钢铁件化学镀镍铜磷合金工艺研究

钢铁件化学镀镍铜磷合金工艺研究

作者：肖鑫钟萍刘万民频道：表面处理节能减排服务平台发布时间：2011-09-08

钢铁件化学镀镍铜磷合金工艺研究

湖南工程学院化学化工学院肖鑫钟萍刘万民

摘要在酸性化学镀镍-磷合金镀基础液中加入硫酸铜、光亮剂，研究成功了一种钢铁件全光亮化学镀镍-铜-磷合金工艺，探讨了主要成分和工艺条件对化学镀镍-铜-磷合金镀层性能的影响，检测了镀液和镀层性能，结果表明，所形成的化学镀镍-铜-磷合金镀层结晶细致、光泽高，具有较高的装饰性，镀层耐蚀性、耐磨性、镀液稳定性优于酸性化学镀镍-磷合金工艺。

关键词钢铁；化学镀；镍铜磷合金；光亮剂；性能检测

0 前言

化学镀镍-磷镀层是镍-磷合金的无定形结构，具有较高的硬度、耐蚀性，耐磨性．因而应用较广。由于近年来镀层的需求多样化，改善其合金化特性的研究也越来越受到人们的重视，如镍-钨-磷，镍-钼-磷、镍-铜-磷、铁-镍-磷等多种镀层。其中镍-铜-磷合金镀层的耐蚀性、耐磨性、硬度及导电性能均优于镍-磷合金镀层，故它在机械设备、电子设备、精密仪器和仪表零件等方面有广泛的应用。据报道它25℃，质量分数50%的氯化钠的氢氧化钠腐蚀介质中，镀态的镍铜磷合金层比镀态的镍磷合金层及不锈钢具有更优良的抗蚀性能[1-5]。目前化学镀镍铜磷合金镀液大多数采用稳定性较差的碱性体系，所得镀层的光亮性、耐蚀性能等不太理想，为了提高化学镀镍-铜-磷合金镀液的稳定性、镀层装饰性和耐磨，采用酸性化学镀镍磷合金镀液为基础，加入适量的硫酸铜、光亮剂，研究成功了一种钢铁全光亮、高稳定性化学镀镍-铜-磷合金技术，所形成的化学镀镍-铜-磷合金镀层结晶细致、光泽高，具有较高的装饰性，镀层耐蚀性、耐磨性、镀液稳定性优于酸性化学镀镍-磷合金工艺。

1 实验研究部分

1.1 实验仪器与药品

实验仪器：HH-2数显恒温水浴锅（金坛市富华仪器有限公司）；HX-500型显微硬度仪（上海泰明光学仪器有限公司）；盐雾实验箱（江苏南京南苏南环保仪器厂）；CHI660B电化学工作站（上海辰华仪器公司）；其他常规仪器设备未列出。

化学药品：硫酸镍（工业级）；硫酸铜（工业级）；次磷酸钠（工业级）；柠檬酸钠（分析纯）；乙酸钠（分析纯）；氢氧化钠（分析纯）；糖精（化学纯）；无机盐B（自配）；乳酸（分析纯）；光亮剂A（自配）；DEP（二乙氨基丙炔胺）；PME（乙氧基炔丙醇）；BEO（丁炔二醇）；TC-HES（2-乙基已基硫酸脂盐）等。

实验钢材：A3钢，尺寸50×60×0.5-1mm。

1.2 工艺流程

化学除油→热水洗→流动水洗→酸洗除锈→两次流动水洗→化学抛光→两次流动水洗→活

化

→流动水洗→去离子水洗→化学镀Ni-Cu-P合金→流动水洗→去离子水洗→干燥→检验→成品。

1.3 性能检测

1.3.1 合金镀层沉积速度的测定

采用重量法测定沉积速度，其计算公式如下：

V(um/ h)= △m×104 / (ρst)

式中：△m——镀后与镀前试样重量差(g)；р——镀层密度（7.8g/cm2）；s——试样表面积(cm2)；t——施镀时间(h).

1.3.2 镀液复盖能力测定

采用Ф10×100mm塑料管内插与塑料管同长的紫铜条（事先将油、氧化膜去除干净）放入化学镀镍液中，先用铁片接触铜条，待铜条表面产生气泡后，取出铁片，施镀一定时间后，取出铜条，测量铜条上有镀层的长度，有镀层的长度与铜片长度之比来评定镀液复盖能力。

1.4.3 电化学参数的测定

采用CHI660B电化学工作站测定化学镀镍-磷合金镀层和本工艺化学镀镍-铜-磷合金镀层在质量分数5%NaCl溶液中的阴极极化曲线，辅助电极为1 cm2铂电极，参比电极为饱和甘汞电极，工作电极为A3钢表面化学镀镍-磷合金镀层和本工艺化学镀镍-铜-磷合金镀层（暴露面积为1 cm2）。

1.3.4 化学镀镍铜磷合金工艺

硫酸镍27 g/L 次磷酸钠28 g/L

复合络合剂35 /L 乙酸钠15 g/L

糖精0.4 g/L 无泡型表面活性剂适量

pH 4.5~5.0 光亮剂适量

温度80~85℃时间30min

2 实验结果与讨论

2.1 硫酸镍的作用与影响

硫酸镍作为化学镀镍磷合金液的主盐，主要作用是提供沉积金属离子Ni2+。提高主盐的浓度，有利于提高沉积速度，硫酸镍的浓度的影响如表1。

由表1可知，在一定浓度范围内，提高硫酸镍的浓度，化学镀镍沉积速度增加，当浓度为30g/l时，镀速达到最大，进一步提高其浓度，镀速反而下降，这是由于随着反应的进行，还原剂次磷酸钠补给不足造成的，综合考虑镀层外观质量和耐蚀性，硫酸镍浓度控制在

25-35g/l为宜。

2.2 次磷酸钠的作用与影响

次磷酸钠是化学镀镍铜磷合金体系的还原剂，提高其浓度，有利于提高沉积速度和镀层的含磷量。但当镀液中次磷酸钠浓度过高时，施镀过程中镀槽中易于出现镍的微粒，增加了施镀的催化核心，大大地降低了镀液的稳定性。次磷酸钠的影响见表2：

由表2可知，次磷酸钠对沉积速度的影响与硫酸镍相似。随次磷酸钠的浓度升高，镀层沉积速度增大，镀层中磷含量也随之增大；而当次磷酸钠浓度增加对氧化还原电位的影响与镍离子的还原过电位的增加使氧化还原电位降低的影响相当时，出现极限沉积速度，随后开始下降，镀液稳定性变差，耐蚀性也是如此。综合考虑镀层外观及耐蚀性、沉积速度和镀液的稳定性，次磷酸钠浓度在宜控制在25-35g/l之间。

2.3 配合剂的影响

配合剂作为镍离子的配合剂，其主要作用是提高镀液稳定性，防止镍盐水解生成氢氧化镍沉

淀，其次本工艺采用次磷酸盐作还原剂，在施镀过程中，次磷酸盐氧化成亚磷酸盐，导致亚磷酸离子积累，与游离镍离子结合生成亚磷酸镍沉淀，加入配合剂使之生成镍的配位离子来降低游离镍离子浓度，防止其产生沉淀。不同配合剂对镀层沉积速度、表面形貌、磷含量、耐蚀性等均有影响。配合剂可采用单元或复合络合剂。一般说来，螯合效应大的单元配合剂得到的镀层致密、孔隙率小、耐蚀性高，化学镀镍液中最常用的配合剂主要为羟基乙酸、乳酸、丙酸、丁二酸、苹果酸和柠檬酸等或其相应的盐。为获得高耐蚀性的镀层并保持适中的镀速，通常采用多种配合剂复合使用的方法。本研究采用两种有机酸及盐作为复合配合剂，能有效地阻止亚磷酸镍和氢氧化镍沉淀的形成，两者配合使用能起到良好的缓冲作用，保证反应能在较平稳的酸度下进行，减少施镀过程中微粒的生成，确保镀液的稳定性。其影响如表3。

综合各方面性能，复合络合剂浓度控制在30～40g/L为宜。

2.4 硫酸铜的作用与影响

硫酸铜作为化学镀镍铜磷合金的主盐，提供沉积金属铜离子，其浓度对化学镀镍-铜-磷合金镀层质量影响如表4。

由表4可知，硫酸量铜浓度增加，镀速缓慢下降，这是因为少量铜盐的加入，具有稳定剂的