镁合金镀镍-南京工程学院实验报告

1、表面工程综合实验周实 验 报 告 学年学期2016/2017学年 第 1学期学生系部 材料工程学院 学生班级 复合材料XXX 学生姓名 XXX 学生学号 XXXXXX 实验日期 2016.11.28-2016.12.02 南京工程学院实 验 报 告课 程 名 称 表面工程综合实验 实验项目名称 AZ91D镁合金化学镀镍耐蚀性研究 实验学生班级 复合材料XXX 实验学生姓名 XXX 实验学生学号 XXXXXXXX 同组学生姓名 实验指导教师 实 验 时 间 2016.11.28-2016.12.02 实 验 地 点 基础实验楼XXXX 一、实验目的和要求镁合金具有高的比强度和比刚度、电磁屏蔽性等

2、优点,广泛应用于生活各领域.然而,镁合金的化学活性较高,在空气中容易氧化,生成比较疏松的氧化膜,以致其耐蚀性能较差,限制了其应用。本实验采用化学镀的方法在其表面形成Ni镀层，有效提高镁合金的耐蚀性，从而扩大其应用范围。2、 实验内容1) 了解化学镀的基本原理及其在材料表面处理中实际应用2) 了解镁合金性质及其腐蚀的影响因素3) 查阅文献资料，设计AZ91D镁合金化学镀镍实验方案4) 掌握实验仪器的基本操作，实施实验方案5) 制备样品的表征及耐蚀性测试三、实验原理化学镀镍是用还原剂把溶液中的镍离子还原沉积在具有催化活性的工件表面上。化学镀镍的沉积机理目前比较公认的有原子氢理论。原子氢理论认为，还

3、原剂次亚磷酸根具有四面体结构，P是中心原子，H和O原子位于四个角上。由于催化金属强烈吸氢，次亚磷酸根的P-H键指向金属表面。因为氧原子具有较大的电负性，磷原子的电子云被部分吸至氧原子上，因此磷原子带部分正电荷。在溶液中离子的进攻下，在金属表面的P-H键发生断裂，产生原子氢，即：H2PO2-+OH- H2PO3-+H+e （1-1）由式(1-1)释放出来的电子又和反应生成氢原子： H+e H （1-2）由式(1-1)和(1-2)得到的原子氢结合放出氢气： H+H H2 （1-3）镍离子被式(1-1)产生的电子还原：Ni2+2e Ni （1-4）与式(1-4)平行的还有次亚磷酸根的还原反应：H2P

4、O2-+eP+2OH- （1-5）从而产生磷的沉积。4、 主要仪器和设备仪器型号生产厂家超声波机KQ32ODE南京市超声仪器有限公司数显恒温水浴锅HH-S2精风仪器公司手持式粗糙度仪TR210上海泊刃机械制造有限公司涂层测厚仪TT260上海魅宇仪器设备有限公司 电子天平FA2004上海精密仪器仪表有限公司 其它耗材：砂纸、PH试纸、自封袋、称量纸、研钵、量筒、玻璃棒、烧杯、坩埚、胶皮手套等。五、实验方法与步骤（含实验现象描述）1、机械打磨机械打磨的目的是获得清洁表面平整的基底，便于镀层沉积。其操作程序是将试样先用 50W耐水砂纸打磨表面，直至试样平整光亮。打磨后水洗烘干。2、预处理（除油除氧化

5、物）（1）超声波清洗镁合金表面在制造和打磨过程中会粘附一些油污，需要采用有机溶剂快速溶解，通过超声能缩短除油过程，较彻底清除试样表面及孔隙内的有机物，获得干净的表面基底。超声波清洗结束，取出试样，水洗烘干。超声波清洗的试剂和操作条件为：试剂温度时间CH3COCH3室温2510 min（2） 碱洗碱洗的目的是彻底清除试样表面的脏物和油脂，同时在试样表面会形成新的氧化物和氢氧化物保护膜。碱洗后取出试样，水洗烘干。所用试剂和清洗条件：药品用量NaOH50g/LNa3PO4·12H2O20g/LOP乳化剂3cm3/dm3操作条件：65； 处理时间15分钟（3） 酸洗在碱性溶液中,镁合金表面会

6、形成氧化物或氢氧化物.酸洗的目的就是为了去除在镁合金表面形成的疏松的膜.酸洗采用铬酸和硝酸的混合液。药品用量CrO3125g/LHNO3(70%V/V)100mL/L操作条件：室温25； 处理时间40s（4） 表面活性调节镁合金在表面具有不均一的电势.由于表面相成分化学电势的差别,镁合金的表面经过酸洗后,表面腐蚀的并不均匀.氢氟酸活化过程就是为了在镁合金的表面形成比较致密的氟化镁薄膜,形成均一电势的表面。药品用量HF(40%)350ml/L操作条件：室温25； 处理时间 10min3、化学镀镍镁合金经过前处理后，表面生成了一层保护膜，可直接在化学镀镍溶液中沉积镍，作为进一步防腐和装饰电镀的底层

7、。化学镀镍液的配方和操作条件如表所示。药品用量及操作条件六水硫酸镍（主盐）20g/L次磷酸钠（还原剂）20g/L二水合柠檬酸三钠（络合剂）0g/L、10g/L、20g/L、30g/L氟化氢氨（加速剂）10g/LHF40%（缓冲剂）12g/LPH5.5（氨水调节）温度恒温水浴85时间1hP.s一般镀液中镍离子Ni2+与次磷酸根H2PO-2的比值应控制在0.30.45，这样镀液的沉积速率较大，镀层光亮。若此比值低于0.25，镀层易发暗，而高于0.6时，沉积速率非常慢。4、性能检测1) 宏观形貌对比2) 膜厚测量 （a）增重法： (G0-镀膜前质量、G1-镀膜后质量、S-横截面积) （b）膜厚测量仪

8、检测3) 粗糙度测试 设备：粗糙度测试仪4) 点滴法测试耐蚀性试剂：蓝点试剂方法：将蓝点试剂滴在磷化膜上，观察变色时间，厚膜>5min,中等膜>2min,薄 膜>1min5) 金相分析 仪器：金相显微镜6、 实验结论与分析1 镀层宏观形貌分析图1 机械打磨后AZ91D镁合金表面 图2 化学镀镀层宏观形貌（1#：络合剂含量10g/L、2#：无络合剂、3#：络合剂含量20g/L、4#：络合剂含量30g/L）图1为经机械打磨后AZ91D镁合金的宏观表面，镁合金表面呈银白色，光亮平整，有轻微划痕，在活化条件适当的情况下，轻微划痕有利于增强镀层与基体的机械咬合，对化学镀镍有利。图2为化

9、学镀镍后的宏观表面，镁合金刚从镀液中取出时，表面呈光亮的银白色，在空气中搁置一段时间后，呈现如图2所示的银灰色。此外，发现在所有试样中，1#试样表面镀层最为平整均匀，2#试样边角处有明显粗大的晶粒，3#、4#试样镀层宏观形貌介于俩者之间。从宏观形貌分析可以推测，不添加络合剂会导致镀液稳定性降低，均镀性差，试样边角晶粒粗大；此外，实验中控制络合剂含量分别为10g/L、20g/L、30g/L，其中络合剂10g/L所得镀层宏观表面最平整光滑。2 金相分析1#（络合剂含量10g/L）2#（不添加络合剂）3#（络合剂20g/L）4#（络合剂30g/L）通过金相显微镜分析不同络合剂含量所得Ni-P层，可以

10、发现不添加络合计所得的Ni-P镀层胞状结构尺寸较大，约20m；络合剂含量分别为10g/L、20g/L、30g/L时，胞状结构尺寸依次约为10m、8m、4m。可见，络合剂的加入降低了胞状结构尺寸，细化晶粒。同时发现当络合剂含量为10g/L时，镀层胞状结构排列最为致密，这与宏观表面形貌所观察的结果一致。3 膜厚测试试样型号正面不同3点位置膜厚（m）反面不同3点位置膜厚（m）平均膜厚（m）1231231#21.616.817.416.215.516.217.32#9.010.413.96.915.07.810.53#9.57.614.39.29.96.19.44#5.41.04.43.21.09.0

11、4（1#：络合剂含量10g/L、2#：无络合剂、3#：络合剂含量20g/L、4#：络合剂含量30g/L）通过膜厚测量仪测试样品膜厚，发现1#样品膜厚最厚，平均膜厚17.3m，4#样品镀膜最薄，平均膜厚4m。可见随着络合剂含量的增加，其他条件不变的情况下，样品膜厚逐渐降低。4 表面粗糙度测试试样型号正面不同3点位置粗糙度（m）反面不同3点位置粗糙度（m）平均粗糙度（m）1231231#1.0261.0110.8550.9341.0771.1071.002#2.2512.7622.7632.1652.5222.4602.493#1.9812.1012.0772.0412.1372.0452.064

12、#1.5781.0451.9251.2711.1371.1961.36（1#：络合剂含量10g/L、2#：无络合剂、3#：络合剂含量20g/L、4#：络合剂含量30g/L）通过手持式粗糙度仪测试样品粗糙度，发现2#样品表面粗糙度最大，为2.49m，说明不添加络合剂使得镀层表面晶粒粗大，不平整。络合剂含量分别为10g/L、20g/L、30g/L时，表面粗糙度依次约为1.0m、2.06m、1.36m。可见络合剂含量为10g/L时，镀层粗糙度最低，镀层最平整。5 耐蚀性测试1) 配置蓝点试剂2) 腐蚀实验记录试样型号腐蚀实验记录腐蚀后宏观形貌1#4分15秒 溶液与表面接触面有气泡产生5分43秒 接触

13、面发白6分15秒 接触面局部变红7分45秒 反应剧烈，接触面整体变红10分30秒 反应平缓，接触面整体发黑21分34秒 反应结束2#2分22秒 溶液与表面接触面有气泡产生2分52秒 接触面发白3分00秒 接触面局部变红3分50秒 反应剧烈，接触面整体发黑6分34秒 反应结束3#0分00秒 溶液与表面接触面有气泡产生0分28秒 接触面变红0分56秒 反应剧烈，接触面整体发黑3分33秒 反应结束4#1分10秒 溶液与表面接触面有气泡产生1分28秒 接触面局部变红2分01秒 反应剧烈，接触面整体发黑4分09秒 反应结束（1#：络合剂含量10g/L、2#：无络合剂、3#：络合剂含量20g/L、4#：络

14、合剂含量30g/L）由蓝点试剂腐蚀实验可见，1#试样耐腐蚀性远远超过其他试样，相比于不添加络合剂，络合剂添加过量反而使得材料耐蚀性变差。这可能是因为络合剂的加入虽然有利于细化胞状尺寸，但含量过大时会使镀膜孔隙变大，致密性下降，不利于在基体上形成致密保护层。6 实验结论本实验采用化学镀的方法在AZ91D镁合金表面形成Ni镀层，并通过腐蚀性实验研究镀液中络合剂含量对于镀层质量的影响，基于实验数据得出以下结论：（1）与不添加络合剂相比，络合剂的加入有利于细化镀层结晶，在络合剂浓度为10g/L、20g/L、30g/L时，浓度越大，细化效果越显著。（2） 镀液中络合剂浓度适当，可以降低游离镍离子浓度，从

15、而显著提高镀液稳定性，使得镀膜表面粗糙度更小，膜厚更均匀。（3） 镀液中络合剂浓度过高，会使镀膜孔隙变大，致密性下降，不利于在基体上形成致密保护层，镀膜耐蚀性变差；在络合剂浓度为10g/L时镀层耐蚀最好。7 实验原始记录 时间 操作 现象13:30 用50#，20#砂纸先后打磨镁合金，并拍照 镁合金表面较平整 观察其宏观形貌 光亮13:40 用去离子水清洗镁合金，并放入丙酮中超 声波清洗10min 13:50 停止超声清洗 丙酮溶液表面有油渍出 现，获得较干净的基体 表面14:00 称取5g NaOH，5g Na3PO4·12H2O 14:30 配制碱洗溶液100mL，并将镁合金放入

16、溶 在溶液表面出现油渍和 液中，在65条件下清洗15min 脏物 14:45 取出镁合金，用去离子水清洗烘干14:50 称取12.5gCrO3和10mL硝酸15:07 配制酸洗溶液100mL 15:09 将镁合金放入酸洗溶液中，在25下清 有脏物浮在酸洗液上面 洗1min 15:10 取出镁合金，用去离子水清洗烘干15:47 称取HF 14mL16:03 将镁合金放入HF中，在25下活化处 理10min17:00 称量镁合金在镀镍前的质量 1#：1.17g 2#：1.20g 3#：1.19g 4#:1.38g17:26 称量8g六水硫酸镍、8g次磷酸钠、4g 氟化氢钠和4.8gHF17:30 配制化学镀镍溶液350mL17:35 将镀液等量分到四个小烧杯中，并贴好 1#：不加络合剂 标签，加入不同浓度的