锌镍合金电镀工艺研究

锌镍合金电镀工艺研究

田　伟,谢发勤,吴向清

(西北工业大学航空学院,陕西　西安　710072)

[摘　要]　通过正交试验方法,采用新的添加剂和配位剂实现了锌镍合金电镀,优选出了新的锌镍合金电沉积工艺和镀液配方。通过G DA 2750型辉光放电光谱仪、H itachiS 2570型扫描电镜等分析手段,研究了不同电镀工艺参数对镀层中镍含量、镀层厚度和镀层外观的影响规律。采用了电化学试验法研究了镍含量变化对镀层的耐腐蚀性的影响。结果表明:通过此新型的镀液配方和工艺条件,可获得含镍9%～13%、具有良好外观和耐蚀性好的锌镍合金镀层。随着电流密度的增加,镀层中镍含量先减小后增加;随着温度和pH 值的增加,镀层中镍含量在不断增加;镀层的自腐蚀电位随着镍含量的增加,呈现先变正后变负的趋势,镍的含量为12%～13%时,合金的自腐蚀电位最正。

[关键词]　电镀;锌镍合金;电流密度;性能

[中图分类号]T Q153.2　[文献标识码]A [文章编号]1001-1560(2008)01-0028-03

[收稿日期]　2007-10-180　前　言

锌镍合金镀层是一种耐蚀性优良的新型防护性镀

层,在国外已得到广泛应用,国内已经将电镀锌镍合金

应用于电缆桥架、煤矿井下液压支柱、汽车钢板及军工

产品等,大大提高了产品的耐蚀性,并节省了材料[1]。

锌镍合金电镀工艺主要有酸性和碱性两种体系,近年

来,国内对镀液的研究主要集中在添加剂和配体的研

发以及电沉积工艺对锌镍沉积的影响方面[2,3]。本工作采用新的添加剂和络合剂实现了锌镍合金电镀,同时,优选出了锌镍合金电沉积的镀液配方和工艺条件。1　试验方法

1.1　试验材料及装置试样规格为:40.0mm ×25.0mm ×1.5mm;试样材质为:冷轧A3板。锌阳极的规格为:45mm ×18mm

×3mm ,镍阳极的规格为:40mm ×30mm ×3mm (所

用试验装置见图1[4])。1.2　正交试验设计采用正交试验方法进行工艺参数优选。首先确定镀液基本成分为:70g/L N i Cl 2·6H 2O,50g/L ZnCl 2·

6H 2O ,40g/L NH 4Cl,30g/L H 3BO 3。

在此基础上,对影响合金电镀较明显的电流密度

、

图1　电镀锌镍合金试验装置示意图pH 值、添加剂、配位剂和表面活性剂五个因素分别取四水平进行正交试验,试验温度35℃。正交试验安排

见表1。

表1　正交试验安排

因　素

水 平1234A 4.5 4.8 5.1 5.3B 1

234C 2/3

1/14/75/9D 70

8090100E 40506070表1中,A 为pH 值;B 为电流密度(A /d m 2),且

I Zn /I N i =3;C 为添加剂用量(mg/L ),表中的比例是添加

剂a 与添加剂b 的比;D 为配位剂用量(mg/L );E 为表

面活性剂用量(mg/L )。

1.3　镀层性能测试采用相关的标准和分析方法,对镀层外观、镀层结合力、镀层厚度、合金镀层镍含量以及镀层自腐蚀电位等进行测试[4]。

第41卷　第1期

2008年1月材料保护M a ter i a ls Protecti on Vol .41　No .1Jan .2008

2　试验结果及分析

2.1　工艺因素对合金镍含量的影响

2.1.1　电流密度

合金电镀中电流密度对镀层成分的影响非常明显,随电流密度的增加,阴极电位变负,使镀层成分中电位较负的金属含量增加;另外,根据扩散理论,金属沉积的速率有一个上限,它决定了该金属离子通过扩散层的速率。

图2是电流密度对镍镀层成分中镍含量的影响规律,增加电流密度有助于增大电位较负金属沉积速率的增加。当电流密度低于1A /d m 2时,镀层中的镍含量较高,这时镍的沉积基本未受到阻滞作用,按正常共沉积规律优先沉积;当电流继续增大时,随着电流密度的增加,镀层中镍含量也在不断增加,若镍的含量低于镀液中镍离子的含量,这时镍的沉积受到严重阻滞,属于异常共沉积。当电流密度大于8A /d m 2时,虽然随电流密度增加含镍量迅速增加,但电极过程受扩散控制,所得的镀层疏松、

不致密。

图2　电流密度对镀层镍含量的影响2.1.2　温度

温度对锌镍合金镀层中镍含量的影响见图3。温度对镀层成分的影响主要有两个方面:一方面是对阴极极化的影响,通常随镀液温度的升高,阴极极化降低,这对镀层中何种合金元素成分有利,具体程度取决于其成分极化减少的情况;另一方面是温度对阴极扩散层离子浓度的影响,随着温度的升高,金属离子的扩散和迁移速度提高,即增加了金属离子在阴极扩散层中的浓度。另外,温度的升高也提高了阴极电流效率,这也有利于镍含量的增加。

2.1.3　pH 值

pH 值对锌镍合金镀层中镍含量的影响见图4,镀层中镍含量随pH 值升高而增加。pH 值对金属共沉积

的影响往往是由于它改变了金属离子状态,并且镀液

图3　镀液温度对镀层镍含量的影响中配位离子的组成和稳定性也是随pH 值变化而变化的。pH 值过低时,锌阳极自溶解加快,镀液中锌离子浓度迅速增加,使镀液成分不稳定;当pH 值过高、接近氢氧化锌及氢氧化镍的临界pH 值时,就容易形成氢氧化物沉淀而夹杂于镀层中,从而得到不合格的镀层

。

图4　镀液pH 值对镀层镍含量的影响2.2　工艺因素对合金镀层厚度的影响

在优选工艺条件下,镀层中各个元素含量随镀层厚度的变化曲线见图5。由图5可见,随镀层厚度增加,镀层中锌含量快速升高,而镍含量呈现出先升高后降低的缓慢变化趋势,这也说明了锌镍合金电沉积的

规律是异常共沉积,电位较负的锌优先沉积;同时由图

5可以看出,锌镍镀层中会形成镍的富积层,这也是其耐蚀的一个主要原因。图5　镀层中合金成分的变化规律2.3　合金镀层中镍含量对自腐蚀电位的影响图6为镀层中镍含量与自腐蚀电位的变化曲线。由图6可以看出,镀层的自腐蚀电位随镍含量的增加。

呈现先变正后变负的趋势,当镍含量为12%～13%时,合金的自腐蚀电位最正,此时,镀层耐蚀性最好。