镁及镁合金表面电镀镍工艺的研究
王赫莹,李德高
(沈阳工业大学机械工程学院,辽宁沈阳110023)
[摘 要] 研究了镁及镁合金基体上电镀镍的工艺。通过特殊的前处理工艺,再利用酸性光亮镀镍的方法在镁及镁合金表面获得镍镀层。讨论了前处理工艺、电流密度及添加剂等工艺参数对镀层质量的影响,并利用金相显微镜、扫描电镜、显微硬度计及电子探针对镀层的显微组织及性能进行了研究。结果表明,在此工艺条件下,可以在镁及镁合金表面形成致密度高、孔隙率低、结合强度好且硬度高的合金镀层。镀层镍含量超过96%,镀态硬度为HV370,在250℃时效时,硬度
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可达HV510,磨损率达到31×10mm/min,比镁基体有显著提高。
[关键词] 镁及镁合金;镀镍;显微组织;硬度
[中图分类号]TQ153.1;TG146.2 [文献标识码]A [文章编号]1001-3660(2004)05-0048-02
NickelElectroplatingTechnologyonMagnesiumandItsAlloyWANGHe2ying,LIDe2gao
(SchoolofMechanicalEngineering,ShenyangUniversityofTechnology,Shenyang110023,China)[Abstract] Nickelelectroplatingtechnologyonmagnesiumanditsalloyhadbeenstudied.Nickel2electroplat2ingcoatingwasobtainedonthesurfaceofmagnesiumanditsalloythroughanacidicbrightnickel2platingsolutionafterspecialpretreatment.Theinfluencesofprocessparametersincludingpretreatment,currentdensity,additiveonthequalityofcoatingwerediscussed.Themicrostructureandpropertiesofthenickelcoatingwereexaminedbytheopticalmicroscopy,scanningelectronmicroscope,electronprobeandmicro2hardnesstester.Theresultsshowedthatthecoatingwithlowporosity,highcompact,goodbondstrengthandhighhardnesscouldbeformedonthesurfaceofmag2nesiumanditsalloyinsuchprocesscondition.ThecontentofNiinthecoatingwasabove96%,andthehardnessofthecoatingwasaboutHV370.Afteragingat250℃,thehardnesswouldgouptoHV510,andthewearratiowasabout31×10-6mm3/min,whichwashigherthanthemagnesiummatrix.
[Keywords] Magnesiumanditsalloy;Nickelplating;Microstructure;Hardness
0 引 言
镁具有比强度高、密度小等优异性能,作为结构材料使用有着潜在而广阔的前景。但镁合金化学活性高、耐蚀性差的缺点又成为制约其发挥优势的主要因素,因此,适当的表面处理以增强镁合金的耐蚀性具有重要的现实意义。
目前,镁合金常用的防护方法为化学转换膜、电化学氧化及微弧氧化等3种。化学转换膜虽然具有与基体结合能力强、绝μ缘性及光学性能好等特点,但是膜层太薄且软,只有0.4m左μ右;而电化学氧化及微弧氧化,虽可获得10~20m厚的膜层,但膜层多孔且脆性高,因此,只能作为涂装的基底,很少单独使用[1]。功能性镀层开发可显著提高镁合金镀层的装饰性、抗蚀性、耐磨性、可焊性及耐热性等。镁合金功能性镀层的研究及应用在国外已较成熟,国内则刚刚开始。目前,较流行的两种方法
[收稿日期]2004-07-08
为:1)利用含氟化物的化学镀液进行化学镀,作为后续处理的基底。这种方法存在着基底与后续镀层结合力差及镀液成本高、寿命短、污染性大的缺点。2)利用氰化物预镀后进行处理,这种方法虽然可得到较好的镀层,但由于预镀液及镀液中存在着氰化物,使其推广和应用受到很大的限制[2~4]。
本文根据镁合金表面特点及各种防护措施的利弊,通过多次试验,研究出一种无氰化物、无氟化物的环保型电镀工艺。试验表明:此工艺可操作性强,工艺合理;获得镍镀层均匀、光亮,与基体结合力达到国标,其耐磨性和耐蚀性与镁合金其它防护处理相比大大增强。
1 试验方法
1.1 试验材料及工艺流程
[作者简介]王赫莹(1966-),女,辽宁沈阳人,讲师,博士,从事材料表面改性及表面防护方面的研究。
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第33卷 第5期 2004年10月
表 面 技 术
SURFACETECHNOLOGY
NiSO4・7H2ONiCl2・6H2O
280g/L40g/L35g/L1ml/L10ml/L55~60℃
Vol.33 NO.5
Oct.2004
试验材料为AM50,试样尺寸为50mm×5mm×20mm。镀层制备工艺流程如下:
铸造镁合金→时效处理→磨制→脱脂→热水洗→流水洗→弱酸中和→出光→流水冲洗→活化→流水冲洗→预镀→水洗→电镀镍→封闭处理→干燥。
硼酸光亮剂A光亮剂B温度
电流密度1~4A/dm2
1.2 工艺过程
1.2.1 时效处理
由于镁合金在压铸及机械加工过程中可能渗入杂质原子及有害气体,使内应力增大,在后处理过程中会使功能镀层脆性增大,与基体结合力降低。时效处理可减少内应力,具体工艺随镁合金种类不同而略有差别。本试验工艺为:在100~120℃的热处理炉内保温3~4h。
1.2.2 脱脂液配方及工艺
补加时A+B按1∶1补加。
1.2.8 封闭处理
封闭处理目的是增加镀层的装饰性及耐蚀性。铬酐碳酸钠亚硝酸
pH值
15g/L4g/L3g/L6.855℃5min因为镁合金耐酸碱性均较差,配方中不宜含氢氧化钠。碳酸钠磷酸钠
OP乳化剂
18g/L12g/L
温度时间微量
50~55℃5~10min
温度时间
2 试验结果与讨论2.1 预镀液成分的影响
预镀液中主盐为镍离子与氟硼酸盐的衍生物,是电沉积的主体。其含量过低降低极限电流的密度,含量过高,减少阳极极化,使允许Dk值范围变窄,镀层的平整性下降,光亮度下降。氯化镍既是导电盐,又可作为主盐的补充,其含量在很宽范围内变化而不影响镀层的结合力和表面质量,但其含量对镀液蚀点有很大影响。试验表明:NiCl2每增加5g/L,蚀点下降4.5℃左右,此配方NiCl2最佳含量为20g/L。配合剂为钠盐,不加则镀层为泛白色,不光亮;加入过多虽然沉积速度有一定提高,但镀层表面发雾并与基体结合力下降,在随后续镀中导致镀层耐蚀、耐磨性下降。添加剂为环已六醇六磷酸脂,其浓度高,阳极化学溶解速度加大,镀液阳离子浓度升高,蚀点低,镀层呈雾状;浓度低,镀层表面质量差,影响续镀质量。光亮剂为芳香醛、糖精及甲酸钠配位体。
1.2.3 弱酸中和液配方及工艺中和的目的一方面防止脱脂液进入后续溶液中,另一方面可起到一定除杂质的作用,为出光打下基础。
醋酸缓蚀剂铬酐硝酸亚硝酸钠温度时间酸性氟化铵氢氟酸正磷酸温度时间主盐添加剂配合剂光亮剂阳极
pH值
10ml/L
微量
140g/L20ml/L15g/L
1.2.4 出光液配方及工艺
室温
2~5min85g/L2.7ml/L2.5ml/L
1.2.5 活化液配方及工艺
室温
合金表面气泡均匀为止
200g/L50g/L5g/L
2.2 预镀液电流密度的影响
允许的电流密度为5~8A/dm2。经热震试验表明,开始时电流Dk值应取下限。因为起始电流转高情况下,沉积速度虽很大,但结合力差。过一段时间后,电流Dk值应取上限。因为此时扩散与沉积速度达到平衡,镀层表面质量也较细密、平整及光亮。
1.2.6 预镀液配方及工艺
微量镍极
2.0~2.6
2.3 预镀层结合力试验
将尺寸为50mm×5mm×20mm的AM50镁合金试样在预镀工艺条件下镀覆15min后,在250℃热处理炉中保温1h,取出立即水冷5min。试验表明,起始Dk值大小对镀层与基体结合力有很大影响,电流密度超过5A/dm2结合力略有下降,超过8A/
dm2时结合力很差。反之,结合力很好。这表明,阴极存在析氢
电流密度时间搅拌方式
开始5min 5A/dm2后10min 8A/dm2
15min
阴极移动
反应。当Dk值较大时,由于反应速度快,一部分氢来不及析出
(下转第54页)
1.2.7 电镀镍工艺及配方
49
陈华茂等 超声电镀锡铋合金研究
更细致,使得结合力、抗氧化性、可焊性和耐蚀性等性能增强。
3) 超声搅拌加速了电极过程,提高了沉积速度和电流效
率,而且镀液很稳定。
[
参考文献]
图3 阴极电流密度DK2电流效率ηC
(图3a)和阴极电流密度DK2沉积速度VC(图3b)的关系曲线
[1] SuslickKS.Sonochemistry[J].Science,1990,147(23):1439~1445[2] 陈华茂,吴华强.超声波在电镀中的应用[J].化学世界.2003,44
(2):97~98
[3] 冯若,李化茂.声化学及其应用[M].合肥:安徽科技出版社,1992.
97~98
[4] 严怡芹,倪光明.我国电镀可焊性锡及锡基合金工艺的研究进展
[J].表面技术,1994,23(5):195~199
[5] 周邵民.电镀研究某些进展[A].中国电子协会电镀专业委员会.第
在超声波的作用下,该添加剂应用的光亮范围较宽,用量也很大,这可能与超声波对添加剂的分解作用有关;在电镀的过程中,只要保持添加剂浓度稳定在一定的范围内,超声波的作用不会降低镀液的稳定性。
4 结 论
1) 超声波的介入改善和优化了操作条件,拓宽了电流密
六届全国电子电镀年会论文汇编[C].厦门:厦门大学出版社,
1995.
[6] 吴华强,陈华茂.多功能硫酸盐镀锡添加剂的研制[J].电镀与涂
度范围和温度范围。
2) 采用超声波电镀所得的锡铋合金层表面致密均匀,结饰,2000,19(3):21~22
[7] 吴华强,倪进治.可焊性光亮锡铋合金电镀工艺研究[J].表面技
晶
术.1998,27(2):7~9
[8] 陈华茂,吴华强.一种多功能镀锡添加剂镀液性能的研究[J].安徽
师范大学学报(自然科学版),2001,24(3):269~270
(上接第49页)
而以原子状态渗入到镁基体及镀层中,使基体和镀层结合力下降,镀层变脆。
2.4 镀层的显微分析
利用金相显微镜和SEM分析得知,镍镀层晶粒非常细小,在20000倍SEM下看不到明显的结晶组织。从镀层的断面可看到,镀层与基体结合紧密。镍离子堆积均匀,呈规则排列。用肉眼观察,表面光亮,无发雾现象。通过X射线能谱分析及电子探针微区成分分析结果可知,镀层为层状结构,各层之间结合紧密,无裂纹。镀层主要元素为Ni、Al、O、Mg,其中Ni含量超过
96%以上。
图1镀层硬度与时效温度的关系 图2镀层磨损率与时效温度的关系
1) 研究开发出镁及镁合金表面预镀镍及镀镍工艺,镀层光亮、均匀、致密。
2) 在适当的电流密度下,预镀层与基体结合紧密,镍含量
2.5 镀层硬度和耐磨性
利用TI型显微硬度计,对镀态及50、150、200、250、300时效试样进行硬度测定。在KLAXON型往复试验机上进行磨损试验
(载荷2N,往返速度25次/min,行程8mm)。结果如图1、图2所
超过96%。
3) 镀层镀态硬度为HV370,在250℃时效时,硬度可达HV510,磨损率达到31×10-6mm3/min,比镁基体有显著提高。
[参考文献]
[1] 美国金属学会.金属手册(2)[M].北京:机械工业出版社,1997.[2] 高福麒,高斌,高翔.镁合金及其表面电镀技术[J].表面技术,2004,
33(1):8~10
[3] 刘新宽,向阳辉,王渠东.Mg合金的防蚀处理[J].腐蚀科学与防护
示。镀态的硬度为HV370,随着时效温度的提高,硬度略有提高,在250℃左右达到HV510。这是因为,虽然镀层结构无太大变化,但由于镍及其它原子扩散偏聚,起到一定的弥散强化作用。当时效温度超过300℃时,由于晶粒聚集粗化,镍发生再结晶,从而使镀层硬度略有下降,但通过磨损试验表明,镀层延展性大为改善,韧性大大增强。
技术,2001,(4):211
[4] BartakDE,SchleismanTD,WooseyER.Electrodepositionandcharacter2
isticsofasilicon2oxidecoatingforMagnesiumalloys[J].In48thworldmag2nesiumconf,1991.55
3 结 论
54
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