超聲波輔助化學鍍工藝及性能研究

趙 霞，王 濤

（西安創(chuàng)聯電鍍有限責任公司，陜西 西安 710065）

工業(yè)制作中金屬表面處理是非常重要的一環(huán)，通過金屬表面處理可以有效的去除金屬表面污漬，通過鍍層工藝保護好金屬表面不受到氧化、腐蝕等破壞。常見的金屬表面處理工藝中化學鍍具有非常好的均勻鍍的能力，因此化學鍍經常被運用于電子產品、汽車零部件以及航空航天零部件等領域。鎂合金以其輕質的特點應用于汽車、航空等多個領域，但也存在一定的缺點，在鎂合金表面利用化學鍍覆蓋一層Ni-P合金層之后，可以提升鎂合金的抗腐蝕和抗磨損能力，同時還可以優(yōu)化鎂合金的電磁、力學特性。

傳統的鎂合金化學鍍Ni-P，需要在八九十度的水浴中完成。整個過程耗能大，鍍層穩(wěn)定性不高，還會產生一些對環(huán)境有害的物質。而利用超聲波輔助鎂合金Ni-P化學鍍，恰好可以解決以上問題，優(yōu)化化學鍍之后的產品性能。因此，本文將通過實驗獲得超聲波輔助鎂合金Ni-P化學鍍的超聲波功率。

1 超聲波輔助鎂合金Ni-P化學鍍實驗

1.1 實驗方案介紹

首先，準備實驗材料。本次實驗使用10mm*10mm*10mm的鎂合金作為基材。并使用不同規(guī)格的砂紙對基材進行表面打磨，使用丙酮溶液對打磨后的基材進行清洗，利用堿洗去污，利用酸洗刻蝕，并進行活化處理。

表1 比較實驗研究方案

如下表所示，為了準確了解不同功率的超聲波對化學鍍工藝及性能的影響，本文使用40kHz頻率90W和150W兩種功率的超聲波輔助化學鍍，然后分別與常規(guī)水浴加熱化學鍍進行比較，從而獲得超聲波功率對化學鍍工藝及性能的影響指標。

1.2 實驗比較指標

1.2.1 沉積速率

通過增重法獲得鎂合金化學鍍層的沉積速率，具體可用如下公式計算：

1.2.2 微觀形態(tài)

使用電子顯微鏡觀察不同化學鍍實驗之后樣品鍍層的微觀形態(tài)。

1.2.3 耐腐蝕性

采用鹽水噴灑實驗測定不同化學鍍實驗之后樣品鍍層的耐腐蝕性。

1.2.4 硬度

使用顯微硬度計測量不同化學鍍實驗之后樣品鍍層的硬度。

1.2.5 表面粗糙度

采用輪廓儀測定不同化學鍍實驗之后樣品鍍層表面的粗糙度。

1.2.6 結合力

采用劃線法和熱震實驗測定不同化學鍍實驗之后樣品鍍層的結合力。

2 超聲波輔助鎂合金Ni-P化學鍍實驗結果

2.1 超聲波輔助對鎂合金Ni-P化學鍍的工藝影響

2.1.1 沉積速率

通過表2的實驗結果可以看出，5種實驗方案中，常規(guī)85℃水浴加熱條件下的化學鍍的沉積速率最小；通過實驗方案1和2以及4和5可以看出隨著超聲波的增加，鎂合金Ni-P化學鍍的沉積速率增加；通過實驗方案1和4以及2和5可以看出隨著溫度的增加，鎂合金Ni-P化學鍍的沉積速率也會增加；因此五組實驗方案中第五組鎂合金Ni-P化學鍍的沉積速率最高，達到了24.7um/h。

表2 沉積速率實驗結果比較

主要原因是：一方面超聲波在鍍液中產生的高速微射流隨著超聲波的功率增加而作用越大，對溶液的攪拌能力越強，沉積速率越大；另一方面超聲波可以有效清潔基體表面，提高基體表面的催化活性；第三，超聲波將水分子分解為活化態(tài)的氫原子，在催化劑以及溫度的作用下加速速Ni2+，H2PO2氧化還原生成NiP的反應。

2.1.2 微觀形態(tài)

在65℃、150W的條件下，鎂合金Ni-P化學鍍鍍層表面均勻堆積球狀鍍層顆粒。而85℃、150W的條件下，鎂合金Ni-P化學鍍鍍層表面出現了體積不均勻的顆粒堆積狀態(tài)，甚至出現了大小不一的孔洞。

究其原因主要是在溫度適宜（65℃）的條件下，超聲波可以有效的提升鍍層表面顆粒的沉積速率。在沉積速率適當的條件下，鍍層顆粒在基體表面進行均勻堆積。而隨著溫度的增加，會導致沉積速率過的快，而在堆積層表面大量堆積的過程中產生體積較大的顆粒，甚至出現氣泡或者脫落現象，而造成鍍層表面出現空洞等問題。因此，超聲波輔助鎂合金Ni-P化學鍍工藝過程中需要適當的降低化學度的溫度，以實現提升化學鍍工藝，同時有效降低能耗。

2.1.3 硬度

使用顯微硬度計測量不同化學鍍實驗之后樣品鍍層的硬度，具體見表3所示。

表3 硬度實驗結果比較

通過上表可以看出，65℃、150W條件下超聲波輔助對鎂合金Ni-P化學鍍產品的硬度最佳，達到了597HV，硬度遠高于常規(guī)水浴加熱化學鍍的硬度。

究其原因是超聲波給球狀鍍層顆粒加以能量，使得這些顆粒被壓實在鍍層表面，從而產生一定的硬化作用。同時該條件下，超聲波的攪拌作用使得鍍層表面球狀鍍層顆粒更加均勻，顆粒之間的應力作用更加一致。

2.1.4 耐腐蝕性

金屬表面鍍層一個重要的原因就是為了提升金屬表面的耐腐蝕性，鍍層的一致性和完整性是耐腐蝕性至關重要的前提。

表4 耐腐蝕性實驗結果比較

對五組實驗結果的樣品進行鹽霧實驗，發(fā)現65℃、150W條件下超聲波輔助對鎂合金Ni-P化學鍍產品的耐腐蝕性最佳。主要原因與在該條件下的鍍層微觀形態(tài)以及表面硬度形成的機理相關，超聲波改善了鍍液中的微觀分散度，使得P元素在鍍層表面分布的更加均勻，鍍層更加細密，孔隙、麻點等缺陷的發(fā)生率更低。而第五組（85℃、150W）的條件下，耐腐蝕性最差，主要是因為該條件下微觀形態(tài)鍍層表面出現了空洞等問題，從而大大降低了鍍層的耐腐蝕性。

2.2 超聲波輔助對鎂合金Ni-P化學鍍的性能影響

2.2.1 粗糙度

采用輪廓儀測定不同化學鍍實驗之后樣品鍍層表面的粗糙度，可以發(fā)現超聲波輔助鎂合金Ni-P化學鍍的樣品表面粗糙度Ra均值為0.036μm。實驗結果說明了超聲波輔助鎂合金Ni-P化學鍍樣品表面光滑明亮、裝飾性強、抗腐蝕性好，有利于提升樣品的使用年限。

2.2.2 結合力

鍍層表面具備良好的結合力是鍍層保護基材的重要指標。采用劃線法和熱震實驗測定不同化學鍍實驗之后樣品鍍層的結合力。結果表明超聲波輔助鎂合金Ni-P化學鍍樣品鍍層無起皮、剝落等現象。鍍層中的Ni、P元素分布較為均勻，從鍍層到過渡層再到基材，鍍層元素Ni、P呈現出逐漸下降，而鎂元素逐漸上升的趨勢，說明了在超聲波輔助鎂合金Ni-P化學鍍的過程中，兩種鍍層和基材元素在接觸面形成了良好的擴散現象，大大提升了鍍層的結合力，使得鍍層與基材更加密實，不易脫落。

3 結論

超聲波輔助鎂合金Ni-P化學鍍可以有效的提升化學鍍過程中的沉積速率，并且沉積速率隨著溫度和功率的增加而增加。在溫度和功率條件最優(yōu)化的情況下，鍍層表面的球狀鍍層顆粒均勻分布，密度較高，有效降低空隙、麻點等缺陷，提升了鍍層的硬度和耐腐蝕性，同時也提升了產品表面光滑度。通過本次實驗可以得出65℃、150W條件下，超聲波輔助鎂合金Ni-P化學鍍產品的綜合性能最佳，可以起到最佳的保護作用。