超声波辅助化学镀工艺及性能研究

赵 霞，王 涛

（西安创联电镀有限责任公司，陕西 西安 710065）

工业制作中金属表面处理是非常重要的一环，通过金属表面处理可以有效的去除金属表面污渍，通过镀层工艺保护好金属表面不受到氧化、腐蚀等破坏。常见的金属表面处理工艺中化学镀具有非常好的均匀镀的能力，因此化学镀经常被运用于电子产品、汽车零部件以及航空航天零部件等领域。镁合金以其轻质的特点应用于汽车、航空等多个领域，但也存在一定的缺点，在镁合金表面利用化学镀覆盖一层Ni-P合金层之后，可以提升镁合金的抗腐蚀和抗磨损能力，同时还可以优化镁合金的电磁、力学特性。

传统的镁合金化学镀Ni-P，需要在八九十度的水浴中完成。整个过程耗能大，镀层稳定性不高，还会产生一些对环境有害的物质。而利用超声波辅助镁合金Ni-P化学镀，恰好可以解决以上问题，优化化学镀之后的产品性能。因此，本文将通过实验获得超声波辅助镁合金Ni-P化学镀的超声波功率。

1 超声波辅助镁合金Ni-P化学镀实验

1.1 实验方案介绍

首先，准备实验材料。本次实验使用10mm*10mm*10mm的镁合金作为基材。并使用不同规格的砂纸对基材进行表面打磨，使用丙酮溶液对打磨后的基材进行清洗，利用碱洗去污，利用酸洗刻蚀，并进行活化处理。

表1 比较实验研究方案

如下表所示，为了准确了解不同功率的超声波对化学镀工艺及性能的影响，本文使用40kHz频率90W和150W两种功率的超声波辅助化学镀，然后分别与常规水浴加热化学镀进行比较，从而获得超声波功率对化学镀工艺及性能的影响指标。

1.2 实验比较指标

1.2.1 沉积速率

通过增重法获得镁合金化学镀层的沉积速率，具体可用如下公式计算：

1.2.2 微观形态

使用电子显微镜观察不同化学镀实验之后样品镀层的微观形态。

1.2.3 耐腐蚀性

采用盐水喷洒实验测定不同化学镀实验之后样品镀层的耐腐蚀性。

1.2.4 硬度

使用显微硬度计测量不同化学镀实验之后样品镀层的硬度。

1.2.5 表面粗糙度

采用轮廓仪测定不同化学镀实验之后样品镀层表面的粗糙度。

1.2.6 结合力

采用划线法和热震实验测定不同化学镀实验之后样品镀层的结合力。

2 超声波辅助镁合金Ni-P化学镀实验结果

2.1 超声波辅助对镁合金Ni-P化学镀的工艺影响

2.1.1 沉积速率

通过表2的实验结果可以看出，5种实验方案中，常规85℃水浴加热条件下的化学镀的沉积速率最小；通过实验方案1和2以及4和5可以看出随着超声波的增加，镁合金Ni-P化学镀的沉积速率增加；通过实验方案1和4以及2和5可以看出随着温度的增加，镁合金Ni-P化学镀的沉积速率也会增加；因此五组实验方案中第五组镁合金Ni-P化学镀的沉积速率最高，达到了24.7um/h。

表2 沉积速率实验结果比较

主要原因是：一方面超声波在镀液中产生的高速微射流随着超声波的功率增加而作用越大，对溶液的搅拌能力越强，沉积速率越大；另一方面超声波可以有效清洁基体表面，提高基体表面的催化活性；第三，超声波将水分子分解为活化态的氢原子，在催化剂以及温度的作用下加速速Ni2+，H2PO2氧化还原生成NiP的反应。

2.1.2 微观形态

在65℃、150W的条件下，镁合金Ni-P化学镀镀层表面均匀堆积球状镀层颗粒。而85℃、150W的条件下，镁合金Ni-P化学镀镀层表面出现了体积不均匀的颗粒堆积状态，甚至出现了大小不一的孔洞。

究其原因主要是在温度适宜（65℃）的条件下，超声波可以有效的提升镀层表面颗粒的沉积速率。在沉积速率适当的条件下，镀层颗粒在基体表面进行均匀堆积。而随着温度的增加，会导致沉积速率过的快，而在堆积层表面大量堆积的过程中产生体积较大的颗粒，甚至出现气泡或者脱落现象，而造成镀层表面出现空洞等问题。因此，超声波辅助镁合金Ni-P化学镀工艺过程中需要适当的降低化学度的温度，以实现提升化学镀工艺，同时有效降低能耗。

2.1.3 硬度

使用显微硬度计测量不同化学镀实验之后样品镀层的硬度，具体见表3所示。

表3 硬度实验结果比较

通过上表可以看出，65℃、150W条件下超声波辅助对镁合金Ni-P化学镀产品的硬度最佳，达到了597HV，硬度远高于常规水浴加热化学镀的硬度。

究其原因是超声波给球状镀层颗粒加以能量，使得这些颗粒被压实在镀层表面，从而产生一定的硬化作用。同时该条件下，超声波的搅拌作用使得镀层表面球状镀层颗粒更加均匀，颗粒之间的应力作用更加一致。

2.1.4 耐腐蚀性

金属表面镀层一个重要的原因就是为了提升金属表面的耐腐蚀性，镀层的一致性和完整性是耐腐蚀性至关重要的前提。

表4 耐腐蚀性实验结果比较

对五组实验结果的样品进行盐雾实验，发现65℃、150W条件下超声波辅助对镁合金Ni-P化学镀产品的耐腐蚀性最佳。主要原因与在该条件下的镀层微观形态以及表面硬度形成的机理相关，超声波改善了镀液中的微观分散度，使得P元素在镀层表面分布的更加均匀，镀层更加细密，孔隙、麻点等缺陷的发生率更低。而第五组（85℃、150W）的条件下，耐腐蚀性最差，主要是因为该条件下微观形态镀层表面出现了空洞等问题，从而大大降低了镀层的耐腐蚀性。

2.2 超声波辅助对镁合金Ni-P化学镀的性能影响

2.2.1 粗糙度

采用轮廓仪测定不同化学镀实验之后样品镀层表面的粗糙度，可以发现超声波辅助镁合金Ni-P化学镀的样品表面粗糙度Ra均值为0.036μm。实验结果说明了超声波辅助镁合金Ni-P化学镀样品表面光滑明亮、装饰性强、抗腐蚀性好，有利于提升样品的使用年限。

2.2.2 结合力

镀层表面具备良好的结合力是镀层保护基材的重要指标。采用划线法和热震实验测定不同化学镀实验之后样品镀层的结合力。结果表明超声波辅助镁合金Ni-P化学镀样品镀层无起皮、剥落等现象。镀层中的Ni、P元素分布较为均匀，从镀层到过渡层再到基材，镀层元素Ni、P呈现出逐渐下降，而镁元素逐渐上升的趋势，说明了在超声波辅助镁合金Ni-P化学镀的过程中，两种镀层和基材元素在接触面形成了良好的扩散现象，大大提升了镀层的结合力，使得镀层与基材更加密实，不易脱落。

3 结论

超声波辅助镁合金Ni-P化学镀可以有效的提升化学镀过程中的沉积速率，并且沉积速率随着温度和功率的增加而增加。在温度和功率条件最优化的情况下，镀层表面的球状镀层颗粒均匀分布，密度较高，有效降低空隙、麻点等缺陷，提升了镀层的硬度和耐腐蚀性，同时也提升了产品表面光滑度。通过本次实验可以得出65℃、150W条件下，超声波辅助镁合金Ni-P化学镀产品的综合性能最佳，可以起到最佳的保护作用。