酸性化學鍍鎳系統(tǒng)的優(yōu)化設計

趙永 楊勇

摘 要

研究了影響化學鍍鎳系統(tǒng)運行穩(wěn)定性的主要因素，重點介紹了化學鍍鎳槽體的優(yōu)化設計、陽極保護系統(tǒng)及鍍液的維護，對化學鍍鎳系統(tǒng)進行了優(yōu)化設計。使用效果表明該優(yōu)化設計能夠有效提高化學鍍鎳系統(tǒng)的穩(wěn)定性及鍍液的使用周期。

關鍵詞

化學鍍鎳;陽極保護;化學鍍鎳鍍液維護

中圖分類號： C23C18/32 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.19.071

Abstract

The main factors influencing the operation stability of the electroless nickel plating system are studied. The optimized design of the electroless nickel plating tank， the anode protection system and the maintenance of the plating solution are introduced. The electroless nickel plating system is optimized.The results show that the optimized design can effectively improve the stability of electroless nickel plating system and the service life of the bath.

Key words

Electroless nickel plating; Anodic protection; Maintenance of electroless nickel plating bath

0 前言

化學鍍鎳具有較好的深鍍和均鍍能力，可對形狀復雜的零件進行化學鍍，化學鎳鍍層均勻且具有優(yōu)越的防腐蝕性、耐磨性、防護性及裝飾性，廣泛應用于五金、汽車、電子、航空、航天等領域。酸性化學鍍鎳溶液具有腐蝕性強、鍍液不穩(wěn)定、工藝溫度高的特點，因此對化學鍍鎳設備有較高的要求。

化學鍍鎳過程中溶液需要進行不斷地攪拌及循環(huán)過濾，以保證溶液溫度及濃度的均勻并及時過濾掉施鍍過程產(chǎn)生的雜質(zhì)。酸性化學鍍鎳工藝溫度85-90℃，鍍槽材質(zhì)及結(jié)構(gòu)直接影響著化學鍍鎳設備的穩(wěn)定性及造價;PP塑料板雖然具有較好的耐腐蝕性能，但其在90℃下長期使用易老化變形，使用壽命短;PVDF塑料板雖然具有較好的耐腐蝕性能及耐溫性能，但設備造價較高;采用不銹鋼制作化學鍍鎳槽由于施鍍時槽壁上會有鎳沉積，極易引起鍍液自分解反應，因此必須配套設計鍍槽陽極保護系統(tǒng)，使槽壁處于電化學鈍化狀態(tài)，阻止鎳在槽壁上的沉積[1]。因此優(yōu)化設計的槽體結(jié)構(gòu)及陽極保護系統(tǒng)是化學鍍鎳設備穩(wěn)定運行的關鍵。

化學鍍鎳過程中鎳離子與還原劑不斷被消耗，必須及時分析測定與添加補充。目前多數(shù)電鍍廠都是人工取樣后由實驗員進行分析測定，然后根據(jù)分析結(jié)果進行補充添加，該法耗時長，分析結(jié)果滯后，難以保證工藝的穩(wěn)定性。鍍液自動分析添加系統(tǒng)能夠有效地解決上述問題[2]。

本文對化學鍍鎳槽槽體結(jié)構(gòu)及陽極保護系統(tǒng)進行了優(yōu)化設計，采用化學鎳自動分析添加系統(tǒng)對鍍液進行自動維護，經(jīng)過多個客戶現(xiàn)場的應用驗證了優(yōu)化設計的有效性。

1 化學鍍鎳槽優(yōu)化設計

如圖1所示化學鍍鎳槽采用不銹鋼板制作，內(nèi)槽四周采用圓弧整體式設計減少焊縫，使與鍍液接觸的槽內(nèi)壁更加光滑，以減少槽內(nèi)激化點，從而減少化學鎳在槽內(nèi)壁上的沉積;鍍槽內(nèi)槽底部采用錐形底設計，錐底底部設計過濾機抽液管、錐底兩相對側(cè)面設計有過濾機回液管;循環(huán)過濾時施鍍過程中產(chǎn)生的雜質(zhì)從錐底最低處進入過濾機過濾，然后過濾機將潔凈的鍍液從錐底側(cè)面的回液管輸送回鍍槽內(nèi)并在錐底附近產(chǎn)生湍流效應，這些結(jié)構(gòu)可以大大增強過濾機的過濾效果及溶液的攪拌效果。

2 化學鍍鎳槽陽極保護系統(tǒng)

2.1 陽極保護原理

在化學鍍鎳過程中，不銹鋼槽內(nèi)壁是一個活性激化點，在施鍍過程中鎳離子容易槽壁上沉積，導致化學鍍鎳溶液發(fā)生自分解反應。因此，對不銹鋼槽壁進行鈍化和陽極保護，才能有效阻止鎳在槽壁上的沉積。陽極保護法是在施鍍時對不銹鋼槽壁施加合適的電壓，用不銹鋼棒作為陰極，陰極靠近不銹鋼槽壁，使鍍槽處于電化學鈍化狀態(tài)，可有效地防止槽壁上金屬鎳的析出。根據(jù)w.Fields & R. Duncan的理論，典型酸性化學鍍鎳液（NiS04·6H2O 25g/L，NaH2P02·H2O 20g/L，NaAc· 3H2O 15g/L，Na3C6H5O7 2H2O 10g/L）中的不銹鋼槽的電化學特性見圖2，A至B之間是不銹鋼槽在酸性化學鍍鎳溶液中的鈍化區(qū)，因此把不銹鋼槽的電位控制在鈍化區(qū)槽壁既不會腐蝕也不會被鍍覆[3]。

2.2 陽極保護裝置的安裝

陽極保護裝置的安裝如圖3所示，恒壓直流電源（參數(shù)：輸出DC 5A/6V）正極與鍍槽槽壁相連，負極與陰極桿相連，加熱器、攪拌器、過濾器等不銹鋼部件與槽壁接觸，陰極桿安裝與槽壁與加熱器之間，盡量靠近加熱器，但與槽壁之間的距離應大于50mm[4]。

陰極桿一般采用光亮不銹鋼棒制作，長度為從槽口延伸至距離槽底100mm。陰極桿須與槽壁及槽內(nèi)其他不銹鋼部件絕緣，一般是把陰極桿裝在Φ25mm的聚丙烯管內(nèi)，聚丙烯管壁上開圓孔讓陽極桿與鍍液接觸，開孔總面積約為鍍槽槽體面積的0.5%[3]。對于容積在1000L以下的槽體，一般在槽體4個角落各安裝一個陰極桿并使對角位置的聚丙烯保護套管的開孔相對，對于容積大于1000L的槽體可以適當增加陰極桿的數(shù)量。

2.3 陽極保護裝置的使用

（1）在陽極保護系統(tǒng)恒壓直流電源開啟之前，須用30-40℃的50%硝酸浸泡不銹鋼鍍槽12小時以上，使不銹鋼槽壁鈍化，然后用純水沖洗至中性，確保槽內(nèi)壁及槽內(nèi)其它不銹鋼部件表面潔凈。

（2）在硝酸鈍化完成、化學鍍液送入鍍槽之后、鍍液加熱之前，必須立即開啟恒壓直流電源，電源調(diào)節(jié)為恒壓模式，電壓1.1V。

（3）陽極保護系統(tǒng)開啟之后，只要鍍液在不銹鋼鍍槽內(nèi)，無論鍍液是在工藝溫度（85℃-90℃）還是冷態(tài)下陽極保護電源都必須一直開著。

（4）隨著鍍液使用時間的增加，鍍液中雜質(zhì)會增多，電流會慢慢增大，會影響鍍液的使用時間及陽極保護效果，因此鍍槽在使用過程中必須開啟過濾機對鍍液進行連續(xù)過濾并及時更換濾芯。

（5）化學鍍鎳時，若鍍件或陰極棒接觸槽體，會使陽極保護失效，電流值會瞬間增大。因此使用過程中若發(fā)現(xiàn)鍍件調(diào)入槽內(nèi)，應及時取出。

（6）在化學鍍鎳過程中，陰極桿上有鎳層沉積，并且越來越厚，需經(jīng)常更換陰極桿。更換后的陰極桿放在40℃，50%的硝酸浸泡中12小時以退除鎳層。

（7）陽極保護系統(tǒng)使用過程中若發(fā)現(xiàn)電流值顯著增大或槽壁上有大量氣泡出現(xiàn)，應及時將鍍液溫度降低至60℃以下，并更換溶液。

3 鍍液維護

3.1 化學鎳溶液的自動分析與添加

化學鍍鎳反應過程中鎳離子不斷被消耗，磷酸根濃度不斷增大，H+不斷生成，鍍液pH值逐漸降低，要保證正常鍍速及鍍層質(zhì)量，延長鍍液的使用周期，必須對鍍液中成分進行實時分析并及時添加鎳鹽、還原劑、穩(wěn)定劑，調(diào)節(jié)鍍液PH使其在工藝允許的范圍內(nèi)。若采用人工定期取樣分析有一定的滯后性，直接影響鍍液的穩(wěn)定性，因此對鍍液進行自動分析與添加是實現(xiàn)化學鍍鎳連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)的關鍵。

如圖4所示，化學鍍鎳自動分析添加系統(tǒng)由自動采樣系統(tǒng)、在線分析系統(tǒng)和自動加藥系統(tǒng)組成。鍍液冷卻、過濾、消泡后進入鎳分析探頭及PH分析探頭，控制系統(tǒng)PLC根據(jù)鎳分析探頭及PH分析探頭的分析數(shù)據(jù)，控制Ni鹽、PH調(diào)節(jié)劑的添加，添加Ni鹽的同時，按照化學鍍液藥水說明書規(guī)定的比例同時還原劑及穩(wěn)定劑。

3.2 鍍液的攪拌與過濾

產(chǎn)品在化學鍍鎳溶液中連續(xù)施鍍過程中會產(chǎn)生雜質(zhì)，及時過濾掉溶液中的雜質(zhì)可以延長鍍液的使用周期，因此在化學鍍鎳過濾中應連續(xù)過濾，并根據(jù)產(chǎn)量及時更換濾芯。

化學鍍鎳過程保證溶液溫度場及濃度場的均勻?qū)ΡＷC鍍層質(zhì)量、延長鍍液使用周期是非常關鍵的，因此在化學鍍鎳時要對鍍液連續(xù)攪拌，常見的攪拌方式有壓縮空氣攪拌、機械攪拌槳攪拌和泵攪拌。采用壓縮空氣攪拌會加速鍍液的揮發(fā)，污染工作環(huán)境;采用泵攪拌對泵的耐腐蝕性、耐溫性及穩(wěn)定性有著較高的要求，造價較高;因此我司生產(chǎn)的化學鍍鎳槽大都采用機械攪拌槳攪拌。

4 應用案例及結(jié)論

根據(jù)近3年我司生產(chǎn)的化學鍍鎳系統(tǒng)在客戶的使用情況證明本文所提及的針對化學鍍鎳系統(tǒng)槽體結(jié)構(gòu)、陽極保護系統(tǒng)及鍍液維護方面的優(yōu)化大大延長化學鍍鎳槽的硝槽周期、延長鍍液的使用壽命、提高鍍層均勻性，實現(xiàn)化學鍍鎳的連續(xù)生產(chǎn)，減少泡槽硝酸的使用量。

參考文獻

[1]一種新型不銹鋼化學鍍鎳槽[P].中國.C23C 18/32（2006.1）.CN 103741124 A.2014.4.23.

[2]程瑤，鐘洪勝，岳麗. 化學鍍鎳液的在線分析及維護系統(tǒng)[J].電鍍與涂飾，2019，38（18）：1012-1014.

[3]W.Fields & R.Duncan.化學鍍用不銹鋼槽的電化學鈍化[J].電鍍與環(huán)保，1992，12（3）：（18）：：15-17.

[4]馬建鐵.化學鍍煤不銹鋼槽體的陽極保護[J].表面技術(shù)，1999，28（6）：46-47.