鋼鐵件化學鍍鎳銅磷合金工藝研究

1、鋼鐵件化學鍍鎳銅磷合金工藝研究作者：肖鑫 鐘萍 劉萬民頻道：表面處理節(jié)能減排服務平臺發(fā)布時間：2011-09-08 鋼鐵件化學鍍鎳銅磷合金工藝研究湖南工程學院化學化工學院 肖鑫 鐘萍 劉萬民摘要 在酸性化學鍍鎳-磷合金鍍基礎液中加入硫酸銅、光亮劑，研究成功了一種鋼鐵件全光亮化學鍍鎳-銅-磷合金工藝，探討了主要成分和工藝條件對化學鍍鎳-銅-磷合金鍍層性能的影響，檢測了鍍液和鍍層性能，結果表明，所形成的化學鍍鎳-銅-磷合金鍍層結晶細致、光澤高，具有較高的裝飾性，鍍層耐蝕性、耐磨性、鍍液穩(wěn)定性優(yōu)于酸性化學鍍鎳-磷合金工藝。關鍵詞 鋼鐵；化學鍍；鎳銅磷合金；光亮劑；性能檢測0 前言化學鍍鎳-磷鍍層是鎳

2、-磷合金的無定形結構，具有較高的硬度、耐蝕性，耐磨性因而應用較廣。由于近年來鍍層的需求多樣化，改善其合金化特性的研究也越來越受到人們的重視 ，如鎳-鎢-磷，鎳-鉬-磷、鎳-銅-磷、鐵-鎳-磷等多種鍍層。其中鎳-銅-磷合金鍍層的耐蝕性、耐磨性、硬度及導電性能均優(yōu)于鎳-磷合金鍍層，故它在機械設備、電子設備、精密儀器和儀表零件等方面有廣泛的應用。據(jù)報道它25，質量分數(shù)50%的氯化鈉的氫氧化鈉腐蝕介質中，鍍態(tài)的鎳銅磷合金層比鍍態(tài)的鎳磷合金層及不銹鋼具有更優(yōu)良的抗蝕性能1-5。目前化學鍍鎳銅磷合金鍍液大多數(shù)采用穩(wěn)定性較差的堿性體系，所得鍍層的光亮性、耐蝕性能等不太理想，為了提高化學鍍鎳-銅-磷合金鍍液的

3、穩(wěn)定性、鍍層裝飾性和耐磨，采用酸性化學鍍鎳磷合金鍍液為基礎，加入適量的硫酸銅、光亮劑，研究成功了一種鋼鐵全光亮、高穩(wěn)定性化學鍍鎳-銅-磷合金技術，所形成的化學鍍鎳-銅-磷合金鍍層結晶細致、光澤高，具有較高的裝飾性，鍍層耐蝕性、耐磨性、鍍液穩(wěn)定性優(yōu)于酸性化學鍍鎳-磷合金工藝。1 實驗研究部分1.1 實驗儀器與藥品實驗儀器：HH-2數(shù)顯恒溫水浴鍋（金壇市富華儀器有限公司）；HX-500型顯微硬度儀（上海泰明光學儀器有限公司）； 鹽霧實驗箱（江蘇南京南蘇南環(huán)保儀器廠）；CHI660B電化學工作站（上海辰華儀器公司）；其他常規(guī)儀器設備未列出?；瘜W藥品：硫酸鎳（工業(yè)級）；硫酸銅（工業(yè)級）；次磷酸鈉（工業(yè)

4、級）；檸檬酸鈉（分析純）；乙酸鈉（分析純）；氫氧化鈉（分析純）；糖精（化學純）；無機鹽B（自配）；乳酸（分析純）；光亮劑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-乙基已基硫酸脂鹽）等。實驗鋼材：A3鋼，尺寸50600.5-1mm。1.2 工藝流程化學除油熱水洗流動水洗酸洗除銹兩次流動水洗化學拋光兩次流動水洗活化流動水洗去離子水洗化學鍍Ni-Cu-P合金流動水洗去離子水洗干燥檢驗成品。 1.3 性能檢測1.3.1 合金鍍層沉積速度的測定 采用重量法測定沉積速度，其計算公式如下： V(um/ h)= m104 / (st)式中：m鍍后與鍍前

5、試樣重量差(g)；鍍層密度（7.8g/cm2）；s試樣表面積(cm2)；t施鍍時間(h).1.3.2 鍍液復蓋能力測定采用10100mm塑料管內插與塑料管同長的紫銅條（事先將油、氧化膜去除干凈）放入化學鍍鎳液中，先用鐵片接觸銅條，待銅條表面產生氣泡后，取出鐵片，施鍍一定時間后，取出銅條，測量銅條上有鍍層的長度，有鍍層的長度與銅片長度之比來評定鍍液復蓋能力。1.4.3 電化學參數(shù)的測定采用CHI660B電化學工作站測定化學鍍鎳-磷合金鍍層和本工藝化學鍍鎳-銅-磷合金鍍層在質量分數(shù)5%NaCl溶液中的陰極極化曲線，輔助電極為1 cm2鉑電極，參比電極為飽和甘汞電極，工作電極為A3鋼表面化學鍍鎳-磷

6、合金鍍層和本工藝化學鍍鎳-銅-磷合金鍍層（暴露面積為1 cm2）。1.3.4 化學鍍鎳銅磷合金工藝硫酸鎳 27 g/L 次磷酸鈉 28 g/L復合絡合劑 35 /L 乙酸鈉 15 g/L糖 精 0.4 g/L 無泡型表面活性劑 適量pH 4.55.0 光亮劑 適 量溫 度 8085 時 間 30min2 實驗結果與討論2.1 硫酸鎳的作用與影響硫酸鎳作為化學鍍鎳磷合金液的主鹽，主要作用是提供沉積金屬離子Ni2+。提高主鹽的濃度，有利于提高沉積速度，硫酸鎳的濃度的影響如表1。由表1可知，在一定濃度范圍內，提高硫酸鎳的濃度，化學鍍鎳沉積速度增加，當濃度為30g/l時，鍍速達到最大，進一步提高其濃度

7、，鍍速反而下降，這是由于隨著反應的進行，還原劑次磷酸鈉補給不足造成的，綜合考慮鍍層外觀質量和耐蝕性，硫酸鎳濃度控制在25-35g/l為宜。2.2 次磷酸鈉的作用與影響次磷酸鈉是化學鍍鎳銅磷合金體系的還原劑，提高其濃度，有利于提高沉積速度和鍍層的含磷量。但當鍍液中次磷酸鈉濃度過高時，施鍍過程中鍍槽中易于出現(xiàn)鎳的微粒，增加了施鍍的催化核心，大大地降低了鍍液的穩(wěn)定性。次磷酸鈉的影響見表2：由表2可知，次磷酸鈉對沉積速度的影響與硫酸鎳相似。隨次磷酸鈉的濃度升高，鍍層沉積速度增大，鍍層中磷含量也隨之增大；而當次磷酸鈉濃度增加對氧化還原電位的影響與鎳離子的還原過電位的增加使氧化還原電位降低的影響相當時，出

8、現(xiàn)極限沉積速度，隨后開始下降，鍍液穩(wěn)定性變差，耐蝕性也是如此。綜合考慮鍍層外觀及耐蝕性、沉積速度和鍍液的穩(wěn)定性，次磷酸鈉濃度在宜控制在25-35g/l之間。2.3 配合劑的影響配合劑作為鎳離子的配合劑，其主要作用是提高鍍液穩(wěn)定性，防止鎳鹽水解生成氫氧化鎳沉淀，其次本工藝采用次磷酸鹽作還原劑，在施鍍過程中，次磷酸鹽氧化成亞磷酸鹽，導致亞磷酸離子積累，與游離鎳離子結合生成亞磷酸鎳沉淀，加入配合劑使之生成鎳的配位離子來降低游離鎳離子濃度，防止其產生沉淀。不同配合劑對鍍層沉積速度、表面形貌、磷含量、耐蝕性等均有影響。配合劑可采用單元或復合絡合劑。一般說來，螯合效應大的單元配合劑得到的鍍層致密、孔隙率小

9、 、耐蝕性高，化學鍍鎳液中最常用的配合劑主要為羥基乙酸、乳酸、丙酸、丁二酸、蘋果酸和檸檬酸等或其相應的鹽。為獲得高耐蝕性的鍍層并保持適中的鍍速，通常采用多種配合劑復合使用的方法。本研究采用兩種有機酸及鹽作為復合配合劑，能有效地阻止亞磷酸鎳和氫氧化鎳沉淀的形成，兩者配合使用能起到良好的緩沖作用，保證反應能在較平穩(wěn)的酸度下進行，減少施鍍過程中微粒的生成，確保鍍液的穩(wěn)定性。其影響如表3。綜合各方面性能，復合絡合劑濃度控制在3040g/L為宜。2.4 硫酸銅的作用與影響 硫酸銅作為化學鍍鎳銅磷合金的主鹽，提供沉積金屬銅離子，其濃度對化學鍍鎳-銅-磷合金鍍層質量影響如表4。由表4可知，硫酸量銅濃度增加，

10、鍍速緩慢下降，這是因為少量銅鹽的加入，具有穩(wěn)定劑的作用，抑制了沉積反應的進行，綜合考慮沉積速度和鍍層的耐蝕性，硫酸銅濃度控制在0.05-0.1g/L為宜。2.5 光亮劑的選擇為了提高化學鍍鎳銅磷合金鍍層的裝飾性，光亮劑的選擇是本研究的另一個重點，它能減少鍍層晶粒的尺寸、增加鍍層的延展性能，使鍍層表面達到光亮。本實驗采用的初級光亮劑是糖精，根據(jù)電鍍光亮鎳的成功經驗，選擇光亮鍍鎳中間體進行實驗研究。通過對光亮劑PPS、PME、BEO、PA、DEP、PAP等電鍍鎳光亮劑進行研究，均能使化學鍍鎳銅磷合金鍍層結晶細致均勻，具有良好的光澤，且有一定的鍍速，但不能達到鏡面光亮，裝飾效果欠佳，因此單獨使用一種

11、鍍鎳中間體不能滿足要求。在化學鍍化學鍍鎳銅磷合金鍍液中單獨加入各種無機鹽（如硫代硫酸鹽、醋酸鉛、碘酸鉀、硫酸鎘、硫酸高鈰、硫酸鉍等），能增加鍍層的光澤，但色澤不清亮，加入量偏高，沉積速度下降太快。綜合兩者的出光效果，將無機鹽與鍍鎳中間體混合使用，以期獲得鏡面光亮鍍層，其實驗結果如表5所示。由表6可知，加入組合光亮劑，能細化鍍層結晶，顯著提高鍍層光澤，表6光亮劑的組合均能獲得光亮化學鍍鎳磷合金鍍層，綜合考慮鍍層外觀質量、沉積速度和耐蝕性，其中以PA+無機鹽A組合效果最好，且鍍液調整7個周期后，鍍層光澤開始下降，說明使用該組合光亮劑的化學鍍鎳磷合金鍍液可調性好。2.3 工藝條件的影響2.3.1 p

12、H由表7知，pH在4.5-5.0之間，鍍層可達到鏡面光亮水平，且沉積速度和鍍層耐蝕性比較理想。2.3.2 溫度溫度是影響化學鍍鎳反應活化能的主要參數(shù)。酸性化學鍍鎳銅磷合金工作時溫度必須高于50時才能以明顯的速率進行，因此溫度對化學鍍鎳銅磷合金沉積速度影響較大，本工藝鍍液操作溫度控制在80-85，能得到鏡面光亮的鍍層；溫度過高，形成的化學鍍鎳銅磷合金層為全光亮過渡到半光亮，且鍍液不穩(wěn)定，容易分解產生沉淀；溫度過低，形成的鍍層光澤較差，反應速度慢，生產效率低。2.4 性能檢測2.4.1 鍍液、鍍層一般性能檢測2.4.2 電化學參數(shù)的測定由圖1可見，化學鍍鎳-銅-磷合金鍍層的腐蝕電流遠小于化學鍍鎳-

13、磷合金鍍層，說明化學鍍鎳-銅-磷合金鍍層耐蝕性優(yōu)于化學鍍鎳-磷合金鍍層。3 結論在酸性化學鍍鎳-磷合金鍍基礎液中加入硫酸銅、光亮劑，研究成功了一種鋼鐵件全光亮化學鍍鎳-銅-磷合金技術，其推薦工藝規(guī)范為：2535g/L硫酸鎳，2535g/L次磷酸鈉，3040g/L復合絡合劑，15 g/L乙酸鈉，0.1g/L硫酸銅，0.4g/L糖精、適量組合光亮劑，pH值為4.55.0，溫度為8085。所形成的化學鍍鎳-銅-磷合金鍍層結晶細致、光澤高，具有較高的裝飾性，鍍層耐蝕性、耐磨性、鍍液穩(wěn)定性優(yōu)于酸性化學鍍鎳-磷合金工藝,適用鋼鐵件高耐蝕性、高耐磨性、高裝飾性的化學鍍鎳-銅-磷合金。參考文獻1 嚴心儀，賴敏化學鍍鎳銅磷合金層的研究J南昌大學學報（自然科學版），1993，17（2）：79-842 劉波，黃燕濱，張平,等酸性化學鍍Ni-Cu-P工藝及性能研究J電鍍與涂飾，2005，24（3）：19-203 徐建忠，魏寶明CO2飽和