電鍍槽液基本性能試驗(yàn)介紹

王晴晴，崔 軍，程宗輝，皮志超

（國(guó)營(yíng)蕪湖機(jī)械廠，安徽 蕪湖241007）

航空維修標(biāo)準(zhǔn)工藝中的鍍覆層質(zhì)量控制指標(biāo)主要是外觀、結(jié)合力、氫脆性、孔隙率等。影響以上指標(biāo)的因素分為槽液的外部和內(nèi)部?jī)深悾渲胁垡罕旧淼男阅苁亲罡竞椭苯拥摹ｅ儗硬垡盒阅馨ǚ稚⒛芰Α⒏采w能力、整平能力、內(nèi)應(yīng)力等。分散能力是指電鍍液能使鍍層的厚度在被鍍覆零件表面均勻分布的能力，也叫均鍍能力[1]。測(cè)定方法主要有哈林槽法、彎曲陰極法、赫爾槽法。覆蓋能力是指在一定電解條件下使沉積金屬在陰極表面全部覆蓋的能力，也叫深度能力，是指鍍層在被鍍零件上分布的完整程度[2]。測(cè)試方法有直角陰極法、平行陰極法、內(nèi)孔法、凹穴試驗(yàn)法。整平能力是指鍍層將具有微觀粗糙的金屬表面填平的能力，填平程度決定于鍍層在微觀粗糙金屬表面上的分布，也稱其為微觀分散能力[3]。測(cè)定方法主要有旋轉(zhuǎn)圓盤電極法、假正弦波法、粗糙度儀法。內(nèi)應(yīng)力是由電沉積過程中不平衡的結(jié)晶過程所產(chǎn)生的[4]，因鍍層沉積在基體表面，無外加作用力時(shí)鍍層也一直處于被拉伸或壓縮狀態(tài)。測(cè)試方法有幻燈投影法、電阻應(yīng)變儀法、螺旋式收縮儀法、X射線衍射法。

在航空修理標(biāo)準(zhǔn)中，上述基本性能雖不是常規(guī)考核及檢驗(yàn)指標(biāo)，但它們?cè)谝欢ǔ潭壬嫌绊懼儗拥谋砻尜|(zhì)量。作為航空修理單位，須加以掌握和控制。本文以某種鍍鎳工藝為例，分別研究了其分散能力、覆蓋能力、整平能力、內(nèi)應(yīng)力大小，詳細(xì)敘述了試驗(yàn)過程并作了簡(jiǎn)要分析。當(dāng)鍍層表面質(zhì)量發(fā)生異常時(shí)，參考該試驗(yàn)方法及過程，開展一定實(shí)驗(yàn)和分析，將異常狀態(tài)下的結(jié)果與正常情況下的對(duì)比，找出鍍液的問題所在，并對(duì)癥下藥。通過控制鍍液基本性能指標(biāo)，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

1 試驗(yàn)過程

1.1 鍍鎳液組成

硫酸鎳（NiSO4·7H2O）化學(xué)純(120～135)g/L，硫酸鎂（MgSO4·7H2O）化學(xué)純（36～46）g/L，氯化鈉（NaCl）化學(xué)純（9～19）g/L，硫酸鈉（Na2SO4·10H2O）化學(xué)純（30～60）g/L，硼酸（H3BO3）化學(xué)純（10～15）g/L，溫度為（18～35）℃，陽極為NY1或NY2。

1.2 測(cè)試方法

1.2.1 分散能力

采用赫爾槽試驗(yàn)法測(cè)試鍍鎳槽液分散能力。赫爾槽體積250mL，試驗(yàn)件為黃銅，大小100mm×75mm×0.5mm，背面絕緣，電流強(qiáng)度為1A，時(shí)間10min，溫度24℃。鍍覆完成后將表面平均分成10個(gè)部分，如圖1所示，采用X射線鍍層測(cè)厚儀分別測(cè)量1至8號(hào)區(qū)域的鎳層厚度δi為δ1～δ8。根據(jù)T=100%×δi/δ1計(jì)算分散能力大小。

圖1 赫爾槽試驗(yàn)裝置（左）及試片（右）

1.2.2 覆蓋能力

本文采用內(nèi)孔法測(cè)定鍍鎳液的覆蓋能力。試驗(yàn)件為紫銅管，規(guī)格為φ12mm×1 mm，長(zhǎng)度為100mm，試驗(yàn)裝置如圖2所示，鍍覆完成后取出清洗干凈并吹干，將銅管分別從中間沿孔方向縱向刨開，內(nèi)孔中鍍層的長(zhǎng)度與管長(zhǎng)度比值可評(píng)定鍍液的覆蓋能力大小。

圖2 覆蓋能力試驗(yàn)裝置圖

1.2.3 整平能力

采用粗糙度儀法測(cè)定鍍鎳液的整平能力大小，試驗(yàn)件為黃銅，尺寸大小100mm×75mm×0.5mm。鍍覆前，采用吹砂或打磨方式，使表面粗糙度分別達(dá)到Ra00.5μm、Ra01.0μm。電流密度為1A/dm2，鍍覆時(shí)間為20min。再用粗糙度儀分別測(cè)量試片的粗糙度值Ra1' 0.5、Ra1' 1.0。根據(jù)E=100%*(Ra0-Ra1')/Ra0，計(jì)算整平能力大小。

1.2.4 內(nèi)應(yīng)力

本文采用螺旋式收縮法測(cè)定鍍鎳層內(nèi)應(yīng)力大小。儀器為B-72型螺旋式應(yīng)力儀。試件為不銹鋼螺旋試片，厚度為0.2mm，主要操作過程為測(cè)定計(jì)器定數(shù)K、螺旋試片稱重及前處理、試片鍍覆及稱重、內(nèi)應(yīng)力計(jì)算。計(jì)算鍍層質(zhì)量G3=G1-G2，鍍層厚度d=199* G3/ρ，ρ為鎳金屬的密度。計(jì)算每分鐘沉積的電鍍鎳層厚度，d'=d/t，計(jì)算內(nèi)應(yīng)力σ（kg/mm2）=K*α/ d。

2 結(jié)果與討論

2.1 分散能力測(cè)定結(jié)果

表1為采用赫爾槽試驗(yàn)法測(cè)定的不同位置鍍層厚度及根據(jù)T=100%×δi/δ1計(jì)算的分散能力大小值。利用陰極電流分布公式DK=1.068I（5.1019-5.2401lgL），反推電流密度大小，不同位置對(duì)應(yīng)的電流密度大小值如表2所示，取L為每格中間位置至近陽極端距離。

表1 不同位置對(duì)應(yīng)的分散能力大小

表2 不同的距離對(duì)應(yīng)的電流密度大小

5 5.5 1.3 6 6.5 0.89 7 7.5 0.55

圖3 電流密度對(duì)應(yīng)分散能力大小曲線圖

以電流密度為橫坐標(biāo)，分散能力大小為縱坐標(biāo)做曲線圖，如圖3所示，采用線性擬合方式對(duì)曲線進(jìn)行擬合處理，得到擬合s方程y=0.25x-0.05，并得偏差為0.00781。將不同的電流密度代入擬合方程，可得到不同電流密度下的分散能力大小。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，槽液的分散能力大小幾乎與電流密度大小成正比。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，隨著陽極距離的增加，即電流密度的減小，其分散能力逐漸降低。為提高鍍液的分散能力，可適當(dāng)增加電鍍中的電流密度。但當(dāng)電流密度過大時(shí)，鍍層表面粗糙度增大，且易發(fā)生起泡、起皮現(xiàn)象，如圖1中的赫爾槽試片（右）。因此，在保證表面狀態(tài)良好的前提下可適當(dāng)提高電流密度大小，以使表面鍍層厚度更均勻分布。

2.2 覆蓋能力測(cè)定結(jié)果

刨開后的鍍鎳銅管如圖4所示。測(cè)得試件管內(nèi)鍍鎳層沉積總長(zhǎng)度約為50mm，則鍍鎳液的覆蓋能力為50/100×100%=50%，即其覆蓋能力大小約為50%左右。鍍液的覆蓋能力大小和添加劑、溶液導(dǎo)電率等有關(guān)。該鍍鎳槽液中，硫酸鎳為主鹽，硫酸鎂和硫酸鈉為導(dǎo)電鹽，氯化鈉為活化劑，硼酸為緩沖劑。因此，改善該槽液的覆蓋能力可以從硫酸鎂和硫酸鈉的添加量著手或者添加導(dǎo)電性更好的成分。

圖4 銅管刨開前后的狀態(tài)

2.3 整平能力測(cè)定結(jié)果

鍍覆前后測(cè)量的粗糙度大小及計(jì)算整平能力結(jié)果如表3所示。鍍液的整平作用分為三種，即正整平、幾何整平和負(fù)整平，分別表示真整平、略有整平和不良整平。采用粗糙度法測(cè)得的鍍鎳液的整平能力約為0.2，正值代表該條件下鍍鎳層具有填平微觀空穴的作用。即基體表面粗糙度較小，鎳層厚度約為10μm左右時(shí)，鎳層可起到降低表面粗糙度的作用。

表3 粗糙度及整平能力大小

2.4 內(nèi)應(yīng)力測(cè)定結(jié)果

鍍鎳后試片質(zhì)量G2為10.0896g，鍍層重量為0.2796g，則鍍層厚度為6.252μm，每分鐘析出的鍍層厚度為0.250μm。用砝碼對(duì)試片的擺動(dòng)測(cè)量結(jié)果如表4所示。則張應(yīng)力計(jì)器定數(shù)K(+)為0.811，壓應(yīng)力計(jì)器定數(shù)K(-)為0.777。隨著鍍覆的時(shí)間增加，儀表角度變化值及其厚度、內(nèi)應(yīng)力對(duì)應(yīng)值如表5所示。從表5中可以看出儀表轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)檎担?02度，計(jì)算可得鍍鎳層內(nèi)部應(yīng)力為13.23 kg/mm2。

鍍層內(nèi)應(yīng)力分為張應(yīng)力（+）和壓應(yīng)力（-），張應(yīng)力有使鍍層體積收縮的趨勢(shì)，而壓應(yīng)力有使鍍層體積膨脹的趨勢(shì)[5]。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果來看，鍍鎳層的內(nèi)應(yīng)力為正值，即為張應(yīng)力。該值反應(yīng)出鍍鎳層的內(nèi)部應(yīng)力為張應(yīng)力，該值過大易使鍍層發(fā)生開裂現(xiàn)象。

表4 試片擺動(dòng)角度測(cè)量結(jié)果

表5 試驗(yàn)過程值變化

3 結(jié)論

槽液的基本性能如實(shí)反映其自身的能力大小，它與影響鍍層表面性能的電流密度、環(huán)境溫度等外界因素有很大區(qū)別。基本性能試驗(yàn)法是改善鍍層表面性能的另一種手段，充分利用該方法有利于保障鍍層表面質(zhì)量。