化學鍍鎳溶液中Al3+、Ti4+和Cr3+雜質對鍍層性能的影響

周佑明， 王春霞， 曹經倩

(1.金柯有色金屬有限公司，江蘇 昆山215301;2.南昌航空大學材料學院，江西 南昌330036;)

引 言

化學鍍鎳層具有良好的耐蝕性和耐磨性，廣泛應用于石油化工、機械模具、電子和航空航天工業等［1］。目前，化學鍍鎳是一種非常成熟的工藝，但在生產過程中由于管理不善或原材料純度不高，鍍液雜質不斷積累，往往使鍍層的外觀、結合力和耐蝕性下降，影響鍍層質量。基于此，電鍍工作者研究了Cu2+、Fe2+和Zn2+雜質對鍍層的影響，給工藝管理提供了技術支持［2-4］，但對于Al3+、Ti4+和 Cr3+雜質未作深入研究，而這些雜質往往來源于化學鍍鎳的主鹽硫酸鎳，其對鍍層的影響不可忽視。

本文分別研究了化學鍍鎳液中含有Al3+、Ti4+和Cr3+三種雜質時，對化學鍍鎳層的微觀形貌、結合力及耐蝕性的影響，這對電鍍企業生產，原料的選擇具有指導意義。

1 實驗

1.1 基材與工藝

實驗基材A3鐵，規格為50mm×100mm×1mm。

化學鍍鎳工藝流程:打磨試件→除油→水洗→活化→水洗→化學鍍鎳→水洗→吹干。

依次用180～800號砂紙對基材表面進行打磨拋光;采用市售Fec-5602堿性除油劑，除油液組成及操作條件為40～60g/L Fec-5602，θ為40～70℃，t為2 ～10min;活化溶液V(H2O)∶V(H2SO4)=10∶1，室溫，t為 30s。化學鍍鎳溶液 60mL/L A劑，150mL/L B 劑，pH 為4.4 ～4.8，t為85 ～89℃，t為1h。鍍液溫度通過恒溫水浴鍋控制。A劑450g/L NiSO4·7H2O、25g/L乳酸(88%);B劑60g/L氫氧化鈉、260g/L絡合劑B、180g/L次磷酸鈉和14mg/L穩定劑。

1.2 基礎鍍液與雜質溶液的分析

利用725-ES型號的ICP-AES(美國Varian公司)分析基礎化學鍍鎳液中三種雜質的含量，見表1。選擇Al2(SO4)3、Cr2(SO4)3和 Ti(SO4)2作為雜質分別配制成溶液，利用ICP-AES進行準確分析，結果見表2。在基準溶液中添加一種雜質元素，使得鍍液所含雜質為所需濃度，且在相同工藝條件下進行各項性能測試。

表1 基礎鍍液中雜質離子質量濃度

表2 雜質溶液的質量濃度

1.3 性能檢測

1)利用Quanta2000型掃描顯微鏡觀察化學鍍鎳層的表面形貌;

2)利用MFT-4000多功能材料表面性能試驗機(中科院蘭州化學物理研究所)檢測鍍層的結合力，加載速度40N/m，劃痕長度5mm，采用該試驗機的雙重模式進行測量綜合考慮摩擦力和聲信號曲線情況，取其曲線上有突變處所對應的載荷(臨界載荷)作為測量值。每個鍍鎳層試樣測量3次，取平均值作為最終的測量值;

3)采用標準ASTM B117-03進行中性鹽霧試驗，評價鍍層的耐蝕性。

2 結果與討論

2.1 鍍層的表面形貌

基礎化學鍍鎳液分別引入Al3+、Cr3+和Ti4+雜質，施鍍1h，鍍鎳層δ為14～15μm，所得鍍層外觀形貌(SEM)見圖1。

圖1 鍍層表面SEM照片

由圖1可以看出，基礎鍍液所獲取鍍鎳層表面胞狀物細小，分布均勻見圖1(a);Al3+雜質的引入，鍍層表面胞狀物稍有減少，但體積稍有增大見圖1(b)，肉眼觀察，鍍層光澤性較基礎鍍液無明顯區別;Cr3+雜質的引入，使鍍層表面胞狀物堆積嚴重，體積明顯增大，嚴重影響鍍層的光亮度見圖1(c)，肉眼觀察，鍍層光澤性明顯變差;Ti4+雜質的引入，使鍍層表面胞狀物堆積度下降，數量明顯減少，表面平整見圖1(d)，肉眼觀察鍍層明顯較基礎鍍液光亮。

2.2 鍍層的結合力

圖2為化學鍍鎳液分別含三種雜所得鍍層的結合力，鍍層δ為14～15μm。

圖2 雜質對化學鍍鎳層結合力的影響

從圖2中可以看出，隨著Al3+質量濃度的增加，化學鍍鎳鍍層的結合力降低如圖2曲線a，有少量試樣彎折試驗出現微脫皮現象;Cr3+質量濃度從2mg/L增至 10mg/L，鍍層結合力大幅度下降，10mg/L到100mg/L變化較小見圖2曲線b，有少量試樣彎折試驗出現脫皮現象;隨著Ti4+質量濃度的增加，化學鍍鎳鍍層結合力有大幅度降低如圖2曲線c，彎折試驗大部分試樣出現微脫皮和脫皮現象。三種雜質的引入，均使鍍層的結合力下降。

2.3 鍍層的耐蝕性

基礎化學鍍鎳液分別引入Al3+、Cr3+和Ti4+雜質，施鍍 1h，鍍鎳層 δ為 14～15μm，按照 ASTM B117-03標準，進行中性鹽霧試驗8h，鍍層外觀見圖3、圖4和圖5。

圖3 Al3+對鍍層鹽霧試驗的影響

圖4 Cr3+對鍍層鹽霧試驗的影響

圖5 Ti4+對鍍層鹽霧試驗的影響

從圖3、圖4和圖5可以看出，高質量濃度的Al3+、Cr3+和Ti4+三種雜質均使化學鍍鎳層的耐蝕性降低，但Al3+對鍍層耐蝕性的影響較其它兩種雜質要小，Ti4+對鍍層的耐蝕性影響最嚴重，試驗中發現高質量濃度的Ti4+(100mg/L)雜質還使化學鍍鎳液穩定性下降，易發生自發分解現象。

2.4 討 論

從上述結果可以看出，化學鍍鎳溶液中三種雜質均對化學鍍鎳層性能有一定的影響。鍍液中100mg/L以下的Al3+雜質雖然對鍍層外觀形貌、耐蝕性影響較小，但降低了鍍層的結合力;鍍液中100mg/L以下的Cr3+雜質使得鍍層外觀變暗，結合力下降，耐蝕性下降;Ti4+雖然可以增強鍍層的光亮性，但鍍層的結合力明顯降低，總之，三種雜質共同特性，均使鍍層的結合力和耐蝕性下降。為此，在生產中必須嚴格控制鍍液中雜質含量，是確保鍍層結合力和耐蝕性的首要條件。硫酸鎳作為化學鍍鎳的主鹽，在化學鍍鎳濃縮液中高達460g/L，生產中化學鍍鎳液一般使用8～10周期，并且隨鎳鹽不斷消耗，硫酸鎳不斷補加，若其雜質含量較高，則雜質積累較快，對化學鍍鎳后周期鍍層結合力影響很大，所以硫酸鎳的純度是生產用戶必須重視的環節。

3 結論

1)Al3+雜質對鍍層的外觀影響較小，高質量濃度的Al3+(100mg/L)使鍍層結合力和耐蝕性降低。

2)Cr3+雜質使鍍層的外觀變差，高質量濃度的Cr3+(100mg/L)使鍍層結合力和耐蝕性降低。

3)Ti4+雖有利于增強鍍層的光亮性，但使鍍層的結合力和耐蝕性降低，當其質量濃度達10mg/L時，鍍液易發生分解。

［1］ Keene R H.Application and control of electroless nickel process at northwest airline［J］.Plating and Surface Finishing，1998，75(12):22-25.

［2］ 張允誠，胡如南，向榮.電鍍手冊［M］.北京:國防工業出版社，2007:215-216.

［3］ 李國斌，彭榮華，唐冬秀，等.光亮鍍鎳液中雜質對鍍層性能的影響與去除［J］.材料保護，2002，35(8):57.

［4］ 謝廣文，石玉龍，彭紅瑞，等.化學鍍鎳磷合金鍍液中雜質顆粒對鍍層耐蝕性的影響［J］.電鍍與涂飾，2006，19(3):9-10.

［5］ 張景雙，石金聲，石磊，等.電鍍溶液與鍍層性能測試［M］.北京:化學工業出版社，2003:71-132.