AZ 91D镁合金化学镀镍前处理工艺研究

赵彦彪, 杨培霞, 杨炜婧, 袁伟坚, 安茂忠

(哈尔滨工业大学化工学院,黑龙江哈尔滨 150001）

AZ 91D镁合金化学镀镍前处理工艺研究

赵彦彪, 杨培霞, 杨炜婧, 袁伟坚, 安茂忠

(哈尔滨工业大学化工学院,黑龙江哈尔滨 150001）

对AZ 91D镁合金碱性化学镀镍的前处理工艺进行研究,得到了镁合金一步磷化的前处理工艺,确定了AZ 91D镁合金磷化液的组成及工艺条件,经一步磷化前处理后即可进行化学镀镍。采用扫描电镜(SEM）、能谱成分分析(EDS）对磷化后的试片的微观形貌和组成成分进行了分析,并测定了AZ 91D镁合金及其化学镀镍后的 Tafel曲线,以此评价镀层的耐蚀性能。结果表明:在一步磷化前处理工艺后直接进行碱性化学镀镍可得到外观较佳,且耐蚀性良好的Ni-P合金镀层。

镁合金;化学镀镍;磷化;耐蚀性

0 前言

镁合金是工程应用中最轻的金属结构材料,将其应用在工程领域中可极大地减轻结构件的质量。因此镁合金已成为国防军事、航空航天、汽车、电子通信等领域的重要材料[1]。镁的化学性质活泼(25℃下镁合金的标准电极电位 E0=-2.36 V）,耐蚀性差,因此在使用前一般需要对其进行表面防护处理。在镁合金表面化学镀镍不仅可以显著提高其耐蚀性和耐磨性,而且能够在形状复杂的零件表面得到厚度均匀的镀层。为了实现镁合金上化学镀镍,必须对其进行特殊的前处理,以除去其表面的氧化物、腐蚀产物以及其他污染物,提高其表面质量,同时形成一定的保护层[2-4]。本实验在已有的酸洗-活化的前处理工艺基础上研究了磷化的一步前处理工艺,采用以碱式碳酸镍为主盐的化学镀镍工艺施镀,得到了外观和耐蚀性较佳的镀层。

1 实验

1.1 实验材料

本实验所采用的基体材料为AZ 91D镁合金,其化学组成为:Al 8.5%～9.5%,Zn 0.45%～0.90%,Mn 0.17%～0.40%,Si≤0.05%,Fe≤0.004%,Cu≤0.025%,Ni≤0.001%,Mg余量。试样尺寸为40 mm×20 mm×2 mm。

1.2 工艺流程

1.3 主要工序说明

(1）机械预处理

镁合金经100#砂纸和1 000#砂纸打磨,使其表面平整、光亮。

(2）丙酮超声波脱脂

在室温下,在丙酮中超声波清洗10～15 min。(3）碱性除油

氢氧化钠 50 g/L,十二水磷酸钠 10 g/L,(60±5） ℃,8～10 min。

(4）磷化

磷酸20～40 g/L,磷酸二氢锌1～3 g/L,六次甲基四胺0.1 g/L,硝酸钠0.2 g/L,室温,20～60 s。

(5）碱性镀镍

碱式碳酸镍10 g/L,氢氟酸12 mL/L,氟化氢铵10 g/L,氨水30 mL/L,次磷酸钠20 g/L,柠檬酸5 g/L,硫脲1 mg/L,pH值(6.5±1.0）,(80±2） ℃,20～40 min。

1.4 测试方法

(1）采用外观打分的方式来表征镀层的质量。(2）采用带EDAX能谱仪的FEI-Sirion型(飞利浦,荷兰）扫描电子显微镜观测前处理后的试片的微观结构及元素组成。(3）采用CHI 630型电化学综合测试系统,以甘汞电极为参比电极,铂电极为辅助电极,待测试样为工作电极,扫描速率1 mV/s,在质量分数为3.5%的NaCl溶液中测试 Tafel曲线。

2 结果和讨论

2.1 正交实验

在大量摸索性实验的基础上,采用正交实验法确定磷化时间、磷酸的质量浓度、磷酸二氢锌的质量浓度对镀层效果的影响,确定最佳工艺方案。以镀层的表面状态和自腐蚀电流密度为评价指标,进行正交实验。

正交实验结果表明各因素对试样表面状态的影响为:磷酸二氢锌的质量浓度＞磷化时间＞磷酸的质量浓度;各因素对自腐蚀电流密度的影响为:磷化时间＞磷酸二氢锌的质量浓度＞磷酸的质量浓度。对AZ 91D镁合金进行化学镀Ni-P镀层的主要目的是提高其耐蚀性能,所以本实验优先考虑耐蚀性能。综合考虑其他因素,最终选择磷化前处理工艺规范为:磷酸二氢锌2 g/L,磷酸40 g/L,磷化时间40 s。在此磷化配方下所得的镁合金基体表面光亮,最终所得镀层的耐蚀性好,沉积速率高。

2.2 表面形貌及成分分析

由正交实验可知:磷化时间是影响镀层最终效果的一个至关重要的因素。本实验通过SEM测试观察经不同磷化时间后所得基体的表面形貌,进而分析讨论磷化时间对镀层性能质量的影响规律。图1为在不同磷化时间下所得镁合金表面的SEM图。

图1 不同磷化时间下所得镁合金基体表面的SEM图

由图1可知:磷化后,在镁合金基体上形成了由小球形微粒连接而成的网状结构。磷化的时间不同,其网状结构及微粒大小不同,随着磷化时间的延长,磷化层逐渐变得致密、平整;但磷化时间过长,会导致磷化膜的钝化,使镍晶体不宜在基体表面生长,从而使镀层质量下降。

图2为镁合金表面磷化膜的EDS能谱图。

图2 镁合金表面磷化膜的能谱图

由实验结果可知,磷化膜的主要成分及其质量分数分别为:N 1.46%,O 4.68%,Na 3.03%,Mg 44.74%,Al 1.97%,P 2.99%,Zn 5.29%,Au 35.85%。

金是喷金时所引入的,镁和铝是镁合金基体的主要成分。分析结果表明:磷化膜的主要成分可能是磷酸盐,实际上就是在镁合金的表面形成了一种有利于镍沉积的转化膜。

综合以上分析可以认为,镀层的外观与磷化后形成的微粒的致密程度有关。得到的磷化膜会随磷化时间延长而变得更加致密,当到达一定的时间后,继续延长磷化时间反而不利于随后的化学镀镍过程。同时,随着磷化时间的延长,化学镀镍液的反应越来越剧烈,一定程度上影响了镀液的性能,从而影响镀层的性能,镀液的循环寿命降低。考虑多方面的因素,40 s为最佳磷化时间。

2.3 电化学测试结果分析

采用正交实验确定的最佳磷化工艺(磷酸40 g/L,磷酸二氢锌2 g/L,磷化时间40 s）对镁合金进行磷化处理,然后对其进行碱性化学镀镍,所得镀层平整,耐蚀性能好。图3为AZ 91D镁合金基体与其化学镀Ni-P镀层后所得的试样在质量分数为3.5%的NaCl溶液中的极化曲线。

表1为 Tafel曲线的计算机拟合结果。

由图3及表1可知:经过化学镀Ni-P镀层之后,试样的自腐蚀电位大幅提高,自腐蚀电流密度显著降低,所以其耐蚀性大大提高。

图3 施镀前、后的 Tafel曲线

表1 镁合金施镀前后的参数

3 结论

(1）通过正交实验研究了镁合金化学镀镍的前处理工艺,确定最佳的磷化工艺条件为:磷酸40 g/L,磷酸二氢锌2 g/L,六次甲基四胺0.1 g/L,硝酸钠 0.2 g/L,室温,40 s。

(2）在该前处理工艺的基础上直接进行碱性化学镀镍可得到外观较佳,且耐蚀性良好的Ni-P合金镀层。

(3）经电化学测试可知:采用该前处理工艺得到的Ni-P合金镀层的自腐蚀电位明显增大,自腐蚀电流密度明显减小。

[1] Sun S,Liu J,Yan C,et al.Anovel process for electroless nickel plating on anodized magnesium alloy[J].Applied Surface Science,2008,254(16）:5 016-5 022.

[2] 国栋,樊占国,杨中东,等.镁合金化学镀中预处理氟化镁膜的特征与作用[J].中国有色金属学报,2007,17(5）:789-793.

[3] 郭长春,成旦红,李科军.镁合金直接化学镀 Ni-P合金工艺[J].电镀与精饰,2007,29(4）:21-25.

[4] 胡文彬,刘磊,仵亚婷.难镀基材的化学镀镍技术[M].北京:化学工业出版社,2000.

A Study of Pretreatment Process for Electroless Nickel Plating on AZ 91D Magnesium Alloy

ZHAO Yan-biao, YANG Pei-xia, YANG Wei-jing, YUAN Wei-jian, AN Mao-zhong
(School of Chemical Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China）

The pretreatment process for electroless alkaline Ni plating on AZ 91D magnesium alloy was studied,from which a one-step phosphating pretreatment process was obtained for magnesium alloy.The solution composition and process conditions were determined.After the one-step phosphating pretreatment,electroless nickel plating was ready to be performed.The micro-morphology and composition of the specimen after pre-treatment were analyzed by SEM and EDS.The Tafel curves of the AZ 91D magnesium alloy without and with the Ni-P alloy coating were tested to evaluate the corrosion resistance of the coating.The results show that direct alkaline electroless nickel after one-step phosphating pretreatment can get a Ni-P alloy coating with a better look and a good corrosion resistance.

magnesium alloy;electroless nickel plating;phosphating;corrosion resistance

TQ 153

A

1000-4742(2011）06-0009-03

2010-12-20