氨基磺酸鹽鍍鎳工藝優(yōu)化

張偉華

（青島黃海學院，山東 青島266427）

0 前言

電鍍是基于電化學原理，在金屬或非金屬表面形成覆蓋層，以改善其表面狀況或強化其性能的工藝過程。電鍍涉及的工藝條件較多。由于各自的影響機制不盡相同，任一條件或多個條件的改變均會對電鍍效果造成影響［1-2］。

以獲得形貌平整、組織致密的鍍層為目的，本文開展氨基磺酸鹽鍍鎳實驗研究。以鍍鎳層的表面粗糙度為指標，優(yōu)選最佳工藝條件。

1 實驗

1.1 實驗材料

陽極為電解鎳，陰極為紫銅，兩者的面積比約為2∶1。

鍍液組成為：Ni（NH2SO3）2·4H2O 400g／L，NiCl2·6H2O 15g／L，CH3（CH2）11OSO3Na 0.1 g／L，H3BO350g／L。鍍液配制選用分析純的試劑，以蒸餾水為溶劑。

1.2 實驗設(shè)備

TL12-500CVC型可調(diào)穩(wěn)壓直流電源：調(diào)節(jié)電鍍過程中加載的電流密度。

HJ-5型多功能磁力攪拌器：調(diào)控鍍液溫度與攪拌強度。

MP511型pH 計：測定鍍液pH值。

1.3 測定與表征

采用Talysurf CLI 2000型三維表面形貌儀測試鍍鎳層的表面粗糙度。分別采用19JPC-V 型工具顯微鏡和JSM-6390型掃描電子顯微鏡觀察鍍鎳層的外觀與微觀組織。

2 結(jié)果與討論

2.1 工藝優(yōu)化

2.1.1 電流密度

電流密度對鍍鎳層表面粗糙度的影響，如圖1所示。由圖1可知：隨著電流密度的增加，鍍鎳層的表面粗糙度發(fā)生明顯的變化。電流密度低時，緩慢的電結(jié)晶過程導致電化學極化過電位較低，結(jié)晶粗化，鍍鎳層表面較粗糙。電流密度高時，電勢增大促使電化學極化程度增強，結(jié)晶細化，鍍鎳層表面趨于平整。但當電流密度接近極限電流密度時，鍍鎳層的表面粗糙度反而較大。這可能是由于電鍍過程液相傳質(zhì)受限造成的。綜合而言，適宜的電流密度為5～8A／dm2。

圖1 電流密度對鍍鎳層表面粗糙度的影響

2.1.2 鍍液溫度

鍍液溫度對鍍鎳層表面粗糙度的影響，如圖2所示。由圖2可知：隨著鍍液溫度的升高，鍍鎳層的表面粗糙度呈現(xiàn)遞增的趨勢，但幅度較小。鍍液溫度通過影響鎳離子的活性及電化學極化過電位，進而影響鍍鎳層的表面粗糙度［3］。隨著鍍液溫度的升高，鎳離子的活性增強，促使其加速遷移，還原進程加快。但結(jié)晶過電位隨鍍液溫度的升高而降低，致使形核數(shù)量減少，晶核生長加速。雖然鍍鎳層的表面粗糙度總體呈現(xiàn)遞增趨勢，但改變幅度較小。另外，溫度過高會造成鍍液中水分蒸發(fā)加快，不利于保持鍍液成分穩(wěn)定。對此，鍍液溫度控制在45～50℃。

圖2 鍍液溫度對鍍鎳層表面粗糙度的影響

2.1.3 鍍液pH值

鍍液pH值對鍍鎳層表面粗糙度的影響，如圖3所示。由圖3可知：隨著鍍液pH值的升高，鍍鎳層的表面粗糙度先減小后增大。鍍液pH值較低時，析氫幾率高，容易形成針孔等缺陷。鍍液pH值升高，促進鎳離子配位并增大結(jié)晶過電位，提高成核幾率，間接起到細晶強化效果，從而改善鍍鎳層的平整性。但當鍍液pH值過高時，可能造成鍍鎳層中夾雜副反應(yīng)生成的堿式鹽，表面狀況弱化［4］。

圖3 鍍液pH值對鍍鎳層表面粗糙度的影響

2.1.4 攪拌速率

攪拌速率對鍍鎳層表面粗糙度的影響，如圖4所示。由圖4可知：隨著攪拌速率的加快，鍍鎳層的表面粗糙度逐漸減小。這可從攪拌速率對液流傳質(zhì)過程的影響及對電結(jié)晶過程的影響兩方面作出解釋［5］。攪拌速率加快，液相流動加速，參與電極過程的主鹽傳質(zhì)進程自然加快，從而壓縮擴散層，減弱濃差極化，促使結(jié)晶細致，鍍鎳層表面趨于平整。

圖4 攪拌速率對鍍鎳層表面粗糙度的影響

2.2 確定最優(yōu)工藝參數(shù)

綜合上述分析，鍍鎳層的表面粗糙度隨電流密度的增加和鍍液pH值的升高均先減小后增大；隨攪拌速率的加快逐漸減小；隨鍍液溫度的升高總體增大，但幅度不明顯。

以制備形貌平整的鍍鎳層為目標并兼顧工藝實際，確定最佳的工藝條件為：電流密度8A／dm2，鍍液溫度45℃，鍍液pH值5.0，攪拌速率0.5m／s。

2.3 驗證最優(yōu)工藝參數(shù)

鍍鎳層的表面形貌和微觀組織，如圖5 所示。由圖5可知：鍍鎳層平整、光亮，無明顯的缺陷，并呈現(xiàn)出均勻致密的特征。

鍍鎳層的表面粗糙度測試結(jié)果，如圖6 所示。由圖6可知：鍍鎳層的表面粗糙度約為0.63μm，并且區(qū)域性差別較小。

圖5 鎳鍍層的表面形貌和微觀組織

圖6 鎳鍍層的表面粗糙度測試結(jié)果

綜合而言，最佳工藝條件下能夠獲得形貌平整、組織致密的鍍鎳層。

3 結(jié)論

以鍍鎳層的表面粗糙度為指標，考察了電流密度、鍍液溫度、鍍液pH值和攪拌速率對其的影響規(guī)律。優(yōu)選出最佳的工藝條件為：電流密度8A／dm2，鍍液溫度45℃，鍍液pH值5.0，攪拌速率0.5 m／s。在該條件下施鍍，獲得的鍍鎳層平整、光亮，表面粗糙度約為0.63μm，并且微觀組織致密。

［1］袁詩璞.第六講——電鍍的工藝條件［J］.電鍍與涂飾，2009，28（1）：43-46.

［2］張宏祥，王為.電鍍工藝學［M］.天津：天津科學技術(shù)出版社，2002.

［3］屈新鑫，葛文，楊倩，等.糖精濃度和鍍液溫度對納米晶鎳鈷合金電鍍層組織結(jié)構(gòu)和耐蝕性的影響［J］.材料保護，2013，46（10）：4-8.

［4］王劍峰，黃芳.工藝參數(shù)對電鍍鐵-磷合金鍍層性能的影響［J］.電鍍與精飾，2011，33（5）：35-38.

［5］朱曉東，李寧，黎德育，等.高速電鍍鋅工藝對鍍層粗糙度及微觀形貌的影響［J］.中國有色金屬學報，2005，15（1）：145-151.