电镀槽液基本性能试验介绍

2018-09-14王晴晴程宗辉皮志超

长沙航空职业技术学院学报 2018年3期

王晴晴，崔军，程宗辉，皮志超

（国营芜湖机械厂，安徽芜湖241007）

航空维修标准工艺中的镀覆层质量控制指标主要是外观、结合力、氢脆性、孔隙率等。影响以上指标的因素分为槽液的外部和内部两类，其中槽液本身的性能是最根本和直接的。镀层槽液性能包括分散能力、覆盖能力、整平能力、内应力等。分散能力是指电镀液能使镀层的厚度在被镀覆零件表面均匀分布的能力，也叫均镀能力[1]。测定方法主要有哈林槽法、弯曲阴极法、赫尔槽法。覆盖能力是指在一定电解条件下使沉积金属在阴极表面全部覆盖的能力，也叫深度能力，是指镀层在被镀零件上分布的完整程度[2]。测试方法有直角阴极法、平行阴极法、内孔法、凹穴试验法。整平能力是指镀层将具有微观粗糙的金属表面填平的能力，填平程度决定于镀层在微观粗糙金属表面上的分布，也称其为微观分散能力[3]。测定方法主要有旋转圆盘电极法、假正弦波法、粗糙度仪法。内应力是由电沉积过程中不平衡的结晶过程所产生的[4]，因镀层沉积在基体表面，无外加作用力时镀层也一直处于被拉伸或压缩状态。测试方法有幻灯投影法、电阻应变仪法、螺旋式收缩仪法、X射线衍射法。

在航空修理标准中，上述基本性能虽不是常规考核及检验指标，但它们在一定程度上影响着镀层的表面质量。作为航空修理单位，须加以掌握和控制。本文以某种镀镍工艺为例，分别研究了其分散能力、覆盖能力、整平能力、内应力大小，详细叙述了试验过程并作了简要分析。当镀层表面质量发生异常时，参考该试验方法及过程，开展一定实验和分析，将异常状态下的结果与正常情况下的对比，找出镀液的问题所在，并对症下药。通过控制镀液基本性能指标，提高产品质量。

1 试验过程

1.1 镀镍液组成

硫酸镍（NiSO4·7H2O）化学纯(120～135)g/L，硫酸镁（MgSO4·7H2O）化学纯（36～46）g/L，氯化钠（NaCl）化学纯（9～19）g/L，硫酸钠（Na2SO4·10H2O）化学纯（30～60）g/L，硼酸（H3BO3）化学纯（10～15）g/L，温度为（18～35）℃，阳极为NY1或NY2。

1.2 测试方法

1.2.1 分散能力

采用赫尔槽试验法测试镀镍槽液分散能力。赫尔槽体积250mL，试验件为黄铜，大小100mm×75mm×0.5mm，背面绝缘，电流强度为1A，时间10min，温度24℃。镀覆完成后将表面平均分成10个部分，如图1所示，采用X射线镀层测厚仪分别测量1至8号区域的镍层厚度δi为δ1～δ8。根据T=100%×δi/δ1计算分散能力大小。

图1 赫尔槽试验装置（左）及试片（右）

1.2.2 覆盖能力

本文采用内孔法测定镀镍液的覆盖能力。试验件为紫铜管，规格为φ12mm×1 mm，长度为100mm，试验装置如图2所示，镀覆完成后取出清洗干净并吹干，将铜管分别从中间沿孔方向纵向刨开，内孔中镀层的长度与管长度比值可评定镀液的覆盖能力大小。

图2 覆盖能力试验装置图

1.2.3 整平能力

采用粗糙度仪法测定镀镍液的整平能力大小，试验件为黄铜，尺寸大小100mm×75mm×0.5mm。镀覆前，采用吹砂或打磨方式，使表面粗糙度分别达到Ra00.5μm、Ra01.0μm。电流密度为1A/dm2，镀覆时间为20min。再用粗糙度仪分别测量试片的粗糙度值Ra1' 0.5、Ra1' 1.0。根据E=100%*(Ra0-Ra1')/Ra0，计算整平能力大小。

1.2.4 内应力

本文采用螺旋式收缩法测定镀镍层内应力大小。仪器为B-72型螺旋式应力仪。试件为不锈钢螺旋试片，厚度为0.2mm，主要操作过程为测定计器定数K、螺旋试片称重及前处理、试片镀覆及称重、内应力计算。计算镀层质量G3=G1-G2，镀层厚度d=199* G3/ρ，ρ为镍金属的密度。计算每分钟沉积的电镀镍层厚度，d'=d/t，计算内应力σ（kg/mm2）=K*α/ d。

2 结果与讨论

2.1 分散能力测定结果

表1为采用赫尔槽试验法测定的不同位置镀层厚度及根据T=100%×δi/δ1计算的分散能力大小值。利用阴极电流分布公式DK=1.068I（5.1019-5.2401lgL），反推电流密度大小，不同位置对应的电流密度大小值如表2所示，取L为每格中间位置至近阳极端距离。

表1 不同位置对应的分散能力大小

表2 不同的距离对应的电流密度大小

5 5.5 1.3 6 6.5 0.89 7 7.5 0.55

图3 电流密度对应分散能力大小曲线图

以电流密度为横坐标，分散能力大小为纵坐标做曲线图，如图3所示，采用线性拟合方式对曲线进行拟合处理，得到拟合s方程y=0.25x-0.05，并得偏差为0.00781。将不同的电流密度代入拟合方程，可得到不同电流密度下的分散能力大小。

由实验结果可知，槽液的分散能力大小几乎与电流密度大小成正比。从实验数据可以看出，随着阳极距离的增加，即电流密度的减小，其分散能力逐渐降低。为提高镀液的分散能力，可适当增加电镀中的电流密度。但当电流密度过大时，镀层表面粗糙度增大，且易发生起泡、起皮现象，如图1中的赫尔槽试片（右）。因此，在保证表面状态良好的前提下可适当提高电流密度大小，以使表面镀层厚度更均匀分布。

2.2 覆盖能力测定结果

刨开后的镀镍铜管如图4所示。测得试件管内镀镍层沉积总长度约为50mm，则镀镍液的覆盖能力为50/100×100%=50%，即其覆盖能力大小约为50%左右。镀液的覆盖能力大小和添加剂、溶液导电率等有关。该镀镍槽液中，硫酸镍为主盐，硫酸镁和硫酸钠为导电盐，氯化钠为活化剂，硼酸为缓冲剂。因此，改善该槽液的覆盖能力可以从硫酸镁和硫酸钠的添加量着手或者添加导电性更好的成分。

图4 铜管刨开前后的状态

2.3 整平能力测定结果

镀覆前后测量的粗糙度大小及计算整平能力结果如表3所示。镀液的整平作用分为三种，即正整平、几何整平和负整平，分别表示真整平、略有整平和不良整平。采用粗糙度法测得的镀镍液的整平能力约为0.2，正值代表该条件下镀镍层具有填平微观空穴的作用。即基体表面粗糙度较小，镍层厚度约为10μm左右时，镍层可起到降低表面粗糙度的作用。

表3 粗糙度及整平能力大小

2.4 内应力测定结果

镀镍后试片质量G2为10.0896g，镀层重量为0.2796g，则镀层厚度为6.252μm，每分钟析出的镀层厚度为0.250μm。用砝码对试片的摆动测量结果如表4所示。则张应力计器定数K(+)为0.811，压应力计器定数K(-)为0.777。随着镀覆的时间增加，仪表角度变化值及其厚度、内应力对应值如表5所示。从表5中可以看出仪表转动方向为正值，102度，计算可得镀镍层内部应力为13.23 kg/mm2。

镀层内应力分为张应力（+）和压应力（-），张应力有使镀层体积收缩的趋势，而压应力有使镀层体积膨胀的趋势[5]。从试验数据结果来看，镀镍层的内应力为正值，即为张应力。该值反应出镀镍层的内部应力为张应力，该值过大易使镀层发生开裂现象。