Ni-Sn-P合金化学镀的工艺参数研究

Ni-Sn-P合金化学镀的工艺参数研究卞清泉1李学洪1张强华2（1.江苏省特种设备安全监督检验研究院淮安分院,江苏淮安223001；2.淮阴工学院生命科学与化学工程学院）摘要：普通碳钢进行Ni-Sn-P合金化学镀，分别考察了施镀温度、主盐与还原剂浓度比（Ni/P）、主盐浓度、pH值等工艺参数对镀层厚度、硬度、孔隙率、耐腐蚀性的影响，得出最佳镀液配方和工艺:主盐硫酸镍25g/L，SnCl48.34g/L，还原剂次亚磷酸钠37.5g/L，选用复合配体酒石酸钾钠7.5g/L，柠檬酸三钠17.5g/L，乳酸32.5g/L，加速剂丁二酸16g/L。镀液温度为85℃，pH为4.6。关键词：Ni-Sn-P合金；化学镀；工艺参数StudyonTechnologicalParametersofElectrolessNi-Sn-PAlloyPlatingBIANQingquan1LIXuehong1ZHANGQiang-hua2（1.JiangsuSpecialEquipmentInspectionInstituteofHuaianBranch,Huaian223001；2.HuaiyinInstituteofTechnology）Abstract：Theeffectsofthetemperature,concentrationofMainSaltsandReductant,pHvalueoftheplatingbathonthePlatingThickness,HardnessandcorrosionresistanceofelectrolessNi-Sn-PalloycoatingwerestudiedsoastoimprovethequalityoftheelectrolessNi-Sn-Palloycoating.Theoptimizedbathcompositionandplatingparameterswereestablished.Asaresult,theoptimizedplatingwassuggested:NiSO425g/L,SnCl48.34g/L,SodiumHypophosphite37.5g/L,potassiumsodiumtartrate7.5g/L,SodiumCitrate17.5g/L,lacticacid32.5g/L,succinicacid16g/L,T=85℃,pH=4.6Keywords：Ni-Sn-Palloy；Electrolessplating；TechnologicalParameters化学镀是指不使用外电源，而是依靠金属的催化作用，通过可控制的氧化-还原反应，使镀液中的金属离子沉积到镀件上去的方法，因而化学镀也被称为自催化镀或无电镀。化学镀溶液的组成一般包括金属盐、还原剂、络合剂、pH缓冲剂、稳定剂、润湿剂和光亮剂等。当镀件进入化学镀溶液时，镀件表面被镀层金属覆盖以后，镀层本身对上述氧化-还原反应的催化作用，保证了金属离子的还原沉积得以在镀件上进行下去。化学镀技术的核心是镀液的组成及性能，所以化学镀发展史中最值得注意的是镀液本身的进步。1化学镀Ni-Sn-P技术的现状化学镀镍发展到今天已有160多年的历史了，国内外关于Ni-P合金的研究已极为普遍，在工业化生产中也得以大量应用。随着表面技术的发展，二元镍系合金已不能满足科学生产的某些要求，所以从20世纪90年代就有人开始了化学镀镍系三元合金的研究，用化学镀的方法获得Ni-Sn-P非晶态蜂窝状结构，是一种全新的合金镀层，Sn2+的加入使镀层的抗蚀性能、抗氧化性、延展性、焊接性都有了很大的提高，颜色更接近不锈钢，由于Sn2+的加入镀液变的十分稳定，工作可达20个周期,装载量也提高了60%。锡具有阳极保护作用，因而Ni-Sn-P镀层耐蚀性优于Ni-P。近年来，国内外学者先后研究了以复合配位剂的化学镀Ni-Sn-P合金镀液、镀液组分和操作条件对镀层质量的影响。本文对普通碳钢在Ni-Sn-P合金镀液中施镀，通过调整镀液温度、主盐与还原剂浓度比（Ni/P）、主盐浓度、pH值等因素，来确定化学镀Ni-Sn-P合金的镀液最佳组成和工艺条件。2实验方法试样材质为普通碳钢，规格为45±2mm×15±2mm×1±0.2mm。称取计量的镍盐、锡盐、还原剂、络合剂、添加剂、调节剂，分别用蒸馏水溶解；将已完全溶解的镍盐与锡盐在不断搅拌下，加入到含络合剂的溶液中；将已完全溶解的还原剂，在剧烈地搅拌下，缓慢地加入到配制好的溶液中；将已溶解好的pH调节剂（氨水等）一点一点地在搅拌条件下倒入配制的溶液中；测试pH值直至其合乎工艺要求后，加入加速剂溶液，并稀释至计算体积；再次测试pH值，调整pH值至合格；过滤溶液；加温施镀。前期实验确定了两主盐之间的比例为1∶3，选用复合配体酒石酸钾钠7.5g/L，柠檬酸三钠17.5g/L，乳酸32.5g/L，并加入加速剂丁二酸16g/L，对几个关联性较大的因素：温度、硫酸镍与次亚磷酸钠的用量比例、硫酸镍的用量、pH值进行正交实验，然后对所得的镀层进行检测，并进行打分。正交实验分析表见下表，以施镀温度、主盐与还原剂浓度比（Ni/P）、主盐浓度、pH值为水平。表1因素-水平表水平施镀温度(A：℃)主盐与还原剂浓度比主盐浓度PH值1801∶1204.22851∶1.5254.63901∶2324.8表2化学镀Ni-Sn-P正交实验计划表因素温度主盐与还原剂用量的比主盐浓度（g/L)pH实验结果实验1801∶1204.2实验2801∶1.5254.6实验3801∶2324.8实验4851∶1254.8实验5851∶1.5324.2实验6851∶2204.6实验7901∶1324.6实验8901∶1.5204.8实验9901∶2254.2其中：实验结果为所得镀层的综合评分。评分依据是镀层的耐腐蚀性能、硬度、增重以及孔隙率。评分标准：总分为100分，其中耐腐蚀性能占50﹪，硬度占15﹪，增重占20﹪，孔隙率占15﹪。测定以下参数：（1）采用采用重量法测量沉积速度。（2）根据GB9790-88中的方法测量表面硬度。（3）10%NaOH溶液中温度20℃时间浸泡72h测得镀层减轻重量的方法。（4）将浸有特定检验试液的滤纸贴置在受检零件的表面上，根据有色斑点数的多少确定其孔隙率。3结果分析表3Ni-Sn-P镀层检测结果增重量失重量＊mg硬度孔隙率个数耐腐蚀性硬度镀速表面孔隙率综合评分v1=0.2762g0.009245063811141275v2=0.2123g0.001760004314151587v3=0.2416g0.007156714213131482v4=0.2640g0.006758234113141482v5=0.1120g0.000368224415111484v6=0.2679g0.007268624215161487v7=0.2949g0.008646394011171280v8=0.3576g0.001356914313141484v9=0.1518g0.007861334214131483根据所测实验结果进行正交分析，实验结果和极差分析见表4表4化学镀Ni-Sn-P直观分析表因素温度主盐与还原剂用量的比主盐浓度（g/L)pH实验结果实验1111175实验2122287实验3133382实验4212382实验5223184实验6231287实验7313280实验8321384实验9332183均值181.333798280.667均值284.333858484.667均值382.333848282.667极差3624最优配方85℃1∶1.525g/L4.6图1正交实验分析图图5.7温度对镀层综合性能的影响80828486887580859095温度/℃综合评分系列1图2温度对镀层综合性能的影响温度对镀速的影响也很大，当温度低于75℃时只能非常缓慢的沉积，温度高于80℃时可以正常反应，高于95℃镀速明显加快，但槽液这时已变得不够稳定，溶液中有少量的镍粒子出现，使镀液自发分解，当温度在85℃时镀速适中且镀层光滑。耐腐蚀性能优越。图5.8还原剂对镀层综合性能的影响1∶11∶1.51∶2758085900:000:000:00主盐浴还原剂浓度比综合评分系列1图3还原剂对镀层综合性能的影响随着镀液中次磷酸盐浓度的增加，Ni-Sn-P合金沉积速度增大，磷酸盐浓度在20～45范围内变化时，都能得到质量较好的镀层。浓度过低时，反应速度太小，生产效率低，浓度过高时，所得镀层无光泽，有黑色镍颗粒产生，镀液稳定性明显下降，迅速发生自然分解，造成经济损失。图5.9主盐浓度对镀层综合性能的影响768084881520253035主盐浓度g/L综合性能系列1图4主盐浓度对镀层综合性能的影响镍盐是主盐，在化学还原反应中是氧化剂的角色，实验结果表明，化学镀Ni-Sn-P合金镀的反应速度随着槽液中的镍盐浓度的增加而增大。镍盐浓度小于14g/L时反应缓慢，镍盐的浓度大于40g/L后，镀液中有大量的镍颗粒析出，这对镀液的稳定性非常有害。镀层变得粗糙不光亮，经过本次实验得出镍盐浓度在25g/L是最佳。图5.10PH对镀层综合性能的影响78808284863.94.24.54.85.1PH综合评分系列1图5pH对镀层综合性能的影响以次磷酸钠为还原剂的化学镀都有副产物H+产生。所以pH值升高，即OH-浓度的增加，有利于化学反应向生成产物的方向移动。随着镀液pH值的升高，Ni-Sn-P合金的沉积速度呈直线增大。所以镀液的pH值高一些可提高沉积速度，但pH值太大，槽液不但变得不稳定，而且镀层也变得粗糙不光亮，质量下降。当pH为4.6时镀层的综合性能最好。4结论由以上实验数据可以得出化学镀Ni-Sn-P最佳配方和工艺参数是：主盐硫酸镍25g/L，SnCl48.34g/L，还原剂次亚磷酸钠37.5g/L，选用复合配体酒石酸钾钠7.5g/L，柠檬酸三钠17.5g/L，乳酸32.5g/L，加速剂丁二酸16g/L。镀液温度为85℃，pH为4.6。参考文献1朱相荣．非晶态NI-P化学镀的发展及应用前景．表面技术，1990，20(1)：34-392于金库.化学镀非晶态Ni-Sn-P合金耐蚀性的研究.表面技术,1995,24(4)：13-163林忠华,林琳,杜金辉.化学镀Ni-Sn-P合金镀层的研究与应用.电镀与涂蚀，2005，24（7）：8-124王红艳，叶向荣，刘琴，等.钢铁表面Ni-Sn-P合金镀层组成及其耐蚀性.应用化学，1999，16（5）：45-485宋长生，王国荣.化学镀Ni-Sn-P合金镀层耐蚀性的研究(Ⅱ).电镀与精饰，1996，18（5）：15-18