)電流密度應(yīng)選擇9mA／dm2。

電流密度固定為9mA／dm2時，隨著電鍍時間的增加，鍍層外觀先變亮后變暗，鍍層厚度有所增加，結(jié)合力也是先增大后減小；電鍍時間為20min時，鍍層與基體的結(jié)合力達(dá)到最大值。這是因為隨著電鍍時間的增加，金屬離子在基體表面沉積的時間增加，能夠使鍍層厚度有所增加；但是鍍層增加到一定厚度時，晶間力增大，晶體互相排斥，這就導(dǎo)致結(jié)合力的降低。外觀變黑是由于沉積電流密度過大，導(dǎo)致鍍層表面燒焦。

選取溫度為20，25，30，35℃進(jìn)行實驗。結(jié)果表明：溫度對鍍層結(jié)合力的影響不大。為簡化工藝，選取溫度為室溫。

在電流密度9mA／dm2，室溫的條件下，對試樣進(jìn)行鍍鎳后，按最佳工藝條件在鍍鎳表面鍍鉑，雙金屬鍍層的厚度為13μm。采用彎曲實驗進(jìn)行檢測后發(fā)現(xiàn)：鍍鉑的試片表面有起皮、發(fā)泡的現(xiàn)象，鍍鎳／鉑的試片表面沒有起皮現(xiàn)象。這表明采用預(yù)鍍鎳的方法制備的Ni／Pt鍍層與基體的結(jié)合力明顯優(yōu)于單獨Pt鍍層與基體的結(jié)合力。

3 結(jié)論

（1）鍍鉑的最佳工藝條件為：H2PtCl6（以Pt計）10g／L，K2SO450g／L，K2SO31.0g／L，pH值（用H2SO4調(diào)整）1.0，6mA／dm2，室溫，15min。得到的鍍層與基體結(jié)合良好，測得鍍層厚度為5 μm。鍍鎳的最佳工藝條件為：9mA／dm2，室溫，20 min。

（2）先在鉬表面預(yù)鍍鎳，然后再鍍鉑，能夠提高鍍鉑層的結(jié)合力。

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