铝合金表面处理技术：化学镀镍的难点与应用

铝合金表面处理技术：化学镀镍的难点与应用

铝及铝合金因其优异的性能，被广泛应用于建筑、航空航天、电器、电子产品、生活用品等各个领域，其产量和用途已成为继钢铁之后的第二大金属材料。随着现代科学技术的发展，对铝合金表面性能的要求越来越高，如耐腐蚀、耐磨、装饰性等。铝合金表面处理技术正是在这样的背景下诞生并不断发展的[1 3]。

铝合金的主要表面处理方法有电镀、化学镀、化学氧化、阳极氧化和微弧氧化等，其中较为常用的是化学镀镍。铝合金化学镀镍可以提高其耐蚀性、耐磨性，并使其可钎焊。但铝合金在大气中生成的氧化膜与金属镀层结合不好，为了获得良好的镀层，在化学镀镍前必须彻底清除并防止表面氧化膜的形成。这是铝合金化学镀镍的难点，铝合金也因此被视作“难镀”基材之一。目前，难镀基材化学镀镍的工艺还有待改进[4 9]。本文采用特殊方法对铝合金进行前处理，通过正交试验确定铝合金化学镀镍的工艺条件，并对镀层的沉积速度、结合强度、耐蚀性和孔隙率进行测试。

1 化学镀镍试验

1.1 工艺条件优化

试验在恒温水浴槽中进行，采用立式搅拌机搅拌，转速为～，用pH25酸度计准确测定镀液pH值，试验材料为直径3mm的铝合金棒。

试验温度控制在80℃～85℃，以镍盐、还原剂、络合剂含量、镀液pH值为主要因素，在单因素试验的基础上进行四因素三水平正交试验[10～11]，以镀层沉积速度为指标，采用最优工艺对试样进行处理，并进行性能测试。

1.2 工艺流程

各试验均按如下工艺流程进行：化学脱脂→冷水洗→碱蚀→冷水洗→特殊处理→冷水洗→蒸馏水洗→化学镀镍→冷水洗→热水洗→烘干→热处理。

特殊处理溶液由无机酸和氧化剂组成，无机酸：150mL；氧化剂：75mL；室温处理20min。

1.3 性能测试

试验结束后，在扫描电子显微镜下观察镀层截面，测量镀层厚度，将镀层厚度值除以施镀时间，得到反应沉积速率，即为平均施镀速率。根据GB--92的有关规定，采用热冲击试验检查镀层结合力，采用浓硝酸试验和浸泡试验测试试样的耐腐蚀性能[12]。

2 结果与讨论

2.1 单因素试验

2.1.1 硫酸镍浓度的测定

硫酸镍浓度是影响镀层沉积速度的主要因素，随着硫酸镍浓度的提高，镀层沉积速度会加快，但在乳酸体系化学镀镍液中，这种趋势不是很明显。实验表明，当硫酸镍含量达到30gL时，镀层表面粗糙，镀液自分解严重，镍沉积在容器壁上。另外，硫酸镍浓度的提高，镀层的结合强度和耐蚀性都有所提高。因此，镀液中硫酸镍含量控制在20gL～30gL。

2.1.2 次磷酸钠浓度的测定

次磷酸钠的浓度主要影响镀层的沉积速度和耐蚀性，在一定的pH范围内，镀层的沉积速度随次磷酸钠浓度的增加而增加。但试验过程中，若次磷酸钠含量过高，镀液不稳定，易使镀层粗糙或形成暗色镀层。次磷酸钠含量控制在20gL～30gL。

2.1.3 乳酸浓度的测定

加入乳酸后，镀液通常比较稳定，这是因为镍离子与乳酸中的两个配体形成配位键，使络合离子具有环状结构，即形成内部配合物[11]。镀液中存在乳酸时，镀速随乳酸浓度的增加而增大，达到最大值后，乳酸浓度继续增加，镀速降低。加入乳酸还可以改善镀层的外观，提高镀液的工作pH值[7]。通过实验，确定乳酸的加入量为15mL~25mL。

2.1.4 pH值的测定

pH值也影响镀层的沉积速度，当pH值低于3时，化学镀镍反应难以发生；当pH值高于6时，镀液自分解严重，电镀过程中pH值下降较快，镀层表面出现大量孔隙。pH值控制在4.5-5.5时，镀液稳定，镀层光滑平整。

2.2 正交试验及结果

表1、表2为正交试验因素水平表及极差分析结果，由表2可知，各影响因素的重要性排序为：A>B(C)>D，最优工艺条件为，即：硫酸镍30gL、次磷酸钠30gL、乳酸15mL、pH 5.0。

[]2.3 验证测试结果

2.3.1特殊处理对涂层表面状况的影响

图1为试样及经无机酸特殊处理后的涂层表面状态的扫描电镜照片。

从图1中可以看出，经过特殊处理后，样品表面形成了细小、分布均匀的蜂窝状结构，这些蜂窝状结构可以作为涂层的沉积点，使得涂层与基体结合更加紧密。随着处理时间的增加，蜂窝状结构分布更加均匀，但处理时间超过30分钟后，基体腐蚀加剧。目视观察，涂层完整光亮，无针孔、气泡、阴阳面等表面缺陷。在扫描电镜下观察，涂层表面为均匀的球形细胞，光滑致密，说明特殊处理后留下的孔洞不会影响涂层的表面质量。

2.3.2 涂层厚度

图2为热处理后镀层横截面的扫描电镜照片，镀层2h后镀层厚度为25.3μm，镀层沉积速率为镀层厚度除以镀层时间，镀层沉积速率为12.6μm/h。

2.3.3 结合强度测试结果

从图2还可以看出，涂层与基体之间不存在缝隙，说明二者结合良好。这是因为涂层在热处理时，发生原子间扩散，导致非晶、微晶的再结晶，生成镍晶胞和金属间化合物。这些金属间化合物使涂层硬化；随着热处理的继续，涂层与基体之间的相互扩散提高了二者的结合，而且低温热处理还可以提高涂层的耐腐蚀性能，消除部分内应力[13-14]。

2.3.4 耐腐蚀性能测定

浸泡试验中，涂层腐蚀失重与时间的关系如图3所示。

试样刚开始腐蚀速度较慢，48 h后试样周围出现白色雾状物，72 h后在试样边角处可观察到腐蚀液渗透的痕迹。腐蚀速度有加快趋势，这是因为化学镀镍过程中存在边缘效应，镀层生长方向是沿“台阶”前进，如果基体上有尖角，镀层会优先在那里生长。镀层的增厚是通过层的搭接实现的[15]，随着搭接层数的增多和层间交错排列，在试样边缘处形成层状结构，容易优先腐蚀。浸泡96 h后，镀层主表面无起泡、剥落现象，表明具有良好的耐化学腐蚀性能。用硝酸滴法测试，试样表面变色时间为47 s，满足耐腐蚀要求。

3 结论

（1）本实验采用的前处理工艺操作简单，克服了传统“二次浸锌”法工序复杂的缺点，满足了镀层表面质量和结合强度的要求，且处理液可重复使用，不污染环境。

(2)试验优化了沉积速度更快、镀层性能更好的铝合金化学镀镍工艺条件：硫酸镍30gL；次磷酸钠30gL；乳酸15mL；pH值5.0。

(3)采用优选工艺获得的涂层表面光亮、均匀、完整，具有良好的结合强度和耐腐蚀性能。

镍电镀白斑产生的原因及对策

1. 原因

镍电镀出现白点是由于热处理的渗碳过程和电镀前的酸洗过程中产生的高碳物质引起的。

（1）1018材料正常渗碳后表面的碳（主要为Fe和C）

可达0.8～1.2，镀层中凸出的颗粒是由于镀前清理不彻底，使工件表面的颗粒落入镀液中，电镀过程中，由于搅拌作用，这些游离在镀液中的颗粒与镍离子共沉积。

（2）镀层中未覆盖的孔洞，主要是由于前处理酸洗过程中腐蚀（表面脱碳）造成的。电镀厂酸洗液的主要成分为HCl 1：1；H2SO4（98%）50 mL/L；此配方适用于普通碳钢，但对于高碳钢来说浓度太高。含碳量越高，酸洗反应越剧烈。表面脱碳后对工件的导电性能和镀层附着力影响很大。镀层​​中出现孔洞，其实是由于高碳部位导电性能差（或附着力差），导致镀层难以覆盖所致。

2.解决方案

（1）改进渗碳前处理清洗工艺，采用超声波清洗去除渗碳后粘附性较差的颗粒。

（2）及时过滤镀液。

（3）改进酸洗工艺：主要是降低酸洗液浓度、添加适当的缓蚀剂及适当控制酸洗时间，避免过度腐蚀。

通过采取以上措施，产品出现白点的问题得到了根本的解决。

参考：

[1]杨启勤.铝及铝合金的表面处理[J].广东有色金属，1993，(3):74-79。

[2] 陆贵民, 王兆国, 李兵. 铝合金腐蚀与表面处理[M]. 沈阳: 东北大学出版社, 2000.