化学镀工艺及镀层性能检测在实验教学中的应用

鲜 广，范洪远，郭智兴

化学镀工艺及镀层性能检测在实验教学中的应用

鲜 广，范洪远，郭智兴

(四川大学 制造科学与工程学院，四川 成都 610065)

该文依托表面工程实验室的实验教学资源，以化学镀镀层的制备和性能检测为例，详细介绍了在碳钢表面实施化学镀的工艺、镀层孔隙率、厚度和耐蚀性的测试方法及试验条件。通过该实验项目的教学，有利于加深学生理解材料表面镀层的成型原理，掌握镀层孔隙的表征方法和电化学工作站等实验设备的使用方法。实践证明，化学镀实验具有方案灵活性、内容创新性和时间可选性的特征，可为材料专业本科生和研究生开设研究性和探索性的创新实验，培养学生的创新意识。

镀层；化学镀；实验教学；创新；性能检测

腐蚀是材料3大失效形式之一，据报道，全世界每年因材料腐蚀造成的直接经济损失约达7 000亿美元，我国每年腐蚀损失约有5 000多亿元，占我国GDP的3～5。腐蚀不仅使工业装置、建筑设备遭受破坏，而且消耗资源、污染环境，甚至危及人类安全和健康[1]。腐蚀为社会发展和生命安全带来的损失教训，让人们不断探索和研究各种防腐蚀新技术、新工艺、新材料。不锈钢和镍基合金是耐蚀金属材料，在大气和腐蚀性介质中具有良好的抵抗介质侵蚀的能力，同时成本比普通钢铁材料高得多。表面处理技术是20世纪兴起并迅猛发展的新工业技术。腐蚀往往是从材料表面开始，通过在材料表面制备一层厚度很薄的耐蚀镀层，不仅可以起到防腐蚀效果，而且节材节能，成本低廉[2]。如在天然气集输管线、泵、阀门等领域常采用低碳钢＋化学镀镀层的方法来增强材料的耐蚀能力，化学镀镀层的耐蚀性可与不锈钢媲美甚至更好，而成本比采用不锈钢低很多。

近半个世纪以来，各种表面技术因科技进步和适应工业需求已经更新换代，应用领域遍及各行各业。在 “中国制造2025”战略方针中，绿色制造再次被提上新的高度，表面工程与再制造技术因具有节约资源、能耗低、污染小等特点再次得到国家的重视和支持。可以预见，表面技术在制造工业中扮演的角色将会越来越重要，应用还将进一步扩大。当前，表面科学技术已经成为部分高校材料类专业的教学内容[3-4]。四川大学分别在材料成型及控制工程专业本科课程体系中开设有 “表面工程”必修课程，在研究生课程体系中开设有 “薄膜材料与薄膜技术”选修课程，材料表面处理也被作为研究生的专业方向。随着高等教育体制改革的不断深入，实践和创新能力的培养成为改革的目标和方向，实验教学已成为与课堂教学并重的教学手段，高校通过依托实验室现有设备条件，整合资源、精心设计，可迅速为学生开设实验项目[5-6]。

1 镀层沉积工艺教学设计

化学镀能提高产品的耐蚀性和使用寿命，在材料防腐上大量应用。化学镀镀层组织均匀、孔隙少，废液排放少、对环境污染小、成本低，且能在非导体上沉积，在许多领域已逐步取代电镀成为一种环保型的表面处理工艺。四川大学材料成型及控制工程系下属表面工程实验室拥有化学镀实验装置和镀层检测设备，可借此为学生开展实验。

1.1 化学镀原理

化学镀是在无外加电流的情况下借助适宜的还原剂，使镀液中金属离子还原成金属并沉积到基体材料表面的一种表面处理技术。目前对化学镀镍磷镀层沉积机理的解释主要有原子氢析出理论、电子还原理论和正负氢离子理论。原子氢析出理论认为，化学镀液中的硫酸镍主盐电离成Ni2＋和S，还原剂次亚磷酸钠在溶液中电离成Na＋和PO-，2在一定的温度和pH值条件下，H2PO2-分解出原子态氢，一部分氢将金属离子Ni2＋还原，同时还有一部分氢从H2PO2-还原出P，P与Ni共同沉积在具有催化活性的基体表面上形成Ni-P镀层。原子态氢互相之间也发生结合形成氢气。化学反应式如下:

化学镀实质上就是氧化还原反应，镀液中的还原剂发生氧化提供电子，金属离子吸收电子得到还原。

1.2 化学镀工艺

完整的化学镀工艺包括基体前处理、化学镀和后处理。前处理的目的是为了获得具有适宜表面状态的清洁表面，为化学镀做准备，依次包括打磨、除油、酸洗、活化4个工艺。化学镀是在基体试样表面沉积镀层的过程，化学镀的核心技术是镀液配方，不同的配方获得的镀层成分、组织、结构和性能特点不同。后处理主要包括热处理和封孔处理，热处理的目的是使镀层晶化而获得更高的硬度，是可选的；封孔处理是为了封堵镀层组织中的孔隙，阻断环境液体穿透镀层直达基体，增强镀层的耐蚀性[7]。具体的工艺流程和操作步骤如图1所示。

图1 完整的化学镀工艺流程

1)打磨工艺:采用金相砂纸打磨试样表面至实验需要的表面粗糙度，砂纸选用由粗到细。

2)除油工艺:先采用丙酮 (有机溶剂)除油，再用碱性溶液除油，除油时间根据基体试样表面油污多少而定。

5)化学镀工艺:按化学镀镀液配方称料，然后将各组分分别溶解，并按顺序混合，通过氨水调节镀液pH值，在88±5℃温度下将基体试样浸入镀液进行沉积。

6)封孔工艺:采用重铬酸盐溶液进行封孔。

镀层制备实验可参考文献资料自由设计镀液配方，包括镀液组成及各组分的浓度，通过观察镀层组织、检测镀层厚度和孔隙，以及测试镀层的耐蚀性，分析化学镀工艺、镀层组织和镀层耐蚀性三者间的联系。

2 镀层组织观察和孔隙率测定教学设计

化学镀镍磷系镀层组织通常为胞状结构，胞状之间易出现孔隙，由于化学镀过程中不断有气体产生，胞状内部有时也会产生针孔，如图2所示[8]。镀层的胞状组织受化学镀工艺影响，胞状尺寸大小、分布随沉积条件改变而发生变化[9]。实验中利用金相显微镜观察镀层的表面形貌，分析镀层胞状的分布情况、镀层中的孔隙情况，预测镀层的耐蚀性。

图2 化学镀Ni79.3Sn13.5P7.2镀层的表面组织形貌

采用国标GB5935—1986中的贴滤纸法测定镀层的孔隙率，检测溶液为10 g/L铁氰化钾＋20 g/L氯化钠，镀覆完成后立即进行检验[10]。操作步骤如下:1)将浸有检验溶液的滤纸紧贴在待测镀层表面，要避免滤纸与零件表面间出现气泡，若滤纸变干，需要不断补加检验溶液，以使滤纸保持湿润；2)待滤纸贴置5 min后，取下镀层表面上印有孔隙斑点的滤纸；用蒸馏水冲洗滤纸，然后放在清洁玻璃板上并干燥；将划有方格的玻璃板放在印有孔隙斑痕的滤纸上，数出方格内包含蓝色斑点数；3)根据如下公式计算镀层到基体金属的孔隙率。

式中，H表示孔隙率，n为的孔隙数，A为被测面积，cm2。

3 镀层厚度测试教学设计

化学镀镀层厚度可达几十微米，镀层厚度越厚，镀层表面直通基体的孔隙越少，耐蚀性越好。但镀层厚度并非随沉积时间呈线性递增关系，当镀层达到一定厚度后，镀层厚度不再随沉积时间的延长而增长。实验中镀层的厚度通过金相显微观察法和增重计算法得到。

金相显微观察法是通过金相显微镜观察镀层基体试样的截面组织，辨析镀层与基体的分界面，该分界面薄的一侧厚度为镀层厚度，显微镜下观察测量的厚度除以放大倍数即为镀层的实际厚度[11]。

增重计算法是利用基体试样镀前与镀后的质量差与镀层密度和几何尺寸的关系来计算:

式中，m2为基体试样镀膜后的质量，m1为基体试样镀膜前的质量，由于镀层厚度为微米级，试样镀层后质量变化十分微小，实验中采用0.0001 g分辨率的电子天平称量试样；ρ为镀层的密度，可从文献资料中查到；S为基体试样的表面积，可根据试样的几何尺寸计算得到。

4 镀层耐蚀性测试教学设计

通过电化学实验评价镀层的耐蚀性，使用三电极系统，试样为工作电极，铂电极为辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极，电化学测试用质量分数为3.5的Nacl溶液或其他溶液作为腐蚀液。试样用环氧树脂进行封装，仅留1 cm2的暴露面积。测量前，工作电极需在丙酮中进行超声波清洗，吹干后放入被测溶液，待电位稳定后进行测试。极化曲线的扫描电位范围、扫描速率等实验参数条件可根据需要设置。动电位扫描极化曲线如图3所示，通过对测试的极化曲线进行拟合，计算腐蚀电位、腐蚀电流、极化电阻、塔菲尔斜率等电化学参数，根据各个参数值的大小评定镀层的耐蚀性能[12]。

图3 Ni-Sn-P镀层在3.5wt NaCl溶液中的动电位扫描极化曲线

电化学实验可以快速评价镀层的耐蚀性，测量操作过程简单，耗时少，适合用于实验教学。通过电化学交流阻抗实验，还可分析镀层在腐蚀溶液的腐蚀过程。表面工程实验室中除了电化学工作站，还有盐雾腐蚀实验箱和高压釜，可用于检测镀层材料的耐蚀性能。

5 结束语

通过表面工程实验室的设备资源为学生开展实验教学，能让学生更容易和更深入地理解耐蚀镀层的制备方法和工艺以及如何评价镀层的耐蚀性能，并能熟悉实验室内有关镀层制备和检测类仪器设备的使用方法和工作原理。化学镀实验具有以下3个特点:一是实验方案设计具有灵活性，镀层种类多，实验过程中可控制的参数多，学生可根据查阅的资料自由设计镀层的成分和工艺参数；二是可开展创新性的实验，化学镀表面成型过程简单，易于实施，学生可结合科研前沿，重新设计实验，开展具有创新性的研究性和探索性实验，为 “大学生创新创业训练计划”、毕业设计、科研实验提供支撑；三是完成实验的时间具有可选性，学生根据自己的空余时间安排实验，通过提前预约，经专职实验教师指导和认可后可独立进行实验，只要在规定的期限内完成实验即可。实践检验真理，实验教学是新认知下与理论教学并重的一种教学方式，同时也是科技进步和创新的途径，大学应当充分利用实验室资源条件为学生开设各类创新性和综合实验。

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Application of Electroless Plating Process and Performance Testing on Experimental Teaching

XIAN Guang， FAN Hongyuan， GUO Zhixing
(School of Manufacture Science and Engineering， Sichuan University， Chengdu 610065， China)

On the basis of the existing laboratory equipment conditions，the preparation of electroless coating and the performance test of the electroless plating are taken as an example.The test method and the proces of electroless plating process on carbon steels，caoting porosity，thickness and corrosion resistance of carbon stell surface were introduced in details.Through the teaching of the experimental project， it is beneficial to deepen the students ‘understanding of the forming principle of the surface coatings of the materil.And then master the characterization method of coating porosity and the use of laboratory equipments such as electrochemical workstation.Practice has proved that the electroless plating experiment has the characteristics such as theflexible scheme，innovative content and time-selectable feature.It provides the materials for undergraduate and graduate students with innovative research and exploration experiments，and cultivates students'innovative consciousness.

coatings； electroless plating； experimental teaching； innovation； performance testing

TG178

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.05.043

2016-03-18；修改日期:2016-05-07

四川省科技支撑计划 (2012GZ0098)；四川大学新世纪高等教育教学改革工程项目 (第六期)。

鲜广(1989-)，男，硕士，工程师，主要从事金属材料表面涂层方面的研究工作。