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易切削锌–铜–镁–铝–稀土锌合金表面电镀光亮镍

发布日期：2012-06-20 浏览次数：1702

核心提示：　　易切削锌铜镁铝稀土锌合金表面电镀光亮镍　　周宏明，肖来荣，刘芙蓉，李艳芬　　(中南大学材料科学与工程学院，湖南长沙410

　　周宏明，肖来荣，刘芙蓉，李艳芬

　　(中南大学材料科学与工程学院，湖南长沙410083)

　　摘要：以新型易切削Zn–Cu–Mg–Al–RE锌合金为基体，电镀得到光亮镍镀层。其工艺流程主要包括化学除油、活化、预镀镍、光亮镀镍和干燥。研究了温度、pH、电流密度、电镀时间等工艺条件对在以硫酸镍、氯化镍、硼酸和光亮剂为主要成分的镀液中所得光亮镍镀层外观的影响。电镀光亮镍的最佳工艺为：0.045~0.050 A/cm2，40~45°C，pH=3.9~4.1，10 min。在最佳工艺下得到的镀层总厚度约为80μm，镀层光滑、致密、光泽度好，无针孔、麻点、起泡等缺陷，与基体结合紧密，界面存在ZnNi过渡层。

　　关键词：锌合金;电镀;光亮镍镀层;外观;成分

　　中图分类号：TQ153.1文献标志码：A

　　文章编号：1004–227X(2012)01–0009–04

　　1·前言

　　我国高品位锌资源十分丰富，储量位居世界前列。锌合金具有良好的铸造性能、力学性能以及较低的加工成本，在目前铜资源日趋紧张的情况下，锌合金已成为一种良好铜合金替代材料[1-3]。Zn–Al系锌合金作为黄铜的替代品，从20世纪70年代末开始被研究，但由于该系列合金在使用过程中老化严重，其应用受到限制。为此，人们开发出了Zn–Cu系合金，该合金不仅具有良好的耐腐蚀和抗老化性能，而且通过添加适量的Mg、Al、Ti、Mn等合金元素还可获得良好的力学性与成形性[4-6]，但该合金的切削性较差，不能满足生产的需要，虽然添加少量的低熔点元素Pb、Sn或Bi等可改善其切削性能，但会降低合金的力学性和加工性。近年来，中南大学林高用等[7]开发出了一种添加稀土的新型易切削锌合金Zn–Cu–Mg–Al–RE，该合金具有较好的力学性、加工性和切削性，综合性能接近铅黄铜HPb59-1，可广泛应用于各种日常装饰行业，如用于制作家具配件、建筑装饰、浴室配件、领带夹等，而且可用于轴承、汽车等重要工业领域。锌合金虽有上述种种优势，但其本身化学稳定性差，在空气中易氧化而失去表面光泽，要改善其防腐、装饰性就必须进行表面涂覆处理[8-10]。由于锌合金多以轻工产品为主，装饰性要求较高，故多利用镀层来满足上述要求。锌合金通常采用电镀镍、铜和铬起到防腐蚀和装饰的作用[11-13]，而有关新型易切削锌合金Zn–Cu–Mg–Al–RE的电镀镍尚未见报道。本文采用电镀法对新型易切削锌合金Zn–Cu–Mg–Al–RE进行表面镀镍处理，研究镀液温度、pH、电流密度和电镀时间等对镀镍层力学性能的影响，优化电镀工艺参数，为该新型锌合金的研究和应用提供参考。

　　2·实验

　　2.1实验材料

　　以中南大学林高用等研制的新型锌合金为基体(φ10 mm×3 mm)，其化学成分(以质量分数表示)为：Cu 2.54%，Mg 0.56%，Al 0.29%，La 0.052%，Ce 0.16%，Zn余量。

　　2.2工艺流程

　　打磨─去污粉擦洗─水洗─丙酮棉球擦洗─化学除油─水洗─活化─水洗─预镀镍─水洗─光亮镀镍─水洗─干燥。

　　2.3配方与工艺

　　2.3.1化学除油

　　Na2CO3 20～30 g/L

　　Na3PO4 30～40 g/L

　　P-10乳化剂 1～30 g/L

　　pH 11.0

　　θ 50～60°C

　　t 5～10 min

　　2.3.2活化

　　HCl 3%(体积分数)

　　θ 室温

　　t 10 s

　　2.3.3预镀镍

　　Ni2SO4·7H2O 150 g/L

　　C6H5Na3O7·2H2O(柠檬酸钠) 122 g/L

　　NaCl 12 g/L

　　H3BO3 25 g/L

　　pH 6.8～7.2

　　Jk 0.015 A/cm2

　　θ 45°C

　　t 10 min

　　预镀镍时控制NiSO4·7H2O与C6H5Na3O7·2H2O的质量比为1.0∶1.3，若太低，易产生Ni(OH)2沉淀。

　　2.3.4光亮镀镍

　　Ni2SO4·7H2O 272 g/L

　　NiCl2·6H2O 51 g/L

　　H3BO3 48 g/L

　　光亮剂N-11 20 mL/L

　　光亮剂N-22 2 mL/L

　　pH 3.8～4.0

　　Jk 0.03～0.06 A/cm2

　　θ 30～60°C

　　t 5～20 min

　　2.4性能测定

　　(1)镀前用SPM-10A型数字酸度计(浙江萧山仪器标准件厂)测定并用0.1 mol/L的稀HCl溶液调节镀液的pH。

　　(2)外观评价：在自然光下肉眼观察试样表面镀层的颜色及均匀性。

　　(3)用Sirion 200型场发射扫描电子显微镜(SEM，美国FEI公司)观察样品的显微结构与形貌，并用附带的能谱(EDS)分析软件对镀层截面进行线扫描分析。

　　3·结果与讨论

　　3.1 pH的影响

　　在40°C、0.045 A/cm2下电镀10 min，研究镀液pH对光亮镍镀层外观的影响，发现pH为3.9~4.1时镀层银白光亮、平整，而pH为3.8和4.2时镀层虽也白亮，但较薄。因此，光亮镀镍的pH以3.9~4.1为宜。

　　3.2温度的影响

　　在pH=4.0、0.045 A/cm2下电镀10 min，研究镀液温度对光亮镍镀层外观的影响。结果如表1所示。

　　随温度升高沉积速率大幅度提高，但温度过高会导致镀液稳定性下降，从而引起镀液的分解。当温度达50°C时，随着施镀时间的延长，气泡快速冒出，溶液底部出现不溶物，且温度过高会导致镀层孔隙率增加、耐蚀性下降。温度低时，镀层的沉积较慢，影响生产效率。因此，温度以40~45°C为宜。

　　3.3电流密度的影响

　　在电镀过程中必须很好地控制电流密度，电流密度过低，镀层不光亮;电流密度过高，镀层边缘易烧焦。在pH=4.0、40°C下电镀10 min，研究电流密度对光亮镍镀层外观的影响，结果如表2所示。

　　电流密度过高会导致镀层起皮及烧焦，镀层发黑;电流密度过小，则镀层沉积慢，电镀时间足够长才有效果。因此，电流密度选0.045~0.050 A/cm2为宜。

　　3.4电镀时间的影响

　　电镀时间主要影响到镀层的厚度。在pH=4.0、0.045 A/cm2、40°C下对锌合金基体电镀不同时间，并用扫描电镜测定对应镀层的厚度。电镀5、10和20 min时，镀层厚度分别为62.6、83.85和85.12μm。电镀时间由10 min延长至20 min时，镀层厚度变化不大。考虑到成本问题，电镀光亮镍以10 min为佳。

　　3.5镀层的截面分析

　　在pH=4.0、0.045 A/cm2、40°C下对锌合金电镀10 min得到的光亮镍镀层，采用扫描电镜分析其截面形貌，结果如图1所示。

　　镍镀层由光亮镍镀层、中性镍镀层及中性镍镀层与基体间的过渡层3层组成，3层镀层之间结合紧密，中性镍镀层与光亮镍镀层之间不存在过渡层，镀层总厚度为83.85μm，中性镀层(包括过渡层厚度)、中性镍镀层与基体之间的过渡层厚度分别为43.46μm和9.22μm，过渡层与基体之间结合致密，未见微裂纹等缺陷。

　　采用能谱仪对光亮镀镍层进行成分分析，结果见图2。光亮镀层中Ni含量为100%，成分均匀、一致，符合要求。

　　过渡层的成分分析结果如图3所示。由图3可知，过渡层的主要成分为Zn，其余为Ni。表明在电镀过程中，基体中有部分Zn溶出，与Ni共同在界面形成过渡层，过渡层的形成有利于提高镀层结合力。

　　图3过渡镍层的成分分析

　　Figure 3 Composition analysis of transition nickel coating

　　采用能谱仪对镀层进行线扫描分析，结果见图4。由镀层的外层向里层，元素含量变化明显，在光亮度镍层和中性镀镍层中基本不含Al和Zn元素;过渡层中Zn元素含量逐渐增加，Ni元素含量逐渐降低，由于基体中Al含量较低，分布不均匀，因此Al元素波动较大;基体中基本不含Ni，表明电镀时Ni不会进入基体。