钢的化学镀镍磷.doc

钢的化学镀镍磷DC金属 3090* 材料科学与工程学院摘要：本文简要介绍了钢铁化学镀镍磷的原理与工艺流程，简述了镀层的性能及技术指标，随之分析了影响镀层性能的主要因素，并据此给出了工艺中的除锈配方和镀液配方，最后对试验参数进行了测定与比较，得出了一定的结论，由此论证了化学镀镍磷的重要作用和这一工艺对钢铁性能改进的重要影响。关键词：原子氢态理论 镀层 工艺 热处理 参数测定前言：化学镀镍磷工艺是近年来迅速发展起来的一种新型表面保护和表面强化技术手段，具有广泛的应用前景。目前化学镀镍磷合金已广泛地应用在石油化工、石油炼制、电子能源、汽车、化工等行业。石油炼制和石油化工是其最大的市场，并且随着人们对这一化学镀特性的认识，它的应用也越来越广泛，主要用在石油炼制、石油化工的冷换设备上，化学镀镍磷能够显著提高设备的耐磨、耐蚀性能，延长其寿命，性能优于目前使用的有机涂料，而且适用于碳钢、铸铁、有色金属等不同基材1。一、 实验原理化学镀镍磷合金是一种在不加电流的情况下，利用还原剂在活化零件表面上自催化还原沉积得到镍磷镀层的方法。其主要反应为应用次亚磷酸钠还原镍离子为金属镍，即在水溶液中镍离子和次亚磷酸根离子碰撞时，由于镍触媒作用析出原子态氢，而原子态氢又被催化金属吸附并使之活化，把水溶液中的镍离子还原为金属镍形成镀层，另外次亚磷酸根离子由于在催化表面析出原子态氢的作用，被还原成活性磷，与镍结合形成Ni-P合金镀层。以次磷酸钠为还原剂的化学镀镍磷工艺，其反应机理，现普遍被接受的是“原子氢态理论”和“氢化物理论”。下面介绍“原子氢态理论”，其过程可分为以下四步：1、化学沉积镍磷合金镀液加热时不起反应，而是通过金属的催化作用，次亚磷酸根在水溶液中脱氢而形成亚磷酸根，同时放出初生态原子氢。H2PO2-+H2OHPO3-+2H+H-2、初生态原子氢被吸附在催化金属表面上而使其活化，使镀液中的镍阳离子还原，在催化金属表面上沉积金属镍。Ni2+2HNi+2H+3、在催化金属表面上的初生态原子氢使次亚磷酸根还原成磷。同时，由于催化作用使次亚磷酸根分解，形成亚磷酸根和分子态氢。H2PO2-+HH2O+OH-+P2HH24、镍原子和磷原子共沉积，并形成镍磷合金层。3P+NiNiP3二、 镀层的特性及技术指标21.镀层均匀性好非晶态Ni-P合金镀层是通过化学沉积的方法获得，凡是镀液能浸到的部位，任何形态复杂的零件，都得到均匀的镀层。不需外加电流，是非晶态均一单相组织，不存在晶界位错，也无化学成份偏析，且避免了电镀形成的边角效应等缺陷。另外，还具有较高的光洁度。2.镀层附着力好镀层在钢体上产生压应力（4MPa）而镀层与钢的热膨胀系数相当，所以具有优良的附着力，一般为300-400MPa。3.镀层硬度高，抗磨性能优良镀层具有高硬度，低韧性和较低热导率、电导率，它的抗拉强度超过700MPa，与很多合金钢相似，镀层硬度和延伸率都超过了电镀铬，弯曲无裂纹，但不适合反复弯折和拉抻等剧烈变形的部件，经热处理硬度可达HV1100，但在320时开始发生晶型转变，耐磨性能增强，耐蚀性能减弱。4.优良的抗腐蚀性能由于镀层属非晶态不存在晶界、位错等晶体缺陷，是单一均匀组织，不易形成电偶腐蚀，决定其有较高的耐蚀性，镍磷镀层均匀性好，拉应力小，致密性好，为防腐蚀提供了理想的阻挡层。在碱、盐、高温油测、有机介质和溶剂、酸性气体中有抗蚀能力，对还原酸（盐酸）有良好的抗蚀能力。三、镀层性能的影响因素化学镀工艺中前处理及镀液中各成分对镀层性能影响很大,比如前处理中镀前试样除锈方法不同、抛光与否都使镀层的耐蚀性能存在差异。在这里主要讨论镀液中各组分对镀层性能的影响。化学镀镍溶液的成分包括镍盐、还原剂、络合剂、稳定剂、其他添加剂等。（1）镍盐镍盐是镀液主盐，一般使用硫酸镍，其次是氯化镍。镍盐浓度高，镍液沉积速度快，但稳定性下降。另外，镀液中镍盐含量决定了所需次磷酸盐和络合剂的量（2）还原剂化学镀镍的反应过程是一个自催化的氧化还原过程，次磷酸钠以其价格较低,控制容易,镀层抗蚀性能好等特点,而成为应用最广泛的还原剂。次磷酸钠作为还原剂通过催化脱氢，提供活泼的氢原子，把镍离子还原成金属，同时使镀层中含有磷的成分。次磷酸铵的用量主要取决于镍盐浓度，镍与次磷酸钠的物质的量之比为0.30.45。随着次磷酸钠含量的增加，镀层沉积速度增大，镀层中磷含量也随之增加，但镀液的稳定性下降。（3）络合剂化学镀镍液中广泛应用次磷酸盐,在化学镀进行时,由于溶液中亚磷酸离子积累,与游离镍离子结合生成亚磷酸镍沉淀,为防止它的生成,需要加入适当的络合剂生成镍的络离子来降低游离镍离子浓度。不同络合剂对镀层沉积速度、表面形貌、磷含量、耐蚀性等均有影响。化学镀镍液中的络合剂均为有机酸和它们的盐类，常用的络合剂有：乙醇酸、苹果酸、柠檬酸、琥珀酸、乳酸、丙酸、羟基乙酸及它们的盐类。（4）稳定剂稳定剂（铅离子）用于抑制存在于镀液中的固体微粒的催化活性，以防镀层粗糙和镀液自发分解。微量的硫代硫酸盐、硫氰酸盐或硒的化合物都是有效的稳定剂。但稳定剂过量会降低镀液的沉积速度，甚至抑制捏的沉积。（5）pH值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。酸性化学镀镍液的最佳的pH值通常是4.25.0。pH值升高时，镀层中的含磷量降低。碱性化学镀镍的沉积速度手pH值的影响不大。（6）温度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。同时温度升高，可降低镀层中的磷含量。但温度过高或加热不均匀都会引起镀液的分解。碱性化学镀镍允许在室温下施镀，此时多用于活化过的非金属材料，镀上一层化学镀镍层后再用电镀加厚。三、工艺及其配方3工艺流程：化学脱脂（碱性除油）热水洗冷水洗除锈冷水洗活化冷水洗化学镀冷水洗滴上酒精溶液干燥检测（一）镀前预处理1.钻孔 在圆片状的样品上接近边缘处打一圆孔2.除油碱性化学除油溶液配方及参数组成及工艺NaOHNa2CO3Na3PO412H2ONa2SiO3温度（）时间（min）配方（g/L）60-8020-6015-305-1080-9063.酸洗(除锈+活化）将钢材浸入稀盐酸溶液中30s左右。（二）化学镀化学镀镍磷溶液的配方及参数成分及工艺条件硫酸镍次磷酸钠乳酸硼酸pH值温度（）沉积速率（mh-1）配方（g/L）252025104.4-5.890-10015-22镀液的配置过程如下：1.用分析天平称取12.5g硫酸镍，10g次磷酸钠，12.5g乳酸，5g硼酸，分别用少量的蒸馏水溶解；2.将已完全溶解硫酸镍溶液，在不断搅拌下倒入有硼酸与乳酸组成的溶液中；3.将完全溶解的次磷酸钠溶液，在强烈搅拌下倒入前面已配好的溶液中；4.用蒸馏水稀释至略低于500mL；5.用稀硫酸或氢氧化钠稀液调整pH值至500mL；6.将配好的溶液放入水浴炉中加热至实验要求温度。(注：即将达到温度是前处理完成)在化学镀液到温后将工件放入镀液中1小时，使工件表面获得理想的镀层。（三）镀后处理热处理：取三个已镀工件分别放入200，300,400箱式电阻炉保温2小时进行镀后处理。四、实验注意事项1.工序不可颠倒，且要连贯，工序间不宜停留太长时间；2.在配置过程中一定要进行搅拌；3.在进行pH值调整时除了应在剧烈搅拌下进行外，药品的加入还应缓慢少量；4.要在所需溶液全部配完后开始第一步化学除油处理，且在活化之后要迅速将工件放入镀液中，以免被氧化。五、试验样品的参数测定及分析将镀后试样经冷水洗后滴上酒精溶液，吹干，检测性能。1.表面形貌观察利用金相显微镜对有无镀后处理的试样进行表面形貌观察，并拍摄显微照片。无镀后处理镀层微观图像：图1 化学镀镍磷合金表面显微图像（100）分析：化学镀镍磷层微观上是由胞状组织构成的,图中的白点状颗粒就是化学镀镍磷层。理论上来说，这种胞状组织应该成片状密集分布，在视场范围内都应该是这种胞状物且中间无太大空隙。显然图1与理论有一定差距，即有一定的缺陷。造成此种缺陷的原因是预前处理工作未做好，在除油的时候，时间过短；或者活化时间过长，而导致过腐蚀。热处理后镀层微观图像：图2 低温 200保温 2小时图2 中温 200保温 2小时图2 高温 200保温 2小时2.镀层厚度测定锯开镶嵌砂轮磨砂纸磨抛光腐蚀（3%硝酸酒精溶液）酒精洗烘干金相显微镜观察测镀层厚度拍照片图2 化学镀镍磷合金厚度显微图像（100）镀层厚度为：0.0131.5=0.0195mm分析：图2显示，镀层较薄。原因可能是镀前预处理做的不够好，次磷酸钠含量过高导致镀液稳定性下降，或是镀液pH过高导致镀层沉积速度慢所导致。3.镀层硬度检测利用显微硬度仪在0.98N的压力下测量硬度。其过程为：将样品放入显微硬度仪的样品台上，选择合适的载荷，打开电源；在400倍的显微镜下调整焦距至能看清样品表面形貌为止，转动压头之样品上，按Start开始打压痕，结束后再将400倍显微镜转至样品上方；寻找压痕，转动右转轮，使左测量线对准压痕左端点，转动鼓轮使右测量线靠近左测量线（二线之间留有空隙），记下刻度；在转动鼓轮使右测量线与右端点相切，读取刻度；两数值想减的纪录值，按纪录值查表得硬度。条件镀后直接测量热处理后200保温2小时，空冷至手可触300保温2小时，空冷至手可触400保温2小时，空冷至手可触测量值（HV）400442626870分析：经热处理后，硬度有明显提高。这是因为经高温热处理后，镀层表面发生晶化，形成了硬度较高的镍磷合金，从而提高了镀层的硬度。但实验数据与理论数据相比有点偏小，我认为，这是镀层厚度不足所引起的，这又与我们未能做好预前处理有关。六、实验结论工件通过化学镀镍磷，硬度有了显著提高，耐磨性、耐腐蚀性得到改善，同时由于镍具有良好的防腐蚀性能，可知钢铁的耐腐蚀性进一步提高。实验过程中，各步骤都必须严格精确的执行，包括工艺流程的安排、配方中药品的称量、镀液的制作、加热的温度以及时间等等。否则会影响到实验的结果，对我们做出正确的判断以及结论会造成不良的影响。致谢：感谢王兰老师的指导以及王强强、李旺、徐俊、刘艳伟、许爱欢、吕丽和王倩倩各位