N-240C型柔软剂对镀镍层性能的影响

2014-01-29姜吉琼李明模

电镀与环保 2014年5期

姜吉琼，李明模

（1.桂林理工大学广西矿冶与环境科学实验中心，广西桂林541004；2.桂林理工大学广西建筑新能源与节能重点实验室，广西桂林541004）

0 前言

添加剂对镀镍层的质量起着至关重要的作用。通过合理地选择添加剂类型并控制其用量，能够很好地改善镀镍层的表面形貌，使其具有一定的光泽度，同时还能够优化其延展性，减少氢脆及消除内应力。在工业上，通常向镀液中加入一种含硫有机化合物，使镀镍层的内应力降低，从而提高镀镍层的韧性或延展性。本文选择N-240C型柔软剂作为应力消除剂，初步探讨其体积分数对氨基磺酸盐镀液体系中所得镀镍层性能的影响。

1 实验

1.1 主要仪器和试剂

仪器：高频开关整流器，X-ray膜厚测试仪，盐雾试验机，干燥箱，CHI 860D型电化学工作站。

试剂：电镀级的SC-217型热浸脱脂剂、硫酸、氨基磺酸镍、氯化镍、硼酸、N-240C型柔软剂；分析纯的氨基磺酸、碱式碳酸镍。

基材：阴极选用黄铜片，规格为100mm×60 mm×0.3mm；阳极采用纯度为99%的纯镍板，规格为55mm×61mm×1.27mm。

1.2 前处理

前处理主要是去除零件表面的浮灰、残渣、油脂、氧化皮等各种腐蚀产物，使基体金属呈现洁净的表面，接受金属离子的沉积，以获得完整致密的镀层。如果前处理不彻底，镀件就会出现起泡、脱皮的现象，严重时镀不上镀层，致使镀件报废。基体前处理一般包括以下几个方面：整平、除油、酸洗、弱浸蚀等［1］。实验前，将打磨过的黄铜试片放入50～60℃的SC-217型热浸脱脂剂中除油5min；取出后，用纯净水清洗；再放入15%的硫酸活化液中酸洗10s；最后再次用纯净水清洗。水洗完成后，马上放入氨基磺酸镍镀液中进行电镀。

1.3 镀液组成及工艺条件［2］

氨基磺酸镍80～110g／L，氯化镍8～15g／L，硼酸34～40g／L，N-240C型柔软剂2～5mL／L，pH值3.8～4.6，2A／dm2，空气搅拌，55～65℃，5min。

1.4 工艺流程

1.5 性能测试

1.5.1 外观检查

根据目测经验评定法对光亮度进行分级。分级标准为［3］：1级镀层光亮如镜，能清晰分辨出人的五官和眉毛；2级镀层表面光亮，能看出人的五官和眉毛，但眉毛部分不够清晰；3级镀层表面光亮度较差，但能看出人的五官轮廓，只是眉毛部分模糊；4级镀层基本上无光泽，看不清人的五官轮廓。同时注意观察镀层表面状态。

1.5.2 结合力和附着力检查

将镀镍后的试片置于干燥箱中，于250℃下保温1h后水淬，若无起泡或脱落现象，则镀镍层的结合力好。将镀镍后的试片弯曲90°后放大4倍，若无脱落、起泡或裂纹现象，则镀镍层的附着力好。

1.5.3 耐蚀性试验

将镀镍后的试片置于盐雾试验机中进行48h的中性盐雾试验，检查镀层的耐蚀性。主要考虑以下几个方面：试验后的外观；去除腐蚀产物后的外观；腐蚀缺陷（如点蚀、裂纹、气泡等）的分布和数量；开始出现腐蚀的时间。

1.5.4 应力试验

在电镀过程中，由于金属的结晶具有一定的变形或有异相渗入，会产生一定内应力，这种现象在镀镍过程中尤为明显。镀层的内应力可以分为两类：一类是使镀层体积有膨胀趋势的应力，称之为压应力；另一类是使镀层体积有收缩趋势的应力，称之为拉应力。通过阴极弯曲法测量镀镍层的内应力。由于镀层的内应力与阴极曲率半径成反比，故采用镀后黄铜试片的曲率来半定量地表征镀层的内应力。黄铜试片单面镀镍。如果镀层面向上弯成凹面，显示镀层为拉力状态，镀层面的凹面曲率表示镀层的拉力［4］。

1.5.5 耐热性能试验

将镀镍后的试片置于干燥箱中，于（538±8）℃下保温2.5h。通过观察镀层外观有无起泡或裂纹现象，以考核其耐热性能。

2 结果与讨论

2.1 镀层的光亮度

图1为N-240C型柔软剂的体积分数对镀层光亮度的影响。由图1可知：N-240C型柔软剂的加入对镀层光亮度的影响并不大。N-240C型柔软剂的体积分数从0.2mL／L增加到16.0mL／L时，镀镍层的光亮度变化不大。整体上镀层表面都不能算是光亮，只能看出人的五官轮廓，眉毛部分模糊。从局部看，不加N-240C型柔软剂或加少量时，在试片的高电流区明显有“白雾”，有时还会出现针孔；随着N-240C型柔软剂的持续加入，高电流区的“白雾”会淡去，针孔也消失；当加到3.0mL／L时，整个试片才出现全光亮，没有“白雾”和针孔；当加到12.0 mL／L后，对镀镍层光亮度的影响趋于平缓。

图1 N-240C型柔软剂对镀层光亮度的影响

2.2 镀层的结合力和附着力

对空白镀层和添加N-240C型柔软剂的镀层进行结合力检测，镀层均无起泡和脱落现象；试片经90°来回反复的弯折，镀层无明显脱落。这说明镀层具有很好的结合力和附着力，同时说明N-240C型柔软剂的加入对镀层结合力和附着力的影响不大。

2.3 镀层的耐蚀性

镀镍层腐蚀速率的测定在盐雾试验箱中进行，用5%的NaCl溶液在20℃下进行盐雾试验，持续浸入时间为48h。首先对镀镍试片称重和测膜厚，得出试验前的质量和膜厚。试验结束后，将试片洗净、烘干，称重、测膜厚，并放在显微镜下观察它的外观及检测其机械性能等。通过如下公式计算其腐蚀速率：

式中：v为腐蚀速率，mg／（cm·h）；t为试验时间，h；m1，m2分别为试验前、后试片的质量，mg；h1，h2分别为试验前、后试片的膜厚，cm。镀镍层的耐蚀性随N-240C型柔软剂体积分数的变化，如图2所示。由图2可知：在5%的NaCl溶液中，N-240C型柔软剂的体积分数对镀层耐蚀性的影响不大；另外，其盐雾试验后的外观变化不明显，只是轻微的点蚀。

图2 N-240C型柔软剂对镀层腐蚀速率的影响

2.4 镀层的内应力

阴极弯曲法是对内应力的一种半定量描述，阴极曲率半径的倒数即为镀层的内应力，阴极曲率越大，内应力越大。镀层内应力随N-240C型柔软剂体积分数的变化，如图3所示。由图3可知：当N-240C型柔软剂的体积分数很低时（0～2mL／L），镀层表现出拉应力，尤其是当N-240C型柔软剂的体积分数低于0.8mL／L时，镀层易有针孔和出现“白雾”；随着N-240C型柔软剂的体积分数的升高，镀层的拉应力明显降低；当升高到3mL／L时，镀层的内应力最低，接近零；继续升高，镀层的内应力由拉应力转变为压应力，并且呈现增加趋势。由此可见，当N-240C型柔软剂的体积分数为3mL／L时，镀镍层的性能最优。

图3 N-240C型柔软剂对镀层内应力的影响

2.5 氨基磺酸镍对镀层性能的影响

在氨基磺酸镍镀液中，主盐是Ni（NH2SO3）2·4H2O，其质量浓度与镀层质量（如镀层的结晶状况及理化性能等）和沉积速率关系密切。表1为氨基磺酸镍的质量浓度对镀层性能的影响。由表1可知：随着电解液中氨基磺酸镍的质量浓度的增加，镀层的内应力逐渐减小；氨基磺酸镍的质量浓度为60～140g／L时，得到的镀层具有良好的结合力及较低的应力和氢脆性能。但一般来说，电解液的质量浓度过高，不仅镀液的黏度增大、槽电压增加，而且工件出槽时带出的镀液损失也增加。这样不仅浪费原材料，还增加了废水处理量，不符合电镀清洁生产的要求［2］。