Ni-Sn-P合金化学镀的工艺参数研究

Ni-Sn-P合金化学镀的工艺参数研究卞清泉1 李学洪1 张强华2（1.江苏省特种设备安全监督检验研究院淮安分院,江苏 淮安223001；2.淮阴工学院生命科学与化学工程学院）摘要：普通碳钢进行Ni-Sn-P合金化学镀，分别考察了施镀温度、主盐与还原剂浓度比（Ni/P）、主盐浓度、pH值等工艺参数对镀层厚度、硬度、孔隙率、耐腐蚀性的影响，得出最佳镀液配方和工艺: 主盐硫酸镍 25g/L，SnCl4 8.34g/L，还原剂次亚磷酸钠37.5g/L，选用复合配体酒石酸钾钠7.5g/L，柠檬酸三钠17.5g/L，乳酸32.5g/L，加速剂丁二酸16g/L。镀液温度为85，pH为4.6。关键词：Ni-Sn-P合金；化学镀；工艺参数 Study on Technological Parameters of Electroless Ni-Sn-P Alloy PlatingBIAN Qingquan1 LI Xuehong1 ZHANG Qiang-hua 2（1.Jiangsu Special Equipment Inspection Institute of Huaian Branch, Huaian 223001；2. Huaiyin Institute of Technology）Abstract：The effects of the temperature, concentration of Main Salts and Reductant, pH value of the plating bath on the Plating Thickness, Hardness and corrosion resistance of electroless Ni-Sn-P alloy coating were studied so as to improve the quality of the electroless Ni-Sn-P alloy coating. The optimized bath composition and plating parameters were established. As a result, the optimized plating was suggested:NiSO4 25g/L, SnCl4 8.34g/L, Sodium Hypophosphite 37.5g/L, potassium sodium tartrate 7.5g/L, Sodium Citrate 17.5g/L, lactic acid 32.5g/L, succinic acid 16g/L, T=85, pH=4.6Key words：Ni-Sn-P alloy；Electroless plating； Technological Parameters化学镀是指不使用外电源，而是依靠金属的催化作用，通过可控制的氧化-还原反应，使镀液中的金属离子沉积到镀件上去的方法，因而化学镀也被称为自催化镀或无电镀。化学镀溶液的组成一般包括金属盐、还原剂、络合剂、pH缓冲剂、稳定剂、润湿剂和光亮剂等。当镀件进入化学镀溶液时，镀件表面被镀层金属覆盖以后，镀层本身对上述氧化-还原反应的催化作用，保证了金属离子的还原沉积得以在镀件上进行下去。化学镀技术的核心是镀液的组成及性能，所以化学镀发展史中最值得注意的是镀液本身的进步。1 化学镀Ni-Sn-P技术的现状 化学镀镍发展到今天已有160多年的历史了，国内外关于Ni-P合金的研究已极为普遍，在工业化生产中也得以大量应用。随着表面技术的发展，二元镍系合金已不能满足科学生产的某些要求，所以从20世纪90年代就有人开始了化学镀镍系三元合金的研究，用化学镀的方法获得Ni-Sn-P非晶态蜂窝状结构，是一种全新的合金镀层，Sn2+的加入使镀层的抗蚀性能、抗氧化性、延展性、焊接性都有了很大的提高，颜色更接近不锈钢，由于Sn2+的加入镀液变的十分稳定，工作可达20个周期,装载量也提高了60%。锡具有阳极保护作用，因而Ni-Sn-P镀层耐蚀性优于Ni-P。近年来，国内外学者先后研究了以复合配位剂的化学镀Ni-Sn-P合金镀液、镀液组分和操作条件对镀层质量的影响。本文对普通碳钢在Ni-Sn-P合金镀液中施镀，通过调整镀液温度、主盐与还原剂浓度比（Ni/P）、主盐浓度、pH值等因素，来确定化学镀Ni-Sn-P合金的镀液最佳组成和工艺条件。2 实验方法试样材质为普通碳钢，规格为452mm152mm10.2mm。称取计量的镍盐、锡盐、还原剂、络合剂、添加剂、调节剂，分别用蒸馏水溶解；将已完全溶解的镍盐与锡盐在不断搅拌下，加入到含络合剂的溶液中；将已完全溶解的还原剂，在剧烈地搅拌下，缓慢地加入到配制好的溶液中；将已溶解好的pH调节剂（氨水等）一点一点地在搅拌条件下倒入配制的溶液中；测试pH值直至其合乎工艺要求后，加入加速剂溶液，并稀释至计算体积；再次测试pH值，调整pH值至合格；过滤溶液；加温施镀。前期实验确定了两主盐之间的比例为13，选用复合配体酒石酸钾钠7.5g/L，柠檬酸三钠17.5g/L，乳酸32.5g/L，并加入加速剂丁二酸16g/L，对几个关联性较大的因素：温度、硫酸镍与次亚磷酸钠的用量比例、硫酸镍的用量、pH值进行正交实验，然后对所得的镀层进行检测，并进行打分。正交实验分析表见下表，以施镀温度、主盐与还原剂浓度比（Ni/P）、主盐浓度、pH值为水平。表1 因素-水平表水平施镀温度(A：)主盐与还原剂浓度比主盐浓度PH值18011204.228511.5254.639012324.8表2 化学镀Ni-Sn-P 正交实验计划表因素温度主盐与还原剂用量的比主盐浓度（g/L)pH实验结果实验18011204.2实验28011.5254.6实验38012324.8实验48511254.8实验58511.5324.2实验68512204.6实验79011324.6实验89011.5204.8实验99012254.2其中：实验结果为所得镀层的综合评分。评分依据是镀层的耐腐蚀性能、硬度、增重以及孔隙率。评分标准：总分为100分，其中耐腐蚀性能占50，硬度占15，增重占20，孔隙率占15。测定以下参数：（1）采用采用重量法测量沉积速度。（2）根据GB9790-88中的方法测量表面硬度。（3）10% NaOH溶液中温度20时间浸泡72h测得镀层减轻重量的方法。（4）将浸有特定检验试液的滤纸贴置在受检零件的表面上，根据有色斑点数的多少确定其孔隙率。3 结果分析表3 Ni-Sn-P镀层检测结果增重量失重量mg硬度孔隙率个数耐腐蚀性硬度镀速表面孔隙率综合评分v1=0.2762g0. 009245063811141275v2=0.2123g0.001760004314151587v3=0.2416g0.007156714213131482v4=0.2640g0.006758234113141482v5=0.1120g0.000368224415111484v6=0.2679g0.007268624215161487v7=0.2949g0.008646394011171280v8=0.3576g0.001356914313141484v9=0.1518g0.007861334214131483根据所测实验结果进行正交分析，实验结果和极差分析见表4表4 化学镀Ni-Sn-P直观分析表因素温度主盐与还原剂用量的比主盐浓度（g/L)pH实验结果实验1111175实验2122287实验3133382实验4212382实验5223184实验6231287实验7313280实验8321384实验9332183均值181.333798280.667均值284.333858484.667均值382.333848282.667极差3624最优配方8511.525g/L4.6图1 正交实验分析图图2 温度对镀层综合性能的影响温度对镀速的影响也很大，当温度低于75时只能非常缓慢的沉积，温度高于80时可以正常反应，高于95镀速明显加快，但槽液这时已变得不够稳定，溶液中有少量的镍粒子出现，使镀液自发分解，当温度在85时镀速适中且镀层光滑。耐腐蚀性能优越。图3 还原剂对镀层综合性能的影响随着镀液中次磷酸盐浓度的增加，Ni-Sn-P合金沉积速度增大，磷酸盐浓度在2045范围内变化时，都能得到质量较好的镀层。浓度过低时，反应速度太小，生产效率低，浓度过高时，所得镀层无光泽，有黑色镍颗粒产生，镀液稳定性明显下降，迅速发生自然分解，造成经济损失。图4 主盐浓度对镀层综合性能的影响镍盐是主盐，在化学还原反应中是氧化剂的角色，实验结果表明，化学镀Ni-Sn-P合金镀的反应速度随着槽液中的镍盐浓度的增加而增大。镍盐浓度小于14g/L时反应缓慢，镍盐的浓度大于40g/L后，镀液中有大量的镍颗粒析出，这对镀液的稳定性非常有害。镀层变得粗糙不光亮，经过本次实验得出镍盐浓度在25g/L是最佳。图5 pH对镀层综合性能的影响以次磷酸钠为还原剂的化学镀都有副产物H+产生。所以pH值升高，即OH-浓度的增加，有利于化学反应向生成产物的方向移动。随着镀液pH值的升高，Ni-Sn-P合金的沉积速度呈直线增大。所以镀液的pH值高一些可提高沉积速度，但pH值太大，槽液不但变得不稳定，而且镀层也变得粗糙不光亮，质量下降。当pH为4.6时镀层的综合性能最好。4 结论由以上实验数据可以得出化学镀Ni-Sn-P最佳配方和工艺参数是：主盐硫酸镍 25g/L，SnCl4 8.34g/L，还原剂次亚磷酸钠37.5g/L，选用复合配体酒石酸钾钠7.5g/L，柠檬酸三钠17.5g/L，乳酸32.5g/L，加速剂丁二酸16g/L。镀液温度为85，pH为4.6。参考文献1 朱相荣非晶态NI-P化学镀的发展及应用前景表面技术，1990，20(1)：34-392 于金库