工藝條件及鍍液雜質對瓦特鎳鍍層內應力的影響

胡　維,　王春霞,　周佑明,　胡小萍

(1.江西洪都航空工業集團有限責任公司 熱表處理廠，江西 南昌　330063； 　2.南昌航空大學 材料科學與工程學院,江西 南昌　330063； 　3.金川集團 金柯有色金屬有限公司，江蘇 昆山　215300)

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工藝條件及鍍液雜質對瓦特鎳鍍層內應力的影響

胡維1,王春霞2,周佑明3,胡小萍2

(1.江西洪都航空工業集團有限責任公司 熱表處理廠，江西 南昌330063； 2.南昌航空大學 材料科學與工程學院,江西 南昌330063； 3.金川集團 金柯有色金屬有限公司，江蘇 昆山215300)

摘要：為控制生產中瓦特鎳鍍層的內應力，利用條形陰極法測試了鍍液的溫度、pH及鍍液中的雜質等對瓦特鎳鍍層內應力的影響。結果表明，鍍鎳液θ為50℃，pH為4.0時，鍍層內應力最?。浑S著鍍液中Cu(2+)、Zn(2+)金屬雜質含量的增加，鍍層內應力均增加；另外，在生產中為降低鍍層的內應力，還需嚴格控制硫酸鎳品質。

關鍵詞:電鍍條件； 鍍液雜質； 內應力； 條形陰極法； 鍍鎳層

引言

任何材料中都有應力，電鍍層也不例外。由于鍍層的應力是電沉積本身形成的，而非施加外力引起的附加應力，應力集中在鍍層之中，所以電鍍層的應力稱為內應力。若鍍后不作消除應力的處理，則電沉積中產生的內應力始終存在，故又稱為剩余應力或殘余應力[1]。

鍍層的內應力在一定范圍內使鍍層的耐蝕性降低，尤其在應力突變的部位，容易產生應力集中的腐蝕，當內應力較大時，還會使鍍層出現起泡、開裂和局部脫落等現象，影響鍍層的結合強度[2-3]。在生產中，經常出現過高的內應力而使鍍層產生裂縫，甚至剝落，影響鍍層外觀、耐蝕性和結合力，從而影響到產品的合格率?；诖?，本文重點研究了鍍液的溫度、pH及鍍液中常見的雜質對鍍層內應力的影響，為后續生產提供依據，確保生產順利進行。

1實驗

1.1基材

實驗所采用材料為H68黃銅基材，其主要成分為67%～70%銅，鋅余量。試樣規格為100mm×10mm×0.25mm，彈性模量為88.9GPa，單面密封膠密封。

1.2鍍鎳工藝流程及溶液配方

電鍍瓦特鎳工藝流程及溶液配方為：

銅片除油→水洗→鍍鎳→取出試片水洗、吹干→測量試片偏轉量→測量鍍層厚度。

1)化學除油。20g/L NaOH，20g/L Na2CO3，20g/L Na3PO4·12H2O，4g/L Na2SiO3，1～3g/L OP-10乳化劑，t為3～5min，θ為50～60℃。

2)鍍鎳。270g/L NiSO4·7H2O，50g/L NiCl2·6H2O，35g/L H3BO3，θ為50℃，pH為4.0，Jκ為1A/dm2，t為1h，陽極采用鎳板。

根據廠家提供的資料，移動消防炮額定壓力為0.8MPa，額定射程為60m，在工作壓力為0.7MPa時，射程約為52～55m，滿足本項目的消防要求。

1.3鍍層內應力測試

采用條形陰極法，條形陰極為100mm×10mm×0.25mm的銅片，單面密封膠密封，經除油水洗后，上端固定，下端為自由端，在一定的條件下電鍍后，取出試片，水洗吹干，利用坐標紙準確測量試片偏轉量，再利用測厚儀測量試片鍍層的厚度，通過內應力計算公式計算內應力大小[4]。這種條形陰極法測得的內應力是一個半定量性質的。表達公式如下[5]：

式中：F為鍍層內應力，MPa；E為基體材料彈性模數，MPa；t為試片厚度，mm；d為鍍層平均厚度，mm；L為試片電鍍面的長度，mm；Y為試片自由端偏轉幅度，mm。

施鍍過程中，固定銅片的上端，下端為自由端，采用坐標紙測量銅片的偏轉量，利用DJH電解式測厚儀(武漢材保所)測試鍍層厚度。

2結果與討論

2.1工藝參數對鍍層內應力的影響2.1.1溫度的影響

為研究溫度對鍍層內應力的影響，實驗固定鍍液的工藝參數Jκ為1A/dm2，pH為4.0，t為1h，利用條形陰極法測試鍍液θ為40、45、50、55和60℃時，鍍層的內應力，結果見圖1。

圖1　溫度對鎳鍍層內應力的影響

由圖1可知，鍍鎳層的內應力與溫度的關系很明顯，鍍液θ由40℃升至50℃時，鍍層內應力增加，而由50℃升至60℃時，鍍層內應力減少，50℃時鍍層內應力最大。

鍍層內應力產生的原因在于金屬沉積過程中外來物質的夾雜或鍍層組織結構發生變化引起的晶格畸變和晶粒結構變化所致，鍍液溫度的升高使鍍層的組織發生了變化，當θ低于或等于40℃時，織構軸取向為[210]，50℃時，織構軸取向是[100]，這種晶粒生長的差異，影響著鎳沉積層的內應力[6]。

2.1.2pH的影響

為研究pH對鍍層內應力的影響，實驗固定工藝參數Jκ為1A/dm2，θ為50℃，t為1h，利用條形陰極法測試了鍍液pH為3.0、3.5、4.0、4.5和5.0時，鎳鍍層的內應力，結果見圖2。

圖2　pH對鎳鍍層內應力的影響

從圖2可以看出，pH對鍍層的內應力有影響，但影響程度比溫度小，在pH=4.0時，鍍層內應力為最小。這主要是由于鍍液pH在3.4～4.5之間時，隨著pH增大，鍍層析氫困難，使得晶格扭曲降低，鍍層內應力降低；鍍液pH在4.0～5.0之間，隨著鍍液的pH升高，鍍液易產生氫氧化鎳夾雜鍍層中，會引起鍍層內應力增大。所以為減小鎳鍍層的內應力，瓦特鎳鍍液的pH一般應控制在4左右。

2.2鍍液中雜質對內應力的影響

金屬雜質離子是影響鍍鎳層內應力的最復雜因素。因其在生產過程中難以時時監控，不同于鍍液溫度、pH及其他參數可在線監控，金屬雜質往往是在其積累到一定量后才出現故障，而一旦出現故障，排除較困難。

實驗固定工藝參數Jκ為1A/dm2，θ為50℃，t為1h，分別利用單因素實驗研究了鍍液中常見的Cu2+和Zn2+雜質對鍍層內應力的影響，結果見圖3。

圖3　雜質對鍍層內應力的影響

從圖3可以看出，雜質對鍍層內應力的影響遠大于工藝參數的影響，隨著鍍鎳溶液中銅離子和鋅離子含量的增加，鍍層的內應力均不斷增大，這是因為微量的雜質會影響電結晶過程沉積出的鍍層的晶界，鍍層中位錯的數量、類型和分布，鍍液中的雜質在沉積層中夾雜，這種夾雜會使晶格產生歪曲，雜質夾雜在鍍層晶格中引起晶格參數的增大，致使鍍層內應力也不斷增大[7-8]。

2.3硫酸鎳對鍍層內應力影響

硫酸鎳是鍍鎳電解液的主鹽，其質量濃度為250～300g/L，在生產過程中因其不斷消耗，使得鍍液中硫酸鎳含量不斷降低，需分析補加。生產中因多次補加硫酸鎳，而使鍍層的應力增大，彎折實驗發現鍍層易斷裂。為此，測試了市場上5種品牌硫酸鎳配置的瓦特鎳液的鍍層內應力，工藝參數Jκ為1A/dm2，θ為50℃，pH為4.0，t為1h，其結果如圖4所示。

圖4　不同品牌的硫酸鎳對鍍層內應力的影響

從圖4可以看出，五種品牌硫酸鎳配置的瓦特鍍鎳液，其內應力有較大差異，其中C和E品牌所得鍍鎳層內應力最小，D品牌所得鍍鎳層內應力最大。因施鍍過程中，各工藝條件均保持一致，可以認定硫酸鎳中的雜質是使鍍層內應力不同的主要原因。

另外，在由各種品牌硫酸鎳配置濃縮液過程中，還發現鍍層內應力較大的鍍液，其表面有大量氣泡，可能是硫酸鎳所含有機物稍多所致，所以在生產中，為減小鍍層內應力，必須選擇雜質較少的硫酸鎳，確保鍍件質量。

3結論

1)瓦特鍍鎳液θ為50℃，pH=4.0時，鍍鎳層內應力最小。

2)隨著鍍液中Cu2+、Zn2+金屬雜質含量的增加，鍍層內應力均增加。

3)在實際生產中，不同品牌的硫酸鎳影響鍍層的內應力。

參考文獻

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[2]Lian K,Jiang J C,Ling Z G.Processing-microstructure-resulting materials properties of LIGA Ni[J].Microsystem Technologies,2007,13(3):256-264.

[3]魏杰,蘇榮軍,周定,等.電鍍鎳新工藝的研究[J].哈爾濱工業大學學報,1998,8(30):55-61.

[4]殷立濤,任鳳章,馬戰紅,等.原位彎曲陰極法測量不同基體上電沉積銅膜和鎳膜的內應力[J].電鍍與精飾,2006,29(3):16-19.

[5]成都市科學技術交流站.電鍍技術[M].成都：四川人民出版社,1976:562.

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[8]曾祥德.影響亮鎳鍍層應力腐蝕因素分析[J].表面處理,2008,7(4):13-18.

The Influence on the Watt Nickel Internal Stress by Process Conditions and Impurities in Plating Solution

HU Wei1, WANG Chunxia2, ZHOU Youming3, HU Xiaoping4

(1.Jiangxi Hongdu Aviation Industry Group Co.,Ltd.hot surface treatment plant,Nanchang 330063,China;2.Nanchang Hangkong University, Material Science and Engineering,Nanchang 330063,China;3.Jinchuan Group Jinco Nonferrous Metals Co.,Ltd,Kunshan 215300,China)

Abstract:The effects of temperature,pH and impurities on the watt nickel internal stress were tested by the strip cathode method in order to control the internal stress of watt nickel films in production.The results showed that the plating internal stress was the smallest when watt nickel plating solution was at 50℃ and pH=4.0.As the concentration of Cu(2+) and Zn(2+) increasing,the plating internal stress was all enhanced.In addition,the quality of nickel sulfate should be strictly controlled in order to reduce the plating internal stress in the production.

Keywords:plating conditions;impurities in plating solution;internal stress;strip cathode method;nickel coatings

中圖分類號：TQ153.2

文獻標識碼：B

基金項目：校企合作項目(2011-01-060)

收稿日期：2015-12-03修回日期： 2015-12-25

doi：10.3969/j.issn.1001-3849.2016.04.007