陶瓷表面化學(xué)鍍Ni-P合金工藝的研究

(1．哈爾濱理工大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150040；

2．黑龍江工程學(xué)院機(jī)電控制及自動化系，黑龍江哈爾濱150050)

摘要：  陶瓷表面經(jīng)化學(xué)鍍鎳處理后既可以保證陶瓷原有的機(jī)械物理性能，又可以使陶瓷具有導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐蝕等性能。采用正交實驗的方法，得出陶瓷表面化學(xué)鍍鎳的最佳工藝配方和條件。采用掃描電子顯微鏡觀察鍍層微觀形貌，利用能譜儀分析其化學(xué)成分，通過熱震實驗測試鍍層與陶瓷的結(jié)合力。結(jié)果表明：陶瓷表面鍍層覆蓋完整、均勻、致密，鍍層與陶瓷結(jié)合良好，鍍層中P的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13.46 %,Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)86.54 %。

關(guān)鍵詞：化學(xué)鍍Ni-P合金；陶瓷；覆蓋度；結(jié)合力

中圖分類號：TQ 153    文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A    文章編號：1000-4742(2011)03-0019-03

O前言

近年來，陶瓷及其制品的應(yīng)用越來越廣泛，但由于陶瓷與金屬之間的結(jié)合力較差，使其應(yīng)用受到極大的限制^[1]。若能在陶瓷表面鍍上一層金屬，則會：大大改善其與金屬之間的結(jié)合力及其他的一些物理性能（如導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性等）^[2-5]。陶瓷表面金屬化技術(shù)很多，有化學(xué)氣相沉積( CVD)，物理氣相沉積( PVD)，離子注入，激光表面改性，離子萃取等口1，但這些技術(shù)具有成本高，無法大批量生產(chǎn)等缺點(diǎn)。與上述方法相比，化學(xué)鍍具有其獨(dú)特的優(yōu)勢，它適用基體廣、均鍍和深鍍能力好、生產(chǎn)方便，改變鍍層成分及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)可實現(xiàn)多種功能^[7-14]。本文采用化學(xué)鍍的方法在陶瓷表面沉積Ni-P合金，鍍層與陶瓷表面結(jié)合良好，既可以保證陶瓷原有的機(jī)械物理性能，又可以使陶瓷具有導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐蝕等性能。

l  實驗

1.1  實驗材料

基體采用普通陶瓷。1.2  工藝流程

除油—→水洗—→粗化——→水洗—→活化—→化學(xué)鍍—→水洗—→吹干

1.3預(yù)處理工藝

陶瓷與鍍層之間無法形成金屬鍵合，只能形成機(jī)械結(jié)合[15]，要具有良好的結(jié)合力就必須經(jīng)過預(yù)處理。陶瓷是非導(dǎo)體，要在陶瓷表面上進(jìn)行化學(xué)鍍，必須有活性中心（金屬晶核），這是化學(xué)鍍還原反應(yīng)的催化劑。因此陶瓷表面的預(yù)處理是化學(xué)鍍的關(guān)鍵步驟。

(1)除油

將陶瓷片置于丙酮中，除油10 min。(2)粗化

粗化的實質(zhì)是對陶瓷表面進(jìn)行刻蝕，使表面形成無數(shù)凹槽、微孔以增大基體的表面積，確保化學(xué)鍍所需要的“鎖扣效應(yīng)”，從而提高鍍層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。將陶瓷片放入V HF：VH₂O =1：1的溶液中，室溫下粗化5 min。

(3)活化

本實驗采用無鈀活化，活化液是一種鎳鹽溶液。在活化處理時，陶瓷表面能吸附足夠的鎳鹽溶液，適當(dāng)熱處理后，鎳鹽在陶瓷表面及表面的微孔中被還原為活性中心。鎳作為化學(xué)鍍鎳的初始沉積點(diǎn)，具有較高的活性，可很快催化生成均勻、完全的覆蓋層。按比例稱取NiS0₄·6H₂O，NaH₂PO₂分別置于兩個燒杯中，用量筒量取一定量的H₂O分別倒入兩燒杯中，微熱溶解，再將兩溶液混合，加入一定量的乙醇，配制成活化液。活化液各組分的最佳質(zhì)量濃度由正交實驗獲得。將陶瓷片放入活化液中在室溫下浸漬一段時間，取出，放入烘箱中進(jìn)行活化熱處理。

1.4化學(xué)鍍鎳工藝

NaAc(緩沖劑)12 g/L，檸檬酸（配位劑）12g/L，硼酸8 g/L；主鹽為NiS0₄·6H₂O，還原劑為NaH₂ P0₂，根據(jù)正交實驗結(jié)果調(diào)整主鹽和還原劑的質(zhì)量濃度，用氨水調(diào)節(jié)鍍液的pH值。用水浴加熱到施鍍溫度后，將活化后的陶瓷片放入鍍液中，開始施鍍，時間為30 min。

1.5  性能與表征

通過熱震實驗表征鍍層與基體的結(jié)合力，將鍍好的樣片置于烘箱中，在250℃下保持30 min，取出后迅速放入冰水中，觀察鍍層是否有起皮、剝落的現(xiàn)象；若沒有，再重復(fù)上述實驗，直至脫落為止。若熱震實驗的循環(huán)次數(shù)超過5次，說明鍍層與基體的結(jié)合力良好。

覆蓋度為陶瓷表面金屬層的面積與陶瓷總面積的比值：

C=（S_金屬層/S_總）×100%

式中：C為覆蓋度，%；S金屬層為金屬層面積，Cm²；S總為陶瓷總面積，Cm²。

采用FEI Sirion型掃描電子顯微鏡對預(yù)處理后的陶瓷表面和鍍層微觀形貌進(jìn)行測試，并用EDAX能譜儀分析鍍層的成分。

采用DT-9205型數(shù)字萬用表測量陶瓷表面化學(xué)鍍鎳層的導(dǎo)電性能。

2  結(jié)果與討論

2.1正交實驗

經(jīng)初步實驗，選出重要影響因素，采用L₁₈ (3⁷)正交實驗優(yōu)化工藝配方及工藝參數(shù)。

由實驗結(jié)果可知：活化液各成分的質(zhì)量比為m_NiS04·6H20：m_{NaH2 P02}：m_C2H5OH ：m_H20  =1:1:8:10，活化浸漬時間為12 min，活化熱處理溫度為280℃，活化熱處理時間為18 min；鍍液中NiS0₄·6H₂0的質(zhì)量濃度為30 g/L，還原劑NaH₂PO₂的質(zhì)量濃度為30 g/L，施鍍溫度為70℃，pH值為4.2。另外，活化液各成分的質(zhì)量比對鍍層覆蓋度的影響最大，施鍍溫度對鍍層覆蓋度的影響最小。對優(yōu)化后的方案進(jìn)行驗證實驗，所得鍍層均勻、細(xì)致，覆蓋度為100%，經(jīng)6次熱震實驗后仍無起皮、剝落的現(xiàn)象，表明結(jié)合力良好。

2.2  微觀形貌及成分分析

圖1為經(jīng)最佳活化工藝處理后所得陶瓷表面的SEM圖。由圖1可知：陶瓷表面均勻地覆蓋了一層薄膜，表面的小裂紋是活化熱處理形成的龜裂紋；膜內(nèi)含有微小的鎳氧化物，在施鍍過程中其被還原成金屬鎳，對化學(xué)鍍起催化作用^[16]。