主盐浓度与热处理对化学镀镍镀层性能的影响研究模板.doc

资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。
主盐浓度与热处理对化学镀镍镀层性能的影响研究
摘要: 本实验采用酸性化学镀, 以次磷酸钠为还原剂, 在85 ℃下进行化学镀镍, 经过控制主盐浓度得到不同的镀层。按照基片、 镀镍而未经热处理与镀镍且经过热处理对试样进行分类, 并对镀层成分、 晶体结构、 硬度以及耐蚀性进行表征。结果显示, 随着主盐浓度升高, 镀速降低且达到一定浓度后, 镀层中磷与镍的总含量也增加; 同时, 热处理提升了镀层的硬度与耐蚀性, 镀层结晶性也有所增强。
关键字: 化学镀镍; 主盐浓度; 镀层硬度; 耐蚀性; 结晶性
1.引言
化学镀( Ni-P) 镍磷合金是一种在不加外电流的情况下, 利用还原剂在活化零件表面上自催化还原沉积得到Ni-P镀层的方法。化学镀溶液的分类方法很多, 根据不同的原则有不同的分类法。当镀层沉积到活化的零件表面上, 由于镍具有自催化能力, 它的还原过程还会自动进行下去, 直到把零件取出镀槽为止[1]。化学镀镍已广泛用于电子、 计算机、 航天航空、 石油化工、 医药、 纺织等领域。
化学镀镍的方法能够按PH值分为酸性镀液和碱性镀液, 酸性镀液PH值一般在4～6, 碱性镀液PH值一般大于8, 碱性镀液因其操作温度较低, 主要用于非金属材料的金属化( 如塑料, 陶瓷等) 。本实验采用酸性化学镀, 以次磷酸钠为还原剂, 研究85℃下化学镀镍时主盐浓度对镀层性能的影响。但由于主盐纯度不足以及缓冲剂选择不当, 致使调试PH值时加入过多硫酸, 影响主盐浓度, 镀后试样与基片的硬度相比, 提升不明显, 且不同浓度镀液所得的试样之间差异也不大。
2.实验原理
2.1 化学镀镍机理
化学镀镍, 又称为无电解镀镍或自催化镀镍, 是经过溶液中适当的还原剂使金属离子在金属表面靠自催化的还原作用而进行的金属沉积过程。
以次磷酸盐为还原剂的沉积过程为:
(1)　Ni2++(H2PO2)-+H2O3H++(HPO3)2-+Ni
(2) (H2PO2)-+HH2O+OH-+P
(3)  (H2PO2)-+H2OH+(HPO3)2-+H2↑
  反应中部分(H2PO2)-被氢原子还原成P, 元素磷混杂在镀层中。因此, 化学镀镍的过程中镀液的pH值不断地增加, 磷的浓度减少。[2]
2.2 常见的镀液组分及其作用机理
2.2.1主盐
    化学镀镍溶液中的主盐就是镍盐, 如硫酸镍、 氯化镍、 醋酸镍等, 由它们提供化学镀反应过程中所需要的镍离子。用醋酸镍或次磷酸镍做主盐对镀层性能是有益的, 但因其价格昂贵而无人使用。当前应用最多的就是硫酸镍, 由于制造工艺稍有不同而有两种结晶水的硫酸镍。因为硫酸镍是主盐, 用量大, 在镀中还要进行不断的补加, 所含杂质元素会在镀液的积累, 造成镀液镀速下降、 寿命缩短, 还会影响到镀层性能, 特别是耐蚀性。因此要注意质量稳定, 特别要注意对镀液有害的杂质特别是重金属元素的控制。[3]
2.2.2 还原剂
用得最多的还原剂是次磷酸钠, 原因在于它的价格低、 镀液容易控制, 而且合金镀层性能良好。次磷酸钠在水中易于溶解, 水溶液的pH值为6, 是白磷溶于NaOH中, 加热而得到的产物。当前国内的次磷酸钠制造水平很高, 除了国内需求外还大量出口。
次磷酸钠的含量取决于镍盐的浓度。为了获得最佳镀速和镀层的光亮度等, 镍盐和次磷酸钠合适的摩尔比为0.3~0.4。次磷酸钠的浓度主要对镀层沉积速度、 镀层磷含量及溶液稳定性造成影响。
2.2.3 络合剂
络合剂的选用及其搭配关系, 对镀液性能的差异、 寿命长短起着决定性作用。
    其第一个作用就是防止镀液析出沉淀, 增加镀液稳定性并延长使用寿命。硫酸镍溶于水后形成六水合镍离子, 它有水解倾向, 水解后呈酸性, 这时即析出了氢氧化物沉淀。络合剂存在能够明显提高其抗水解能力, 甚至有可能在碱性环境中以镍离子形式存在。不过, pH值增加, 六水合镍离子中的水分子会被OH根取代, 促使水解加剧, 要完全抑制水解反应, 镍离子必须全部螯合以得到抑制水解的最大稳定性。镀液中还有较多次磷酸根离子存大, 但由于次磷酸镍溶液度较大, 一般不致析出沉淀。镀液使用后期, 溶液中亚磷酸根聚集, 浓度增大, 容易析出白色的NiHPO3.6H2O沉淀。加入络合剂以后溶液中游离镍离子浓度大幅度降低, 能够抑制镀液后期亚磷酸镍沉淀的析出。[4]
    其第二个作用就是提高沉积速度, 加络合剂后沉积速度增加的数据很多。加入络合剂使镀液中游离镍离子浓度大幅度下降, 从质量作用定律看降低反应物浓度反而提高了反应速度是不可能的, 因此这个问题只能从动力学角度来解释。简单的说法是有机添加剂吸附在工件表面后, 提高了它的活性, 为次磷酸根释放活性原子氢提供更多的激活能, 从而增加了沉积反应速度。络合剂在此也起了加速剂的作用。
   随着反应的进行, 亚磷酸盐不断生成并在溶液中积聚, 当其含量达到一定程度时就会有亚磷酸镍沉淀析出, 这是造成镀液自然分解的主要原因。为避免沉淀产生, 必须在溶液中添加能够有效降低Ni2+ 浓度的络合剂。络合剂能与Ni2+结合从而降低Ni2+的活性, 减少亚磷酸镍沉淀的生成。但络合剂浓度不宜过高, 否则会降低镀速和次磷酸盐的利用率。[5]
2.2.4 缓冲剂
化学镀镍过程中由于有氢离子产生, 使溶液pH值随施镀进程而逐渐降低, 为了稳定镀速及保证镀层质量, 化学镀镍体系必须具备PH值缓冲能力。常见的缓冲剂是一元或二元有机酸及其盐类, 它们不但具备络合镍离子的能力, 而且具有缓冲性能。本实验采用醋酸钠作缓冲剂, 其工作原理是它部分与溶液中的氢离子结合成弱酸, 形成弱酸-弱酸盐体系。 [3]
2.2.5 稳定剂
化学镀镍溶液是一个热力学不稳定体系, 由于种种原因, 如局部过热、 pH值提高, 或某些杂质影响, 不可避免的会在镀液中出现一些活性微粒—催化核心, 使镀液发生激烈的均向自催化反应, 产生大量Ni—P黑色粉末, 导致镀液短期内发生分解, 逸出大量气泡, 造成不可挽救的经济损失。这些黑色粉末是高效催化剂, 它们具有极大的比表面积与活性, 加速了镀液的自发分解, 几分钟内镀液将报废生效。稳定剂的作用就在于抑制镀液的自发分解, 使施镀过程在控制下有序进行。稳定剂是一种毒化剂, 即毒性催化剂, 只需加入痕量就能够抑制镀液自发分解。稳定剂不能使用过量, 过量后轻则减低镀速, 重则不再起镀。[6]
3.实验部分
3.1原料及仪器
薄铁板、 硫酸镍( NiSO4·6H2O) 、 次磷酸钠( NaH2PO2·H2O) 、 乙酸钠( CH3COONa) 、 乳酸( CH3( OH) COOH) 、 醋酸铅( (CH3COO)2 Pb) 、 丙酮、 水浴锅、 电子天平、 马弗炉、 氧化铝坩锅、 广泛pH试纸( 1－14) 和精密pH试纸( 3.8－5.4、 8.2－10) 、 容量瓶( 250和500 mL) 、 烧杯( 100和250 mL、 量筒( 10和100 mL) 、 移液管( 10 mL) 、 温度计、 铂电极、 饱和甘汞电极、 显微硬度计、 电化学工作站。
3.2 配方各组分的作用及工艺条件
镀镍液总体积( 250ml)
浓度
用量
主盐: NiSO4·6H2O
20g/L
5g
25 g/L
6.25 g
30 g/L
7.5 g
35 g/L
8.75 g
40 g/L
10 g
还原剂:NaH2PO2·H2O
25.44 g/L
0.616 g
缓冲剂: CH3COONa
8 g/L
( 2g)
络合剂: CH3( OH) COOH
25 g/L
3.02125g

3.7765 g

4.53175 g

5.2875 g

6.0425 g
稳定剂: ( CH3COO) 2Pb
0.1 g/L
5ml
镀液pH值
5.0
施镀温度/℃
85
施镀时间/h
2
热处理温度/℃
400
热处理时间/h
0.5
添加顺序: 主盐→络合剂→稳定剂→缓冲剂→还原剂
3.3 配制镀液
确定需要配制的镀液体积和各组分的用量, 分别用去离子水溶解, 依次在烧杯中加入硫酸镍、 乙醇酸、 醋酸钠、 次磷酸钠、 醋酸铅等溶液, 在均匀快速搅拌下缓慢滴入NaOH溶液, 待絮状物溶解后测定镀液的pH值, 再用质量分数10%氢氧化钠溶液调节pH值至一定的值。
( 1) 用电子天平准确称取计算量的镍盐、 还原剂、 络合剂、 缓冲剂、 稳定剂, 分别用少量去离子水溶解;
( 2) 将完全溶解的镍盐溶液, 在不断搅拌条件下倒入含络合物的溶液中;
( 3) 将完全溶解的还原剂溶液, 在剧烈的搅拌下, 倒入按( 2) 配制好的溶液中;
( 4) 分别将稳定剂溶液、 缓冲剂溶液在充分搅拌作用下, 倒入含( 3) 配制好的溶液中;
( 5) 加H2SO4溶液调节pH值, 边加边搅拌;
( 6) 用250ml容量瓶, 加去离子水定容;
( 7) 加热镀液, 开始施镀。
镀液配制过程中, 各组份的溶解方法以及加入顺序都很重要, 它将直接影响镀液和镀层的质量。化学复合镀还应加入经表面活性剂润湿的固体微粒, 并充分搅拌均匀。应注意的是, 配制镀液的时候, 不能将镍盐溶液和还原剂溶液直接混合, 否则可能发生氧化-还原反应, 导致镀液分解。[7]
3.4.化学镀镍
3.4.1镀前处理
( 1) 打磨: 将薄铁片依次在400#、 600#、 800#、 1000#、 1200#、 1500#砂纸进行打磨去除表面的氧化层, 用去离子水冲洗后, 以2cm x 2cm的规格剪下22片样品, 将其中2片收起, 不作任何处理, 其余编号并进入下一步操作。
( 2) 除油: 在丙酮中进行超声15min。
( 3) 酸洗: 在体积比为3: 7的 HCl水溶液浸泡30s, 除锈。
( 4) 清洗: 用去离子水快速冲洗一遍, 随后称重并记录。
( 5) 活化: 取20个样品在放入5%的硫酸水溶液中活化30S, 之后快速放进镀液进行镀镍。( 注意, 要单独一片一片放入, 以免相互粘合影响活化效果。)
3.4.2施镀
当水浴锅温度达到85°C时, 将样品分组放进5个盛有镀液的烧杯中, 使样品与烧杯壁保持45°, 以锡纸封口。施镀时间为2h。
3.4.3后处理
镀镍结束后用去离子水冲洗样品并擦干, 称重。
3.4.4热处理
对5组样品, 每组抽取2片进行热处理: 用1.5h升温至400℃, 保温0.5h, 随炉冷却。
3.5镀样的性能表征
用X射线粉末衍射仪( XRD) 对镀液温度为85 ℃的经过热处理与未经热处理的2片试样进行分析以此表征得到的磷镍合金镀层在热处理前后的结晶性变化。( 扫描角的设定从30° - 70°, 扫描步长为0.1 °/step。)
用X射线荧光光谱技术( XRF) 测试不同浓度施镀样品的Ni、 P含量百分比。
用显微硬度计测试基片以及各镀液浓度下经热处理与未经热处理的样品的硬度。( 放大倍率为×40, 载荷200 g, 保压时间15 s。)
用电化学工作站测绘基片以及各镀液浓度下经热处理与未经热处理的样品的Tafel曲线, 找出样品的腐蚀电流, 得出其抗腐蚀能力。( 采用三电极系统, 腐蚀介质为0.05 mol/L的H2SO4溶液, 等待时间10 s, 采样周期0.01 s, 测量时长30 s, 测量灵敏度为100 mA。)

4.结果与讨论
4.1 试样外观
从宏观上看, 本实验所用原始材料为镀锌铁片, 镀锌铁片外观带有一定金属光泽的白色, 表面有花纹状图样。打磨后铁片呈灰白色, 表面有细微磨痕。镀镍后外观为光亮的银白色, 表面平整、 均匀。从微观上看, 镀镍后有少量气泡缺陷和未被完全覆盖的划痕; 这是由于镀层太薄造成的。热处理后镀镍层有明显的金属光泽, 亮度增加, 有个别样品变黄; 具体原因尚未明确。
4.2镀速
将镀镍两小时后的铁片擦拭干净, 用分析天平对镀镍铁片进行称量。
使用增重称量法测定镀速,沉积速度的计算公式如下:

其中:为镀速; 为Ni-P镀层密度, 约7.9g/cm3; S1为样品面积, 4cm2 ; t为施镀时间, 2h。实验结果如下图所示。

主盐浓度g/L
施镀
试样1 / g
试样2 / g
试样3 / g
试样4 / g
平均镀速
20
前
1.39
1.34
1.31
1.33
12.5mg/h
后
1.42
1.35
1.34
1.35
25
前
1.32
1.41
1.32
1.36
11.225mg/h
后
1.34
1.44
1.34
1.37
30
前
1.24
1.32
1.40
1.38
7.4mg/h
后
1.26
1.33
1.41
1.39
35
前
1.51
1.34
1.28
1.32
-7.6mg/h
后
1.41
1.37
1.29
1.33
40
前
1.28
1.32
1.30
1.30
4.73mg/h
后
1.29
1.32
1.30
1.32
表1 镀镍前后铁片质量变化以及平均镀速

由表中数据可看出, 随着主盐浓度的提高, 镀速不断降低。可能的原因是: 一、 由于制造工艺稍有不同而有两种结晶水的硫酸镍, 其所含的杂质元素特别是特别是重金属元素会在镀液中积累, 造成镀液镀速下降、 寿命缩短。二、 在调试PH值的过程中, 加入不等量的浓硫酸会使主盐浓度不等量的下降, 从而导致镀速不均匀变化。
4.3显微硬度
维氏硬度的试验原理与布氏硬度相同, 也是根据压痕单位面积所承受的试验力来计算硬度值。当试验力下的单位为kgf时显微硬度为:

表中列出的硬度结果为在每片试样上任取5点压下后的平均值。
主盐浓度g/L
HV
经过热处理镀层试样
未经热处理镀层试样
20
239.85
215.74
25
221.70
197.89
30
192.41
224.82
35
227.93
197.43
40
216.70
212.72
基片
175.36
表2 各镀液温度与热处理条件下所得试样的显微硬度测试结果
由表中数据可看出硬度有以下变化: ( 1) 镀层硬度较基片硬度有所提升, 这是由于镍的标准硬度高于铁, 且磷镍合金的致密性优于铁基片。( 2) 总体上看, 热处理镀层试样较之于未经热处理的镀层试样的硬度有所提升。这是由于热处理消除了磷和镍的相界, 使合金元素分布趋于均匀。另外, 热处理使酸性化学镀得到的镀层由介于晶态与非晶态之间的状态, 转变为晶态结构为主。
而主盐浓度为30g/L的镀层试样, 经过热处理后硬度反而有所下降。另外, 随着主盐浓度上升, 试样硬度却没有一致的上升趋势, 这可能是镀层单薄且分布不均所致。
4.4 Tafel曲线
塔菲尔曲线是由于电流经过不可逆电极产生电极极化而得到的, 因此过电势η和极化电流密度I满足以下线性关系:

其中: a、 b为塔菲尔常数。电化学工作站, 能够测量两电极的开路电压; 利用电流回路, 能够测量电极上材料的腐蚀电流。
经过比较自腐蚀电流值, 可知样品的耐腐蚀性能。其关系为:
自腐蚀电流值越低, 其耐腐蚀能力越强。

图 1 Tafel曲线处理示意图

主盐浓度g/L
试样的腐蚀电流mA
未热处理的镀层试样

热处理过的镀层试样
20
9.270514
3.14
25
9.138727
2.711422
30
5.240269
4.54151
35
2.711422
1.512998
40
6.192964
6.176612
基片
13.1042
表3 各温度与热处理条件下所得试样的腐蚀电流计算结果
由上图能够看出, 基片的腐蚀电流大于所有镀镍后样品的腐蚀电流, 说明镀层有助于提高防腐性能; 而未经热处理的试样的腐蚀电流大于热处理后的试样的腐蚀电流, 说明热处理也有助于提高防腐性能。
4.5晶态结构
对主盐浓度为25g/L的两片未经热处理与经过热处理的镀层试样分别进行X射线衍射分析, 所得衍射图样如图所示。

图2 经过热处理前后式样XRD图

由图可看出, 热处理后的磷镍合金镀层虽表现出一定的结晶性, 但由于镀层太薄且分布不均, 导致结晶度增加程度极其不明显。
4.6镀层元素组成
取不同主盐浓度下施镀且未经热处理的样品做X射线荧光光谱分析, 结果如图。
主盐浓度g/L
元素%
P
Ni
P + Ni
20
1.79
28.10
29.89
25
1.73
22.3
24.03
30
2.17
20
22.17
35
1.76
23.9
25.66
40
1.76
27.3
29.06
表4 各主盐浓度下所得镀层试样的XRF元素含量测试结果

可见, 随着主盐浓度的上升, 试样表面磷元素与镍元素的总量变化无规律。主盐浓度为20g/L时, 镍元素的含量最高; 当主盐浓度为30g/L时, 磷含量最高, 且镍含量最低。因此, 最适宜镀镍的主盐浓度为20g/L与40g/L。
5. 结论
本次试验主要以薄铁片为基片, 在酸性条件下化学镀镍, 主要控制变量为主盐NiSO4·6H2O的浓度。比较在不同主盐浓度下镀层的镀速以及在镀样热处理前后的性能变化, 得到以下结论:
( 1) 由于调试PH值使用的是浓硫酸, 其酸性和使用量影响到主盐浓度, 致使镀速较慢且镀层单薄不均, 这直接影响了样品其它方面的性能。另外, 部分样品还出现减重情况。
( 2) 经过显微硬度计测试, 镀后的样品硬度明显大于基片硬度; 经过热处理的施镀样品硬度大于未经热处理的施镀样品。可见, 施镀和热处理都能提高镀层硬度。而利用Tafel曲线得出的腐蚀电位, 可见施镀和热处理都有助于提高样品的抗腐蚀性。
( 3) 经过热处理较之未经过热处理式样的镀层结构, 虽Ni的峰值有所提升, 但并不明显。
( 4) 经过XRF对镀层元素测定, 发现在20g/l主盐浓度下镀出Ni含量最高的样品, 28.10%。
参考文献:
[1] 阎洪主.现代化学镀镍和复合镀新技术[M].北京: 国防工业出版社,1999,1-11.
[2] 程沪生.酸性化学镀镍[J].电镀与涂饰, ,28(1):24-26.
[3]Dr. Walker &F. Cambell.化学镀镍与电镀镍.1976.82(1)34
[4]张小华, 周海晖, 陈范才.化学镀镍磷合金工艺问题与讨论.应用技术[3] ,03-44-03
[5]王福生, 许芸芸, 宋兵魁, 韩晓丽, 张宝贵.化学镀Ni-P合金工艺的研究.科技论文, ,05-0001-03
[6]陈天玉.镀镍故障处理及实例.化学工业出版社. ,1-4
[7]王美媛, 旷亚非, 许岩.酸性化学镀镍中次亚磷酸钠阳极氧化行为的研究.电化学, 1999,4