毕业设计（论文）-碳钢化学镀镍主盐和还原剂的优化.doc

河南科技学院河南科技学院 2009 届本科毕业论文 设计 届本科毕业论文 设计 论文题目 碳钢化学镀镍主盐和还原剂的优化论文题目 碳钢化学镀镍主盐和还原剂的优化 均匀设计法 均匀设计法 学生姓名 学生姓名 杨柳青杨柳青 所在院系 所在院系 机电学院机电学院 所学专业 所学专业 机电技术教育机电技术教育 导师姓名 导师姓名 刘贯军刘贯军 完成时间完成时间 20092009 年年 5 5 月月 2424 日日 河南科技学院本科生毕业论文 设计 任务书河南科技学院本科生毕业论文 设计 任务书 题目名称 碳钢化学镀镍主盐和还原剂的优化 学生姓名杨柳青所学专业机教学号20040315055 指导教师姓名 刘贯军所学专业 材料加工职称 教授 完成期限 08 年 11 月 1 日至 09 年 5 月 24 日 一 论文 设计 主要内容及主要技术指标 1 在原理上弄清化学镀与电镀的相同点和不同点 其应用上有何不同 2 了解碳钢零件的化学镀镍原理及过程 国内外研究及应用状况 3 对碳钢样品进行化学镀镍试验 通过控制工艺过程参数获得合格镀镍层 优化出最佳的镀液配方使镀速达到最高 4 要求经过化学镀镍的碳钢样品表面平整 光亮 美观 1 2 毕业论文 设计 的基本要求 1 通过互联网 校内期刊数据库等途径了解碳钢零件化学镀镍的原理及工艺 2 通过试验弄清相关工艺参数对碳钢样品化学镀镍质量的影响趋势 3 做出样品 4 完成不少于 2000 字 单词 的专业英文资料翻译 3 三 毕业论文 设计 进度安排 2008 年 11 月 1 日 12 月 30 日 查找相关专业资料 熟悉化学镀镍工艺 提交 开题报告 论证设计方案 完成不少于 2000 单词的英文资料翻译稿 2009 年 2 月 16 日 5 月 16 日 基本完成毕业设计规定的试验任务 2009 年 5 月 17 日 5 月 31 日 撰写毕业论文 2009 年 5 月 31 日 交齐全部毕业设计资料 河南科技学院本科生毕业论文 设计 课题审核表河南科技学院本科生毕业论文 设计 课题审核表 院 系 名称机电学院 专业名称机电技术教育 042 指导教师姓名刘贯军 课题名称碳钢化学镀镍主盐和还原剂的优化 课题来源自拟课题 立题理由 和所具备 的条件 碳钢化学镀镍工艺因其具有优良的耐磨和耐腐蚀性能在工业上应用广 泛 还由于该工艺的节能环保效益而受到环保部问的青睐 所以 跟踪研究 化学镀镍工艺尤为必要 现在 开展该项研究的实验室条件已经具备 4 教研室 审批意见 教研室主任签字 年 月 日 毕业论文 设 计 工作领导 小组审批意见 组长签字 年 月 日 注 本表存院 系 备查 5 河南科技学院本科毕业论文 设计 中期河南科技学院本科毕业论文 设计 中期进展情况检查表进展情况检查表 学生姓名杨柳青班级机教 042指导教师刘贯军 论文 设计 题目碳钢化学镀镍主盐和还原剂的优化 1 通过互联网和校内期刊数据库等途径查找有关化学镀镍方面的资料 完成了 开题报告 2 完成了 2000 字左右的专业英语资料翻译 3 经过多方面的分析及在老师的帮助下初步拟订了试验方案 目 前 已 完 成 任 务 是否符合任务书要求进度 符合 1 对碳钢样品进行化学镀镍试验 获得所需数据 2 通过计算机统计软件进行回归分析获得最优方案 并做出样品 3 完成毕业论文 尚 需 完 成 的 任 务能否按期完成论文 设计 能够完成 存 在 问 题 1 可能由于试验过程中的 PH 值没有控制好 使经过初步试验得到的镀镍 层镀速不太理想 2 试验的优化方法不太熟悉 存 在 问 题 和 解 决 办 法 拟 采 取 的 办 法 1 试验过程中要提高加入适量的氨水来控制镀速 不至于对试验结果造 成太大影响 经过多次实验最终达到预期目标 2 学习试验优化方面的书籍 掌握多种优化方法 使优化结果更准确 指导教师 签 字 日期 年 月 日 教学院长 系主任 意 见 签字 年 月 日 6 河南科技学院本科生毕业论文 设计 开题报告河南科技学院本科生毕业论文 设计 开题报告 题目名称 碳钢化学镀镍主盐和还原剂的优化 学生姓名杨柳青 专业机电技术教育 学号20040315055 指导教师姓 名 刘贯军 所学专 业 材料加工职称教授 完成期限 2008 年 11 月 1 日 至 2009 年 5 月 24 日 一 选题的目的意义 随着科技的发展各种新材料层出不穷 化学镀为了适应这种发展的需要 所 涉及的基体材料已由钢铁扩展到了不锈钢 铝及铝合金 塑料 玻璃 陶瓷等 而且 应用的基体形状由比较规则的块体 板材发展到了各种不规则的微粒 从而进一 步地拓宽了化学镀的研究领域 对化学镀镀层的前期研究主要着眼于耐磨及耐蚀 性能 而现在有不少研究是针对其电学 磁学性能 电镀是在含有预镀金属的盐类溶液中 以被镀基体金属为阴极 通过电解作用 使镀液中预镀金属的阳离子在金属表面沉积出来 形成镀层的一种表面加工方法 化学镀是指在没有外电流的情况下 利用化学方法使溶液中的金属离子还原为金 属并沉积在基体形成镀层的一种表面加工方法 化学镀镍是用还原剂将镀液中的镍离子还原为金属镍并沉积到基体表面上去 的方法 与电镀相比 化学镀镍有其自身的特点 1 镀层是化学介的结合 不脱落 不龟裂 结合力 400Mpa 远远高于电镀 2 具有高硬度和高耐磨性 在沉积状态下 镀层硬度为 HV500 550 HRC49 55 400 热处理为 HV900 1000 HRC69 72 3 镀层系非晶态 孔隙小 表面光洁 在许多地方可替代不锈钢 4 镀层厚度十分均匀 误差在 2 m 左右 即有很好的 仿型性 镀后不需要 磨削加工 5 在肓孔 管件 深孔及缝隙的内表面可得到均匀镀层 中性盐雾时间 96 小 时 6 镀层的厚度可使尺寸超差 使报废零件复用 7 二 国内外研究现状 化学镀由于其独有的特点 所以从诞生之日起 就引起了各国研究者的广泛关 注 化学镀镍技术开始 19 世纪 早在 1845 年 Wartz 就发现 用次亚磷酸盐还原 金属镍可以从其盐的水溶液中沉积出来 但形成的金属几乎总是粉末状态 1916 年 Ro ux 已经获得了光亮镀层 这些光亮镀层是在加入还原剂之后在反应容器 的表面上形成的 但没有什么实际应用 1946 年 Brenner 和 Riddell 将化学镀镍 工艺发展成了实用的技术 在应用研究中 美国通用运输公司 GA TC General American Transportatio n CO 的 Gutzeit 及其同事对化学镀镍溶液的组成和工艺 参数进行了系统研究 为化学镀镍的工业化应用奠定了基础 GA TC 在 50 60 年 代公布了一系列专利并于 1955 年建成了第一条化学镀镍生产线 我国化学镀镍起步较晚 在工业应用方面还存在不少问题 如镀液不够稳定 沉积速度慢 使用周期短 成本高等 近年来 我国加快了化学镀镍技术研究 化 学镀镍技术水平和应用发展迅速 通过不断地研究与探索 一些技术问题逐步得到 解决 化学镀镍技术在我国的工业应用日益广泛 据不完全统计 我国化学镀镍 已有 300 多家 最大单槽镀液已达 38 m3 为亚洲之最 国外知名品牌化学镀镍 浓缩液纷纷进入中国市场 21 世纪的化学镀镍将进入一种更加成熟 更加蓬勃发 展的时期 三 主要研究内容 1 在原理上弄清化学镀与电镀的相同点与不同点 其应用上有何不同 2 了解碳钢零件的化学镀镍原理及过程 国内外研究状况及应用状况 3 对碳钢样品进行化学镀镍试验 通过控制工艺过程参数获得合格镀镍层 优化出最佳的镀液配方使镀速达到最高 4 要求经过化学镀镍的碳钢样品表面平整 光亮 美观 8 四 毕业论文 设计 的研究方法或技术路线 1 通过学习了解化学镀镍的基本知识 并掌握均匀设计的试验方法 2 运用均匀设计的方法进行实验室试验 试验中镀液的成分包括 主盐 还原 剂 络合剂 复合稳定剂 3 运用计算机软件进行统计回归处理 优化出一种较好的镀液配方 使试验结 果达到最优 4 结合指导教师的教学经验来重新完善和提高自己新的认识和研究 五 主要参考文献和资料 1 邵忠财 田彦文 翟玉春等 无机材料学报 J 1999 14 3 2 钱苗根 姚寿山 张少宗 现代表面技术 M 北京 机械工业出版社 1999 4 3 姜晓霞 沈伟 化学镀理论及实践 M 北京 国防工业出版社 2001 4 王孝镕 顾慰中 化学镀镍磷合金工艺研究 J 电镀与涂饰 1999 18 2 5 姚寿山 李戈扬 胡文彬 表面科学与技术 M 北京 机械工业出版社 2005 4 6 叶人龙 覆前表面处理 北京 化学工业出版社 2006 3 7 沈伟 化学镀镍的表面预备 J 材料保护 1995 3 28 3 8 潘卫东 洪鹤 陈立佳 次亚磷酸钠作为还原剂的化学镀镍 沈阳工业大学学报 J 1997 12 19 6 9 郭贤络 杨辉琼 孟飞 酸性化学镀镍络合剂的研究 J 电镀与涂饰 2000 4 22 24 10 郑筱梅 李自 用均匀设计试验优化镀液组成 材料保护 J 2001 4 4 9 六 指导教师审批意见 签名 年 月 日 摘摘 要要 本文介绍了国内外化学镀和化学镀镍技术的特点和发展历史 通过在碳钢 试样上进行化学镀镍试验 获得各因素不同水平条件下的镀速 分析了镀液中各 成分的作用及影响镀速的各因素 为研究化学镀镍沉积速度最佳工艺条件 在参 考有关镀液组成研究的基础上 通过均匀设计的方法按4因子 15水平 15次试验 构成均匀设计表进行化学镀镍试验 试验结果用计算机软件进行多项式回归分 析统计处理 得到了多项式回归方程 对该方程进行单纯形法寻优处理 优化出 一种较好的镀液配方 硫酸镍35g L 次磷酸钠35g L 乳酸15g L 柠檬酸2g L时 最高镀速达到28 8 3 47 m h 使试验结果达到最优化 经过试验验证的最后结 果26 5 m h 与计算机优化的结果基本相符 10 关关键词键词 化学镀镍 均匀设计 镀速 Optimization of main salt and reducing agent about electroless Ni P plating on carbon stell Uniform design Abstract This paper introduces the domestic and foreign chemical nickel plating and chemical characteristics and the development of technology history Carbon steel substrate by electroless nickel plating on the tests different levels of access to the various factors under the conditions of plating rate plating bath analysis of the role of the various components of the plating rate and its impact factors Study of electroless nickel deposition rate optimum conditions in reference to the plating solution on the basis of the composition through the uniform design method based on factor 4 15 levels 15 tests constitute a uniform design table of electroless nickel plating trial results using computer software to deal with polynomial regression analysis of statistics by the composite index and the factors of polynomial regression equations the equation is simple to deal with optimization optimization of a better solution formula Nickel sulfate 35g L sodium hypophosphite 35g L lactic acid 15g L citric acid 2g L the plating rate to achieve the highest 28 8 3 47 m h the results of the tests is 26 5 m h to achieve the best optimization after the final results of tests with the computer optimization consistent with the results Keywords Electroless nickel plating Uniform designs Plating rate 目目 录录 1 前言 1 1 1 化学镀和化学镀镍技术的特点和概况 1 1 2 化学镀镍的基本原理 2 1 2 1 原子氢态理论 2 1 2 2 电化学理论 2 2 试验过程 3 2 1 主要试剂和仪器 3 2 2 工艺流程 3 2 3 化学镀镍前处理 3 2 3 1 镀覆前处理的目的 3 2 3 2 除油 4 2 3 3 除锈 4 2 3 4 清洗 5 2 4 化学镀镍溶液配制 5 2 4 1 化学镀镍溶液的组成及作用 5 2 4 2 化学镀镍溶液的配制 5 2 5 施镀 6 2 6 镀后处理 7 3 实验结果分析与处理 7 3 1 试验结果 7 3 2 影响镀液沉积速率的因素 8 3 2 1 镍盐 8 3 2 2 还原剂 9 3 2 3 络合剂 9 3 2 4 其他各种因素对镀速的影响 10 3 3 均匀设计法确定化学镀镍液的最佳工艺条件 10 3 4 结论 15 致谢 15 参考文献 16 1 1 前言前言 1 1 化学化学镀镀和化学和化学镀镍镀镍技技术术的特点和概况的特点和概况 随着科技的发展 各种新材料层出不穷 化学镀为了适应这种发展的需要 所涉及的基体材料已由钢铁扩展到了不锈钢 铝及铝合金 塑料 玻璃 陶瓷等 而且应用的基体形状由比较规则的块体 板材发展到了各种不规则的微粒 1 从 而进一步地拓宽了化学镀的研究领域 对化学镀镀层的前期研究主要着眼于耐 磨及耐蚀性能 而现在有不少研究是针对其电学 磁学性能 电镀是在含有预镀金属的盐类溶液中 以被镀基体金属为阴极 通过电解作 用 使镀液中预镀金属的阳离子在金属表面沉积出来 形成镀层的一种表面加工 方法 化学镀是指在没有外加电流的情况下 利用化学方法使溶液中的金属离子 还原为金属并沉积在基体形成镀层的一种表面加工方法 与电镀相比 化学镀具 有其自身特点 不管零件如何复杂 其镀层厚度都很均匀 镀层外观良好 晶粒细 无孔 耐蚀性更好 无需电解设备及附件 能在非金属 塑料 玻璃 陶瓷等 以及 半导体上沉积 化学镀的缺点是溶液稳定性差 使用温度高 寿命短 2 化学镀镍是用还原剂将镀液中的镍离子还原为金属镍并沉积到基体表面上 去的表面加工方法 化学镀镍的特点 1 镀层是化学介的结合 不脱落 不龟裂 结合力 400Mpa 远远高于电镀 2 具有高硬度和高耐磨性 在沉积状态下 镀层硬度为 HV500 550 HRC49 55 400 热处理为 HV900 1000 HRC69 72 3 镀层系非晶态 孔隙小 表面光洁 在许多地方可替代不锈钢 4 镀层厚度十分均匀 误差在 2 m 左右 即有很好的 仿型性 镀后不需 要磨削加工 5 在肓孔 管件 深孔及缝隙的内表面可得到均匀镀层 中性盐雾时间 96 小 时 6 镀层的厚度可使尺寸超差 使报废零件复用 化学镀由于其独有的特点 所以从诞生之日起 就引起了各国研究者的广泛 关注 化学镀镍技术开始于 19 世纪 早在 1845 年 Wartz 就发现 用次亚 磷酸盐还原 金属镍可以从其盐的水溶液中沉积出来 但形成的金属几乎总是 粉末状态 3 1916 年 Ro ux 已经获得了光亮镀层 这些光亮镀层是在加入还原 剂之后在反应容器的表面上形成的 但没有什么实际应用 1946 年 Brenner 和 Riddell 将化学镀镍工艺发展成了实用的技术 在应用研究中 美国通用运 2 输公司 GA TC General American Transportation CO 的 Gutzeit 及其同事对化学 镀镍溶液的组成和工艺参数进行了系统研究 为化学镀镍的工业化应用奠定了基 础 GA TC 在 50 60 年代公布了一系列专利并于 1955 年建成了第一条化学 镀镍生产线 我国化学镀镍起步较晚 在工业应用方面还存在不少问题 如镀液不够稳定 沉积速度慢 使用周期短 成本高等 4 近年来 我国加快了化学镀镍技术研究 化学镀镍技术水平和应用发展迅速 通过不断地研究与探索 一些技术问题逐 步得到解决 化学镀镍技术在我国的工业应用日益广泛 据不完全统计 我国化 学镀镍已有 300 多家 最大单槽镀液已达 38 m3 为亚洲之最 国外知名品牌化 学镀镍浓缩液纷纷进入中国市场 21 世纪的化学镀镍将进入一种更加成熟 更加 蓬勃发展的时期 1 2 化学化学镀镍镀镍的基本原理的基本原理 1 2 1 原子原子氢态氢态理理论论 该理论认为 镀件表面 催化剂 如先沉淀析出的镍 的催化作用使次磷酸根 分解析出部分原子氢在镀件表面遇到 Ni2 使其还原成金属镍 部分原子氢与次 磷酸根离子反应生成的磷与镍反应生成镍化磷 部分原子氢结合在一起就形成 氢气 5 1 镀液在加热时 通过次亚硫酸钠在水溶液中脱氢 而形成亚磷酸根 同时 放出初生态原子氢 即 H2PO2 H2O HPO32 H2 2 H 1 2 初生态原子氢吸附催化金属表面而使之活化 使镀液中的镍阳原子还原 在催化金属表面上沉积金属镍 即 Ni2 2 H Ni0 2 H 2 3 随着次磷酸根的分解 还原磷 即 H2PO2 H P H2O OH 3 4 镍原子和磷原子共同沉积而形成 Ni P 固溶体 1 2 2 电电化学理化学理论论 该理论认为 次磷酸根被氧化释放出电子 使还原为金属镍 吸附在镀件表 面形成原电池 电池的电动势驱动化学镀镍过程不断进行 在原电池阳极与阴极 将分别发生下列反应 阳极反应 H2PO2 H2O HPO32 2H 2e 4 阴极反应 Hi2 2e Ni 5 3 H2PO2 e 2OH P 6 2H H2 7 金属化反应 3P Ni NiP3 8 由于化学镀镍层的诸多优点和对其基本原理的分析 本文主要通过在碳钢 表面进行化学镀镍 以次磷酸钠为还原剂对化学镀镍的镀速进行试验和分析 2 试验过试验过程程 2 1 主要主要试剂试剂和和仪仪器器 本实验所用的是碳钢试样 规格为 5cm 4cm 3cm 本试验所用的试剂组分 金属盐 还原剂 络合剂 复合稳定剂等 本实验所用的仪器有 BT B 电子天平 可以方便的测出所用的化学药品的重 量 精度为 0 01g PHB 系列笔型 pH 计 千分尺 DZKW D 2 型电热恒温水浴锅 提供实验时所要求的温度 一列二孔 2 2 工工艺艺流程流程 化学镀镍的工艺路线 试片 预磨试件 清洗 除油 清洗 除锈 清洗 干燥 化学镀镍 清洗 干燥 其中除油用氢氧化钠 碳酸钠 磷酸三钠的混合溶 液 煮沸 30 40 min 除锈用硫酸 硫脲混合溶液 在 60 80 将氧化层除尽 即可 2 3 化学化学镀镍镀镍前前处处理理 2 3 1 镀镀覆前覆前处处理的目的理的目的 镀覆前处理在整个镀覆过程中是一道非常重要的工序 镀覆前制件的表面 质量是保证和提高镀覆层质量的先决条件 6 被镀覆制件在形成过程中 表面可 能被油脂 氧化皮 绣痕 各种润滑剂 脱膜剂等沾污 它们的存在将影响镀覆层 的完整性 使镀覆层出现起泡 脱皮 麻点 花斑 局部 wu2 镀层等疵病 有些金 属制件表面往往是粗糙的 在粗糙 锈蚀或油污的金属制件表面上 不可能获得 结合力牢固 防腐蚀性能良好的镀覆层 对一些装饰性镀层前需要进行磨 抛光 才能获得令人满意的装饰性效果 对非金属材料镀覆前必须经过各种特殊前处 理才能得到完整的 结合力良好的镀覆层 被镀覆材料的基体表面形成镀覆层 都是在基体表面和化学溶液之间的界面完成的 因此 基体表面状况将直接影响 镀覆层的质量 被镀覆制件在成形过程中 表面状况各不相同 需要用各种不同 的方法进行前处理 4 实践证明 镀覆层出现各种瑕疵 在很大程度上是由于镀覆前处理不当造成 的 而这一点却往往容易被人们所忽视 所以镀覆层质量的好坏既受化学溶液组 成和操作条件影响 也受基体表面状况制约 要获得优质的镀覆层 选择合适的 镀覆前表面处理工艺是十分重要的 在化学镀镍前 碳钢表面需要进行的前处理流程包括 研磨抛光 除油 除锈 清洗 干燥等过程 2 3 2 除油除油 为了保证在被镀覆金属产品的表面获得高质量的镀层 必须在镀覆过程之 前 预先除去零件表面的油污 除油方法可分为有机溶剂除油 化学除油 有机溶剂除油的特点是除油速度快 不腐蚀金属 但除油不彻底 需用化学法 或电化学方法进行补充除油 常用的有机溶剂有 汽油 煤油 苯类 酮类 某些 氯化烷烃及烯烃 化学除油是利用碱溶液的皂化作用和表面活性物质对非皂化 性油脂的乳化作用 除去工件表面上的各种油污的 化学除油应用最广的是碱液除油 本试验使用的除油液是由氢氧化钠 碳酸 钠 磷酸三钠的混合溶液 当温度通常达到 60 80 度之间将试件放入除油液中 除油效果一般为目测 即工件表面能完全被水润湿就是油污完全除尽的标志 酸 洗除油工艺适应于油污 锈蚀不多的钢铁件镀前处理 这既可减少生产设备 由 可减少酸蚀过程中的酸雾污染 由于酸洗溶液对清洗渗入氧化层的油污具有独 特的效果 故可在镀前处理中作为碱性除油的补充 2 3 3 除除锈锈 在自然环境中 碳钢是很容易被氧化和腐蚀的金属 碳钢除锈的目的就是去 除表面的氧化层 除锈方法有机械法 化学法和电化学法 机械法除锈是对工件表面进行喷砂 研磨 滚光或擦光等机械处理 在工件 表面得到整平的同时除去表面锈层 化学法除锈是用酸或碱溶液对金属制品进行强浸蚀处理使制品表面的锈层 通过化学作用和浸蚀过程所产生氢气泡的机械剥离作用而除去 电化学除锈是在酸或碱溶液中对金属制品进行阴极或阳极处理除去锈层 阳 极除锈是化学溶解 电化学溶解和电极反应析出的氧气泡的机械剥离作用而去 除 阴极除锈是化学溶解和阴极析出氢气的机械剥离作用而去除 本试验采用化 学法进行除锈 在 60 80 将试件放入硫酸 硫脲混合溶液中 待到试件表面 的氧化层全部去除后取出 再用清水冲洗干净 5 2 3 4 清洗清洗 两个前处理工序间设计的清洗工序目的在于防止上道工序带出的溶液对下 道工序溶液的污染 从工件表面清除污垢 金属离子污染和电极泥 以保证镀覆 层附着力 7 碳钢试件在除油之前也需先清洗 把试件上面能洗去的杂质全部洗干净 注 意尽量把试样表面的污黑色的东西用手檫掉 洗过后使试样发亮 在除锈之后 也需将试件冲洗干净再将其晾干 2 4 化学化学镀镍镀镍溶液配制溶液配制 2 4 1 化学化学镀镍镀镍溶溶液的液的组组成及作用成及作用 本实验所需要用到的主要试剂有 硫酸镍 次亚磷酸钠 乳酸 柠檬酸 复 合稳定剂等 镀液主要成分及作用在表 1 中显示 表 1 化学镀镍液的主要成分及作用 成分作用化学镀镍液 金属盐 络合剂 还原剂 镀层中镍的来源 使 Ni2 生成稳定的络合物 并防 止沉淀生成 催化脱氢 将镍离子还原成金属 镍 形成镍磷合金镀层 硫酸镍 柠檬酸 乳酸 次亚磷酸钠 2 4 2 化学化学镀镍镀镍溶液的配制溶液的配制 本试验是以次亚硫酸钠为还原剂 次亚磷酸钠作还原剂的化学镀镍是目前 使用最多的一种 其反应的机理如下 酸性溶液 Ni2 H2PO2 H2O Ni H2PO3 2H 9 碱性溶液 Ni 2 H2PO2 2OH Ni H2PO3 H2O 10 氢气的产生 H2PO2 H2O H2PO3 H2 11 磷的析出反应如下 H2PO2 H P H2O H2PO3 12 6 采用酸性镀液沉积速度快 可以获得耐蚀性好的镀层 但一般溶液温度高 所以耗能高 这类镀液的 PH 值 4 6 温度 85 95 在碱性化学镀镍溶液里 镍离子配位体是必须的成分 以防止氢氧化物和亚 磷酸盐沉淀 一般用柠檬酸盐或氨盐的混合物作为络合剂 也有用磺酸盐 焦磷 酸盐 乙二胺盐的镀液 在配制化学镀镍镀液时一定要注意所用的化学原料最好用化学纯以上的材 料 如果采用工业级材料 一定要先将不含还原剂的部分先溶解 例如主盐 络 合剂等 然后加温 再加入活性炭进行处理 过滤后再加入也经过过滤处理的还 原剂等 即使是用化学纯配制 也要将还原剂与主盐溶液分开溶解 最后才混合 并注意配制时所用容器的干净问题 就是不能有金属杂质或活化性化合物残留 在容器内 避免在工作时引发自催化反应而使镀液失效 配制完成后 不要急于 调 pH 值 而是在化学镀之前再调 pH 值 镀液配制过程如下 1 先将硫酸镍溶倒入干净的烧杯中 加入 50ml 水搅拌均匀 2 将乳酸加入 50ml 水搅拌均匀 再将柠檬酸倒入乳酸溶液中至全部溶解 3 将步骤 1 中的硫酸镍溶液中倒入步骤 2 的溶液中混合 4 将次亚硫酸钠倒入干净的烧杯中 加入 50ml 水搅拌均匀 然后将其倒入步 骤 3 的溶液中 5 将已称量好的复合稳定剂倒入干净的烧杯中 加入 50ml 水搅拌均匀 6 将 5 中的溶液与 4 中的溶液混合 2 5 施施镀镀 图 1 化学试验装置图 将配制好的镀液在镀前调整到所需 PH 值的范围 然后将其放入 DZKW D 2 型电热恒温水浴锅 提供实验时所要求的温度 进行加温 当温度达到所需温度 把经过前处理的试件放入镀液中开始进行施镀 由于随着时间和温度的不断变 化镀液的 PH 值也不断变化 因此 必须经常测定镀液的 PH 值 并用氨水或氢氧 7 化钠溶液来校正 施镀时间为 2 小时 2 小时之后将碳钢试件从镀液中取出 2 6 镀镀后后处处理理 施镀完毕要立即进行镀后处理 清除镀件表面的残积物 如水迹 残液痕迹 等 以保证镀件完好如初 3 实验结实验结果果分析与分析与处处理理 3 1 试验结试验结果果 本试验的试验指标是测量碳钢化学镀镍的镀速 运用均匀设计的试验设计 方法进行设计试验 拟订试验次数为 15 次 因素个数为 4 因此选用 15 157 均 匀设计表 将各因素的水平值代入即得下表 2 经过试验获得的试验指标镀速也 显示在表 2 中 表 2 镀液的配方及指标 硫酸镍次亚磷酸钠乳酸柠檬酸 配方号 水平含量 g l水平含量 g l水平含量 g l水平含量 g l 指指标标 1120 00524 29921 291313 1415 5 2221 071029 64215 171010 3611 25 3322 141535 001122 8677 57117 25 4423 21423 21417 3644 78614 25 5524 29928 571324 4312 00017 00 6625 361433 93618 931414 0714 50 7726 43322 141526 001111 2914 75 8827 50827 50820 0588 50015 75 9928 571332 86115 0055 71422 25 101029 64221 071022 0722 92913 25 111130 71726 43316 571515 0013 00 121231 791231 791223 641212 2123 00 131332 86120 00518 1499 42913 75 141433 93625 361425 2166 64317 75 151535 001130 71719 7133 85721 50 8 镀速测试 采用厚度测试沉积速度 根据施镀前后的厚度 T 变化按下式进行计算 V T2 T1 t 13 式中 V 镀速 m h T1 镀前厚度 m T2 镀后厚度 m t 施镀时间 h 3 2 影响影响镀镀液沉液沉积积速率的因素速率的因素 在查阅大量文献及探索性试验基础上 发现镀液中镍离子浓度 次亚磷酸钠 浓度 乳酸 柠檬酸 温度 pH 值对在碳钢上进行化学镀镍的镀速影响较大 3 2 1 镍盐镍盐 硫酸镍是镀液中的主盐 也是镀液中镍离子的唯一来源 作为二价镍离子的 供应源 使化学镀反应得以继续进行 镀液中 Ni2 较少时 镀层沉积速率随 Ni2 质量浓度的升高而上升 直至达到一定值为止 在镀覆过程中 镍盐的消耗量较大 须适量补充 然而 镀液的反应速度并 不是随镍盐的浓度增加而相应加快 镍盐浓度特别低时例外 实验证明 在通常 的浓度范围内 镍盐浓度与次亚磷酸盐浓度的克分子比对镍的沉积速度有影响 最佳的克分子比为 0 4 当镍盐浓度较低时 增加镍盐浓度可提高沉积速度 当镍盐浓度达到一定 值后 继续增加其浓度 则沉积速度将降低 但最终会趋于稳定 过高的镍盐浓 度将造成镀液稳定性下降 并使镀层变得粗糙 硫酸镍浓度对镀速的影响曲线如 图 2 图 2 硫酸镍浓度对镀速的影响曲线 如果镍盐浓度过低 则反应速度慢 难以达到镀覆要求 反之 如果镍盐浓 度过高 则会导致一部分游离的镍离子存在于镀液中 从而降低镀液的稳定性 9 使镀层表面粗糙 甚至诱发镀液分解 析出灰黑色的海绵状镍沉淀于镀槽底部 因此 必须保持镀液中镍盐的适当含量并在工艺实验过程中对镍盐含量进行准 确分析和适当补充 3 2 2 还还原原剂剂 次亚磷酸钠用作还原镍盐中的镍离子 其本身分解产生出磷原子进入镀层 以 NiP 化合物形式存在于镀层中 同时一部分则被氧化为亚磷酸钠 亚磷酸盐是 十分有害的反应产物 它会与镀液中的镍离子形成溶解度很小的亚磷酸镍沉淀 使镀层表面粗糙 甚至使镀液分解老化而失效 因此 必须严格控制镀液中次亚 磷酸盐的含量 增加次亚磷酸盐的浓度 可提高镀层沉积速度 但是次亚磷酸盐浓度的增 加并不是一直可以提高沉积速度的 而是存在一定极限速度 出现极限速度时所 对应的次亚磷酸盐浓度一般在 30 g L 左右 当超过这一极限值时 增加次亚磷 酸盐浓度 沉积速度反而降低 同时镀液稳定性及镀层质量下降 次亚磷酸钠的 浓度对镀速的影响曲线如图 3 图 3 次亚磷酸钠的浓度对镀速的影响曲线 3 2 3 络络合合剂剂 络合剂的加入是与镀液中的 Ni2 间形成稳定的络合物 从而防止形成氢氧 化镍及亚磷酸镍沉淀 避免由于沉淀形成而造成镀液失效 乳酸和柠檬酸作为本试验的络合剂还具有缓冲剂的作用 它们的含量增加 时 通常能提高镀液的稳定性 但同时也降低镀液的沉积速度 作为络合剂的各 种有机酸与镍离子形成的络合阴离子的稳定性各不相同 由于络合剂具有双重 作用 所以对络合剂的选择和加入量必须慎重 络合剂的稳定性愈高 沉积速度 愈慢 反之亦然 10 图 4 乳酸量与镀速的关系图 乳酸的量对镀速有较大影响 查阅相关资料的试验结果见图 4 当乳酸量在 10 20 g L 时 随着乳酸量增加 镀速随乳酸量增加而增大 镀速达到一个最大 值后开始下降 而且随镀液成份的变化曲线也各不相同 这时因为在初期 乳 酸量 10 20 g L 时 配位基浓厚末达饱合 随乳酸量的增加 镀速增加 当达 到饱合后镀速经过一最大值 当配位基浓度的增加超过镀速最大值所对应的配 位基浓度时 镀速则下降 当乳酸量在 30 50 g L 之间时 镀速呈下降趋势 当 其量 50 60 g L 时 则镀速基本不变 乳酸的最佳值在 20 30 g L 为好 因 此本试验选取乳酸量为 15 26 g L 结果与图 4 中此含量的镀速值基本一致 3 2 4 其他各种因素其他各种因素对镀对镀速的影响速的影响 1 镀液温度的影响 温度是影响酸性化学镀镍沉积速度的重要因素之一 温度低于 65 时 沉 积速度很慢 随温度升高沉积速度加快 但温度过高或加热不均匀都会引起镀液 的分解 2 PH 值的影响 酸性化学镀镍沉积速度随着镀液 PH 值的下降而降低 当镀液 PH 值远小于 4 时 沉积速度很低 已失去实际意义 另一方面 当镀液 PH 值大于 6 时 易产 生亚磷酸镍沉淀 引起镀液自发分解 酸性化学镀镍最佳的 PH 值通常是 4 2 5 0 PH 值升高时 镀层中的含磷量降低 而碱性化学镀镍的沉积速度受 PH 值的影响不大 3 3 均匀均匀设计设计法确定化学法确定化学镀镍镀镍液的最佳工液的最佳工艺艺条件条件 试验结果用计算机统计软件进行处理 10 11 1 建立数学模型 根据化学镀镍的机理 考虑到可能有的数学关系 将各 因素的一次项 二次项 对数项 两因子间的交互作用项等均作为考察对象 建 立回归方程的模型 2 对回归方程的优化处理 用求条件极值的强约束优化法对回归方程进 行寻优 找到最优解 3 优化结果验证 按最优解所得到的组成配制镀液进行施镀 所得试样 的外观优于试验中最好的试样 确定为所有实验中最好的方案 试验设计 指标数 因素个数 运行次数 15 试验设计选用均匀设计表 15 157 各因素水平数相等 指标 名称 镀速 单位 m h 因素 名称 硫酸镍 单位 g l 因素 名称 次亚磷酸钠 单位 g l 因素 名称 乳酸 单位 g l 因素 名称 柠檬酸 单位 g l 优化分析 回归分析采用全回归法 显著性水平 0 10 拟建立回归方程 b 0 b 1 1 b 2 2 b 3 3 b 4 4 b 5 1 2 b 6 3 4 b 7 1 2 3 4 回归系数 b i b 0 40 2 b 1 0 892 b 2 0 766 b 3 0 545 b 4 2 02 b 5 4 59e 2 b 6 9 56e 2 b 7 7 55e 6 标准回归系数 B i B 1 1 22 B 2 1 04 B 3 0 545 12 B 4 2 38 B 5 2 27 B 6 2 37 B 7 0 156 复相关系数 0 9297 决定系数 2 0 8643 修正的决定系数 2a 0 7625 回归方程显著性检验 表3 变量分析表 变异来源 平 方 和 自 由 度 均 方 均 方 比 回 归 150 7 21 4 6 368 剩 余 23 5 7 3 36 总 和 173 14 样本容量 15 显著性水平 0 10 检验值 t 6 368 临界值 0 10 7 7 2 785 t 0 10 7 7 回归方程显著 剩余标准差 1 83 回归系数检验值 检验值 df 7 1 1 196 2 1 026 3 1 409 4 2 309 5 1 732 6 2 144 7 0 2521 检验值 df1 1 df2 7 1 1 430 2 1 053 3 1 987 4 5 331 5 3 000 13 6 4 598 7 6 355e 2 偏回归平方和 U i U 1 4 80 U 2 3 54 U 3 6 67 U 4 17 9 U 5 10 1 U 6 15 4 U 7 0 213 偏相关系数 i 1 234567 0 4118 2 134567 0 3617 3 124567 0 4702 4 123567 0 6575 5 123467 0 5477 6 123457 0 6296 7 123456 9 485e 2 各方程项对回归的贡献 按偏回归平方和降序排列 U 4 17 9 U 4 U 12 0 U 6 15 4 U 6 U 10 3 U 5 10 1 U 5 U 6 73 U 3 6 67 U