PDF《AlSiMg 合金化学镀镍的研究》

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1 - AlSiMg 合金化学镀镍的研究 徐洋,邱星武,任鑫 辽宁工程技术大学材料科学与工程系 辽宁阜新 (123000) E-mail:[email protected] 摘要:本实验以汽车行业广泛使用的铝合金 AlSiMg 为研究对象.研究了在 AlSiMg 合金 基体上直接化学镀镍和在基体上电镀 Cu 后化学镀镍.采用扫描电子显微镜分析技术、盐雾 法和锉刀法等试验方法比较了 AlSiMg 两种不同工艺得到的镀层的表面形貌、耐蚀性和结合 力.结果表明:两种样品的 Ni 镀层都具有很好的耐蚀性及较好的结合力,对AlSiMg 基体 都具有良好的保护作用.与AlSiMg 合金直接化学镀镍相比,AlSiMg 基体电镀 Cu 后化学镀 镍具有更好的性能. 关键词:AlSiMg 合金,电镀铜,化学镀镍,显微组织,力学性能 中图分类号:TQ153.2 1.引言 AlSiMg 合金是一种新型材料,国内尚未研制,在很多行业有广泛应用.该合金有热处 理强化效果,良好的机械性能,其流动性、填充性好,其热膨胀系数小[1~3] .另外,作为变 形材料的 Al-Si 系合金有很好的锻造合金和焊接、钎焊等接和用合金.这些变形合金也有好 的耐磨性、热膨胀系数小、良好的流动性和阳极氧化性.AlSiMg 合金是目前汽车、摩托车 轮毂使用最为广泛的铸造合金. 随着汽车和摩托车工业向轻量化发展, 对铝合金轮毂材料质 量和力学性能的要求越来越高.通过向 AlSiMg 合金中加 Al-Ti、Al-Ti-B 等晶粒细化剂,细 化合金晶粒,提高合金的力学性能[4] .AlSiMg 合金流动性和铸造填充性好,该合金为高硅 合金, 由于有强化相 Mg2Si 和在铝中温度场有较大的溶解度的变化, 因此具有良好的强化效 果,特别是人工时效机械性能有显著变化,同时也有良好的塑性.另外,该合金中 Ti 和Sr 元素合金对晶粒细化变质效果明显, 热处理后有明显的球化效果, 经实践应用机械性能很好: 硬度大于等于 60HB、抗拉强度大于等于 214MPa、屈服强度大于等于 114MPa 、延伸率大 于等于 7%,A356 系列铝合金为优良的铸造铝合金[5] .为了提高 AlSiMg 合金表面性能,本 文尝试了在 AlSiMg 合金基体上直接镀镍和电镀铜后沉积镍两种工艺,并比较其耐蚀性、显 微硬度、表面形貌、结合力等.以便获得比较好的铝合金化学镀镍方案,进而研究其机理并 应用到实际的工业生产中.这对于推广铝合金的产业化具有重大的意义和应用价值. 2.实验过程 2.1化学镀镍的机理 化学镀镍是以次亚磷酸盐为还原剂将镍盐还原成镍, 同时使金属层中含有一定的磷. 沉 淀的镍膜具有自催化性,可使反应继续进行下去.即Ni 沉积在镀件表面发生自催化. 化学镀 Ni-P 合金机理: 在工件表面化学镀镍,H2PO3 - 作还原剂在酸性介质中的反应式为: Ni2+ +H2PO2 - +H2O→H2PO3 - +Ni+2H+ 它有以下几个基本步骤: 1)反应物(Ni2+ 、H2PO2 - 等)向表面扩散 2)反应物在催化表面上吸附 3)在催化表面上发生化学反应 http://www.paper.edu.cn -

2 - 4)产物(H+ 、H2 、H2PO3 - 等)从表面层脱附 5)产物扩散离开表面 这些步骤中按化学动力学基本原理,最慢的步骤是整个沉积反应的控制步骤. 2.2 实验材料 本实验采用的基体材料是 AlSiMg 铸造铝合金. 材料预处理:把试样用电火花切割机切成约 10mm*20mm*3mm 大小的块状. 磨光:先用锉刀和砂轮机处理试样,然后用粗纱纸 240#磨平试样.用水砂纸从 600#依 次打磨至 1000#.最后用 1200#碳化硅砂纸打磨,冷水冲洗,然后用丙酮清洗,晾干后置于 干燥器内待用. 2.3实验方法 2.3.1 化学镀镍体系的确定 在化学镀镍体系中,主要包括镍盐、还原剂、络合剂、稳定剂、缓冲剂等.它们在镀液 中各自起着不同的作用,对沉积速率、镀液的稳定性、镀层的磷含量等有着重要的影响.下 面简要介绍各个部分的主要作用. 1)主盐:本实验采用的主盐是醋酸镍,由它提供化学镀反应过程中所需要的镍离子. 可以控制基体的腐蚀,提高镀液的寿命. 2)还原剂:化学镀镍所使用的还原剂主要有次亚磷酸钠、硼氢化钠等几种.它们在结 构上共用的特征是含有两个或多个活性氢,还原镍离子就是靠还原剂的催化脱氢反应进行. 本实验采用的还原剂是次亚磷酸钠, 原因在于它的价格低廉, 有利于工业应用且镀液容易控 制,得到的 Ni 镀层性能优异. 3)络合剂:化学镀镍溶液中除了主盐和还原剂以外,最重要的组成部分就是络合剂. 它的作用是防止镀液析出沉淀, 增加镀液的稳定性并延长使用寿命, 提高沉积速度和镀浴工 作的 pH 范围,改善镀层质量.本实验所使用的络合剂为柠檬酸.柠檬酸的络合能力强,镀 层沿平行于基体的二维方向生长,得到的镀层平整、致密、孔隙小. 4)稳定剂:稳定剂的作用在于抑制镀液的自发分解,使施镀过程在控制下有序进行. 稳定剂是一种毒化剂即反催化剂, 只需加入痕量就可以抑制镀液自发分解. 稳定剂不能使用 过量, 过量后轻则减低镀速, 重则不再起镀. 稳定剂掩盖了催化活性中心, 阻止了成核反映, 但并不影响工件表面正常的化学镀过程. 本实验采用的稳定剂是碘酸钾. 碘酸根的含氧阴离 子稳定剂的使用可以改善硫化物类稳定剂强烈吸附使镀层出现孔洞的缺点. 5)加速剂:本实验所使用的加速剂为氟化氢铵.氟离子是目前发现的唯一的无机离子 加速剂.在铝、镁及钛等金属表面化学镀镍时有明显的效果.但其用量需要控制,含量过高 反而会降低沉积速度,还会镀液稳定性有影响. 6)缓冲剂:本实验选择的缓冲剂是醋酸钠,它能保持施镀过程中 pH 值不至于变化太 大,维持 pH 值在一定的范围. 2.3.2 AlSiMg合金基体直接镀镍工艺 除油→水洗→酸洗→活化→化学镀镍 化学镀镍的正交试验 为了研究铝合金化学镀镍各因素的交叉影响, 确定最佳镀镍条件, 对其主要影响因素进 http://www.paper.edu.cn -