鍍液添加劑對(duì)鍍層內(nèi)應(yīng)力影響的研究

張守華，張友亮，鄧志偉

(1.安泰科技股份有限公司，北京 100083；2.安泰愛科科技有限公司，山東 淄博 255022)

0 引言

在電鍍過程中，由于金屬的結(jié)晶有一定變形或有異相滲入會(huì)產(chǎn)生一定的內(nèi)應(yīng)力，這種現(xiàn)象在鍍鎳過程中尤為明顯[1]。鍍層的內(nèi)應(yīng)力可分為兩類：一類是使鍍層本身體積有膨脹趨勢(shì)的應(yīng)力，稱為壓應(yīng)力；另一類是使鍍層體積有收縮趨勢(shì)的應(yīng)力，稱為拉應(yīng)力。鍍層的內(nèi)應(yīng)力在一定范圍內(nèi)使鍍層的耐蝕性降低，尤其在內(nèi)應(yīng)力突變的部位，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的腐蝕，當(dāng)內(nèi)應(yīng)力較大時(shí)，還會(huì)使鍍層出現(xiàn)起泡、開裂和局部脫落等現(xiàn)象，影響鍍層的結(jié)合強(qiáng)度[2-3]。在生產(chǎn)中，經(jīng)常由于鍍液溫度、pH值和添加劑等控制不當(dāng)，使鍍層聚集了過高的內(nèi)應(yīng)力，進(jìn)而影響鍍層的外觀、耐蝕性和結(jié)合力。本文重點(diǎn)研究了瓦特鍍鎳溶液中不同添加劑對(duì)鎳層內(nèi)應(yīng)力的影響，為后續(xù)鍍液維護(hù)提供依據(jù)，確保生產(chǎn)順利進(jìn)行。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

(1)DRZ-20D電阻爐；

(2)實(shí)驗(yàn)用電鍍電源(QJE，ps3005，0-30V，0-5A)；

(3)pH計(jì)(PHS-3E)；

(4)分析天平(實(shí)際分度值：0.1 mg)。

1.2 基材

實(shí)驗(yàn)所采用的材料為H62黃銅基材，其主要成分為60.5～63.5%的銅，鋅余量。試樣規(guī)格100 mm×15 mm×0.1 mm，彈性模量為1.1×106 Kgf/cm2，單面密封膠密封。

1.3 鍍鎳工藝流程及溶液配方

條形片去除應(yīng)力→單面絕緣→除油、水洗→鍍鎳水洗、吹干→彎曲度測(cè)量→鍍層厚度測(cè)量→計(jì)算應(yīng)力值。

鍍液的組成及工藝條件分別見表1。

表1 鍍鎳溶液組成及工藝條件

1.4 鍍層內(nèi)應(yīng)力測(cè)試

采用條形陰極法，條形陰極為100 mm×15 mm×0.1 mm的銅片，在電阻爐中450 ℃保溫2 h去除銅片的加工應(yīng)力，單面密封膠密封，經(jīng)除油、水洗后，上端固定，下端為自由端，在一定條件下電鍍后，取出試片，水洗吹干，利用標(biāo)尺槽準(zhǔn)確測(cè)量試片的偏轉(zhuǎn)量，再利用分析天平得出電鍍前后的重量差，計(jì)算平均鍍厚，最后通過內(nèi)應(yīng)力計(jì)算公式計(jì)算內(nèi)應(yīng)力大小[4]。這種條形陰極法測(cè)得的內(nèi)應(yīng)力是一個(gè)半定量性質(zhì)的。表達(dá)公式如下[5]：

式中：S為鍍層內(nèi)應(yīng)力(N/mm2)；E為基體材料的彈性模數(shù)(Kgf/cm2)；t為試片的厚度(mm)；d為鍍層的平均厚度(mm)；L為試片電鍍面的長(zhǎng)度(mm)；R為試片自由端偏轉(zhuǎn)量(mm)。

平均鍍層厚度計(jì)算公式為：

式中：d為鍍層的平均鍍厚(mm)；m0為電鍍前試片的重量(g)；m1為電鍍后試片的重量(g)；p為試片鍍層金屬的密度(g/cm3)；s為試片受鍍的表面積(mm2)。

2 結(jié)果與討論

2.1 初級(jí)光亮劑(SB-71)對(duì)鍍層內(nèi)應(yīng)力的影響

為研究初級(jí)光亮劑對(duì)鍍層內(nèi)應(yīng)力的影響，實(shí)驗(yàn)鍍液的工藝參數(shù)Jk為2.0 A/dm2，pH值為4.2，t為20 min，利用條形陰極法測(cè)試鍍液SB-71的含量為0.5 mL/L、1.0 mL/L、1.5 mL/L、2.0 mL/L、2.5 mL/L、3.0 mL/L、3.5 mL/L、4.0 mL/L和4.5 mL/L時(shí)，鍍層的內(nèi)應(yīng)力，結(jié)果如圖1所示。

圖1 初級(jí)光亮劑(SB-71)對(duì)鍍層內(nèi)應(yīng)力的影響

由圖1可知，鍍鎳溶液不加任何添加劑時(shí)，有較高的拉應(yīng)力(約116 N/mm2)；初級(jí)光亮劑(SB-71)對(duì)鍍鎳層的內(nèi)應(yīng)力影響明顯，表現(xiàn)為較強(qiáng)的壓應(yīng)力，隨著SB-71的不斷增加，鍍層內(nèi)應(yīng)力逐漸降低；當(dāng)其含量為3 mL/L時(shí)，內(nèi)應(yīng)力幾乎為零；當(dāng)其含量大于3 mL/L時(shí)，隨著添加劑的增加，鍍層表現(xiàn)的壓應(yīng)力逐漸增大。

2.2 次級(jí)光亮劑(SB-72)對(duì)鍍層內(nèi)應(yīng)力的影響

為研究次級(jí)光亮劑對(duì)鍍層內(nèi)應(yīng)力的影響，實(shí)驗(yàn)鍍液的工藝參數(shù)Jk為2.0 A/dm2，pH值為4.2，t為20 min,利用條形陰極法測(cè)試鍍液SB-72的含量為0.5 mL/L、1.0 mL/L、1.5 mL/L、2.0 mL/L和2.5 mL/L時(shí)，鍍層的內(nèi)應(yīng)力，結(jié)果如圖2所示。

圖2 次級(jí)光亮劑(SB-72)對(duì)鍍層內(nèi)應(yīng)力的影響

由圖2可知，鍍鎳溶液不加任何添加劑時(shí)，有較高的拉應(yīng)力(約116 N/mm2);次級(jí)光亮劑(SB-72)對(duì)鍍鎳層的內(nèi)應(yīng)力影響明顯，表現(xiàn)為較強(qiáng)的拉應(yīng)力，隨著SB-72的不斷增加，鍍層內(nèi)應(yīng)力逐漸降增大，當(dāng)其含量為2.0 mL/L時(shí)，內(nèi)應(yīng)力增加遲緩；實(shí)際生產(chǎn)中需控制次級(jí)光亮劑(SB-72)的補(bǔ)加量。

2.3 潤(rùn)濕劑(NS-AP)對(duì)鍍層內(nèi)應(yīng)力的影響

為研究潤(rùn)濕劑對(duì)鍍層內(nèi)應(yīng)力的影響，實(shí)驗(yàn)鍍液的工藝參數(shù)Jk為2.0 A/dm2，pH值為4.2，t為20 min,利用條形陰極法測(cè)試鍍液NS-AP的含量為0.2 mL/L、0.5 mL/L、0.8 mL/L、1.0 mL/L和1.5 mL/L時(shí)，鍍層的內(nèi)應(yīng)力，結(jié)果如圖3所示。

圖3 潤(rùn)濕劑(NS-AP)對(duì)鍍層內(nèi)應(yīng)力的影響

由圖3可知，鍍鎳溶液不加任何添加劑時(shí)，有較高的拉應(yīng)力(約116 N/mm2)；潤(rùn)濕劑(NS-AP)對(duì)鍍鎳層的內(nèi)應(yīng)力影響不明顯，表現(xiàn)為較弱的壓應(yīng)力，隨著NS-AP的不斷增加，鍍層內(nèi)應(yīng)力逐漸降低；當(dāng)其含量為1.5 mL/L時(shí)，內(nèi)應(yīng)力降低遲緩。

綜上，結(jié)合三種添加劑對(duì)鍍層內(nèi)應(yīng)力的影響，實(shí)驗(yàn)鍍液的工藝參數(shù)Jk為2.0 A/dm2，pH值為4.2，t為20 min，利用條形陰極法測(cè)試鍍液三種添加劑的含量比例(初級(jí)光亮劑∶次級(jí)光亮劑∶潤(rùn)濕劑)為1∶1∶0.8時(shí)，鍍層的內(nèi)應(yīng)力最小，接近于零。

3 結(jié)語

瓦特鍍鎳溶液在工藝參數(shù)Jk為2.0 A/dm2，pH值為4.2時(shí)：

(1)無添加任何添加劑，鍍鎳層的內(nèi)應(yīng)力表現(xiàn)為拉應(yīng)力；

(2)初級(jí)光亮劑(SB-71)和潤(rùn)濕劑(NS-AP)均表現(xiàn)為壓應(yīng)力，次級(jí)光亮劑(SB-72)表現(xiàn)為較強(qiáng)的拉應(yīng)力；

(3)幾種添加劑的合理搭配(初級(jí)光亮劑∶次級(jí)光亮劑∶潤(rùn)濕劑=1∶1∶0.8)可以使鍍層的內(nèi)應(yīng)力變小，甚至可以趨近于零。