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化學(xué)鍍鎳技術(shù)在化工機(jī)械、宇宙航空等眾多領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛,并隨著生活水平的提高,對功能性及裝飾性鍍層的要求也越來越高。因此,研制開發(fā)新的鍍鎳光亮劑已經(jīng)引起了人們的極大關(guān)注。在目前已研制出的四代電鍍鎳光亮劑中,第二代光亮劑鍍層質(zhì)量差,色澤偏淡米黃色[1];第三代鍍鎳光亮劑以1,4 丁炔二醇與環(huán)氧類化合物的縮合物為代表,鍍層光亮平整,應(yīng)用廣泛,但用量大,出光速度慢,分解產(chǎn)物多;20世紀(jì)80年代末研制開發(fā)出的第四代光亮劑,其中初級光亮劑一般為柔軟劑,如武漢風(fēng)帆電鍍公司的柔軟劑S中含有C12H11NO4S2和C2H3SO3Na的混合物[2],次級光亮劑以吡啶衍生物和丙炔醇衍生物及炔胺類化合物為典型代表,鍍液穩(wěn)定,分解產(chǎn)物少,但應(yīng)用缺乏普通性[3]。上述光亮劑絕大多數(shù)用在電鍍鎳工藝中,化學(xué)鍍鎳上使用的光亮劑報(bào)道較少。本文利用新研制的化學(xué)鍍鎳光亮劑在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中的運(yùn)用表明:對鍍層有明顯的增光和整平作用,在嚴(yán)格控制用量的情況下,各方面性能也較優(yōu)異。
1 試驗(yàn)方法
化學(xué)鍍鎳工藝流程:試樣(鐵片)→鍍前預(yù)處理(除油、活化或拋光)→水洗→化學(xué)鍍→水洗→鍍后處理(清潔、烘干)→檢驗(yàn)→成品。鍍液的組成及工藝條件見表1。
采用HX 1型顯微硬度計(jì)進(jìn)行顯微硬度和鍍層厚度的測定;采用日本島津EPMA 1600電子探針、X 射線波譜儀進(jìn)行鍍層表面形貌及成分測定,加速電壓15kV,電流50mA,X射線分光晶體為LiF、PET、L55A;采用日本理學(xué)3015型X射線衍射儀進(jìn)行鍍層組織及結(jié)構(gòu)測試。鍍層的耐磨性測定在M 2000型磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,上塊材料為GCr15鋼,硬度59HRC,下環(huán)是被測試樣。負(fù)荷500N,轉(zhuǎn)速400r/min,N32號機(jī)油潤滑,持續(xù)磨損時(shí)間為1h。試樣磨損前后質(zhì)量用FA1004電子天平稱量。分別在5%NaCl溶液和10%HCl溶液中進(jìn)行全浸耐蝕性試驗(yàn),浸入時(shí)間為144h。
2 試驗(yàn)結(jié)果及分析
2.1 鍍層成分文獻(xiàn)[4]
報(bào)道了高磷含量化學(xué)鍍鎳工藝的研究,最佳工藝條件下獲得了磷含量為23%(wt)的高磷鎳 磷合金鍍層。本工藝在添加不同含量的光亮劑后,獲得的鍍層中的磷含量如圖1所示,很明顯,使用光亮劑后獲得的是高磷鎳 磷合金鍍層,磷含量隨著光亮劑用量的增加而提高。在鍍液組成和操作溫度相同時(shí),通過對比試驗(yàn)表明:不含光亮劑時(shí)鍍層中的磷含量為8.237%(wt);光亮劑用量2mL/L時(shí),磷含量為15.812%(wt);當(dāng)光亮劑用量為6mL/L時(shí),鍍層中磷含量提高到了39.026%(wt)。而且鍍層中并沒有光亮劑的成分,可以確定光亮劑沒有參加化學(xué)反應(yīng),但明顯提高了鍍層中的磷含量,說明了它對鍍液中磷的沉積有積極的促進(jìn)作用。
2.2 鍍態(tài)下鍍層的相結(jié)構(gòu)
根據(jù)電子顯微鏡研究認(rèn)為[5]:鎳 磷合金鍍層的結(jié)構(gòu)隨著磷含量的增加,從晶態(tài)連續(xù)向非晶態(tài)變化,大致情況是:微細(xì)晶態(tài),含磷3%(wt)左右→微細(xì)晶態(tài)+非晶態(tài),含磷5%(wt)左右→非晶態(tài),含磷7%(wt)以上。文獻(xiàn)[6]指出:只有鍍層成分在Ni-P相圖共晶點(diǎn)(11%)附近時(shí),才能形成典型的非晶態(tài)組織。通過X射線衍射分析,從圖2可以看出:低磷、高磷鍍層兩種測試結(jié)果在2θ=45°處均出現(xiàn)了饅頭峰,說明了在兩種情況下鍍層都是非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。但低磷鍍層的衍射峰仍然比較尖銳,而高磷鍍層的衍射峰則似“饅頭包狀”,且衍射峰向兩側(cè)漫散開來,是非晶態(tài)結(jié)構(gòu)強(qiáng)的顯著特征。
2.3 鍍層性能
2.3.1 光亮劑對表面效果的影響 本工藝中光亮劑使用后,在反應(yīng)過程中鍍層表面的出光速度非常快,一般只需15～20min,鍍層便開始光亮,而且鍍層平整,結(jié)晶細(xì)致,幾乎達(dá)到了全光亮的效果。鍍液裝載量對鍍層的光亮度也有影響:一般來說,隨著鍍液裝載量的增加,鍍層光亮度降低。試驗(yàn)表明:為了獲得光亮的鍍鎳層,鍍液裝載量以低于2.4dm2/L為佳。同時(shí),基體表面的光潔度愈高,出光速度就越快,獲得的鍍層表面的光澤度也越好。
2.3.2 光亮劑對沉積速度的影響
文獻(xiàn)[7]報(bào)道了高磷高速化學(xué)鍍鎳磷合金工藝中各成分對沉積速度的影響規(guī)律,確定最佳條件下的沉積速度為18～30μm/h。與此相比,在本工藝中,光亮劑用量對沉積速度的影響如圖3所示:光亮劑用量在1～2mL/L范圍內(nèi)時(shí),沉積速度降低較快,隨后變化相對平緩。沉積速度隨著光亮劑用量的增加而降低,表明了它對沉積速度有一定的抑制作用。
2.3.3 光亮劑對鍍層顯微硬度及磨損速率的影響
鍍液中光亮劑用量對鍍態(tài)下鍍層的硬度和磨損速率的影響如圖4所示,隨著光亮劑用量的增加,鍍態(tài)下鍍層的顯微硬度逐漸降低。與文獻(xiàn)[8]研究結(jié)果所述的“鍍層鍍態(tài)下的硬度隨磷含量的增加而降低”是基本一致的。光亮劑用量控制在3mL/L以下時(shí)鍍態(tài)下鍍層的硬度在440～500HV之間。鍍態(tài)下鍍層的磨損速率隨著光亮劑用量的增加而提高。鍍液中光亮劑用量為1～2mL/L時(shí),鍍層的磨損速率略高于不加該光亮劑時(shí)鍍層的磨損速率3.84μg/(cm2·h)。使用光亮劑后鍍層硬度的降低和磨損速率的提高,主要是由于非晶態(tài)高磷合金鍍層中固溶態(tài)的磷原子增加所致。
2.3.4 光亮劑對鍍層腐蝕速率的影響
鍍液中光亮劑用量對腐蝕率的影響如圖5所示。腐蝕試驗(yàn)結(jié)果表明:在5%NaCl溶液中,光亮劑對腐蝕率影響不大,且腐蝕速率較低。因?yàn)楦吡缀辖疱儗与S著磷含量的增加,使鍍層的自鈍化能力增加而使鍍層表面富集一層磷,在腐蝕環(huán)境下形成完整致密的磷化鈍化膜,對基體起到了很好的保護(hù)作用。同時(shí),由于非晶態(tài)結(jié)構(gòu)無偏析、位錯等缺陷,不能形成局部腐蝕電池,故耐蝕性極佳[9]。但10%HCI溶液對鍍層腐蝕速率影響較大,腐蝕速率隨著光亮劑用量的增加而增加。一般情況下,鍍層的耐蝕性隨著磷含量增加而提高,但當(dāng)含磷量超過13%(wt)時(shí),耐蝕性便有所降低[5]。光亮劑加入3mL/L后,鍍層中磷的含量已經(jīng)超過了20%(wt),從而明顯降低了鍍層的耐蝕性。腐蝕試驗(yàn)結(jié)果基本符合上述說法。從耐腐蝕性角度考慮,為獲得耐蝕性能好的鎳磷合金鍍層,光亮劑用量應(yīng)控制在1～2mL/L為宜。
3 結(jié)論
(1)使用光亮劑后,獲得了非晶態(tài)高磷鎳 磷合金鍍層。鍍層中固溶磷原子的增加,起到了明顯的增光效果,提高了裝飾性鍍層的表面質(zhì)量。
(2)加入光亮劑后,在反應(yīng)過程中,鍍層表面出光速度快,一般只需15～20min鍍層便開始光亮,且光亮劑用量少,持續(xù)出光時(shí)間長,鍍液較為穩(wěn)定可靠。
(3)光亮劑在化學(xué)鍍過程中沒有參加化學(xué)反應(yīng),卻對磷的沉積有積極的促進(jìn)作用,明顯提高了鍍層中的磷含量。但當(dāng)磷含量過高后,會降低耐蝕性。考慮綜合因素,本工藝中光亮劑用量應(yīng)控制在1～2mL/L為宜。
