CN101323961A - 一种耐热耐蚀低应力镀镍工艺 - Google Patents
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Abstract
一种耐热耐蚀低应力镀镍工艺，其特征在于：耐热耐蚀低应力镀镍工艺流程为：有机除油→消除应力→有机除油→阳极电解除油→热水洗→冷水洗→弱腐蚀→冷水洗→预镀镍→冷水洗→镀镍→冷水洗→中和→冷水洗→干燥；镀液包含有氨基磺酸镍、十二烷基硫酸钠、硼酸、氯化镍；其中氨基磺酸镍的浓度范围为250～350g/l，硼酸的浓度范围为30～60g/l，十二烷基硫酸钠的浓度范围为0.5～2.0g/l。本发明改变了传统镀镍工艺，改善了镀层的耐热及耐腐蚀性能。可以应用于航空、汽车、机械制造等领域。
Description
技术领域
本发明涉及化学电镀科学，特别提供了一种耐热耐蚀低应力镀镍工艺。
背景技术
采用氨基磺酸镍盐进行镀镍，可获得低应力镀镍层，然而镀层的其他性能指标如耐热性、耐腐蚀性不高，在国内的行业标准中，对镍镀层从未有耐热、耐腐蚀要求。我们在防渗氮保护中也采用镀镍层，但由于现行工艺形成的镀层在致密性、孔隙率以及镀层与基体之间的结合力均无法满足要求，防渗效果很差，经常产生漏渗现象，造成零件报废，镀层在高温及腐蚀性强的条件下无法应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种耐热耐蚀低应力镀镍工艺以克服镀层的耐热性差及耐腐蚀性差的缺点。
本发明提供了一种耐热耐蚀低应力镀镍工艺，其特征在于：其特征在于：耐热耐蚀低应力镀镍工艺流程为：有机除油→消除应力→有机除油→阳极电解除油→热水洗→冷水洗→弱腐蚀→冷水洗→预镀镍→冷水洗→镀镍→冷水洗→中和→冷水洗→干燥；镀液包含有氨基磺酸镍、十二烷基硫酸钠、硼酸、氯化镍；其中氨基磺酸镍的浓度范围为250～350g/l，硼酸的浓度范围为30～60g/l，十二烷基硫酸钠的浓度范围为0.5～2.0g/l。
所述耐热耐蚀低应力镀镍工艺，镀液的温度范围在30～70℃，镀镍电流密度范围1～4A/dm2，PH值范围为3.5～4.5，消除应力热处理温度范围为236～256度，时间范围控制在2～3h。
所述耐热耐蚀低应力镀镍工艺，预镀镍电流密度应严格控制在4～10A/dm2之间，并保证电镀时间在4～10min之间，确保镀层厚度达到1～3μm。
镀前处理对提高镀层结合力是最为关键的，首先我们增加了消除应力处理工序，主要目的是减少或消除零件表面在机械加工中形成的应力集中现象，这对改善镀层结合力非常有效。根据零件的基体材料状况，消除应力热处理最佳温度为246度，最佳时间控制在2h，然后零件必须进行严格的除油处理，首先进行有机除油，然后进行阳极电解除油处理，除掉零件表面的任何动植物油及矿物油，并通过弱腐蚀处理，消除零件表面的钝化薄膜，使表面活化，提高镀层与基体间的结合力。最后进行预镀镍处理即冲击镀镍处理，这是前处理中比较关键的一步。对此我们开始时并未引起足够的重视，因为一般情况下，基体材料为合金钢不需要进行预镀镍处理，但多次试验证明：如果不加预镀镍处理，镀层的结合力就不合格，结合力不合格就无法通过耐热性能检测。不仅如此，即使增加了预镀镍工序，但如果冲击镀的工艺参数控制不当，同样，结合力也不合格。我们通过实验确定预镀镍电流密度应严格控制在4-10A/dm2之间，并保证电镀时间在4-10min之间，确保镀层厚度达到1～3μm，否则镀层在进行耐热检测时必然产生鼓泡现象，不仅耐热性能不合格，而且这种结合力差的镀层同样也无法通过盐雾试验检测，因此，通过冲击镀镍处理，可迅速在基体表面形成凸凹不平的镀层，对改善下一步镀层的牢固性效果非常重要。
从图3、4、5、6中可以看出：尽管在其他操作参数相同的情况下，如果不进行预镀镍处理，或如果在进行预镀镍时工艺参数控制不当，镀层在进行耐热检测时，镀层与基体将产生严重的起泡、脱落现象(如图3所示)；如果在进行预镀镍时工艺参数控制不当，则进行耐热检测时，镀层也会产生起泡现象，不仅耐热性不合格，而且在进行盐雾性能检测时起泡位置将产生腐蚀(如图4所示)；因此前处理不当将直接导致镀层耐热性检测不合格。图5是按本工艺加工后经耐热检测的试件，镀层仍保持完好状态，表明结合力良好；图6是按本工艺加工后经耐热检测后又经过48h的盐雾试验检测的试件，镀层仍保持完好状态，没有任何腐蚀迹象。
从图3、4、5、6中可以看出：尽管在其他操作参数相同的情况下，如果不进行预镀镍处理，镀层在进行耐热检测时，镀层与基体将产生严重的起泡、脱落现象；如果在进行预镀镍时工艺参数控制不当，如电流密度低或时间短同样进行耐热检测时，镀层也会产生起泡现象，不仅耐热性不合格，而且在进行盐雾性能检测时起泡位置将产生腐蚀。因此前处理不当将直接导致镀层耐热性检测不合格。
最初镀液主要含有氨基磺酸镍、氯化镍、硼酸几种组分，由于镀层的耐热性、耐腐蚀性不合格，我们对镀液组成进行适当的调整，首先降低了氨基磺酸镍的含量，增加了少量的十二烷基硫酸钠，并增大了硼酸含量，这些对改善镀层质量都非常有效。
采用氨基磺酸镍作为主盐是获得低应力镍层的基本条件。通常镀液中氨基磺酸镍的浓度一般控制在400g/l左右，在此浓度下，电镀可采用相对高的电流密度，这种镀液虽然可以得到应力较低的镀层，但镀层的结构相对比较粗糙。氨基磺酸镍是镀镍的主盐，它的浓度大小直接影响镀层的沉积速度，浓度越高沉积速度越快，但较高的浓度极易引起镀层粗糙，影响镀层的致密性。因此，我们将氨基磺酸镍的浓度范围控制在250～350g/l。当然氨基磺酸镍浓度不是独立参数，它对镀层粗糙度的影响还应与电流密度结合起来考虑。
硼酸是镀镍中常用的缓冲剂，其主要作用是稳定镀液的PH。通常它的浓度控制在30g/l左右。在镀镍过程中，必须要严格控制PH值，PH过低，H+容易放电，不仅降低了电流效率，还使镀层易产生针孔，增加镀层的孔隙率。PH过高，阴极周围的金属离子会以金属氢氧化物的形式夹入镀层中，造成镀层结构粗糙，应力增加，这些都将影响镀层的耐热性能和耐蚀性能。因此硼酸的缓冲作用十分重要。硼酸还使镀层的结晶细致，不易产生烧焦，这对耐腐蚀性要求非常高的镀层尤为重要。为了进一步稳定镀液的PH值，我们将镀液的硼酸浓度范围控制在30～60g/l，由于镀液的温度较高，电镀时没有出现硼酸的结晶现象。
十二烷基硫酸钠是一种阴离子表面活性剂，它吸附在阴极表面降低了其表面张力，使镀液能很好地润湿零件表面，减小了氢气泡与电极表面的润湿角，使氢气泡难以在阴极表面停留，从而减少了镀层的针孔，这对改善镀层的致密性，减少孔隙率是十分重要的，实践证明：如果镀液中不含十二烷基硫酸钠，镀层将无法通过盐雾试验检测。我们将它的含量范围控制在0.5～2.0g/l之间。
与普通镀镍相比，氨基磺酸镀镍时可以采用较大的电流密度，但在实际电镀时，还与镍离子浓度、镀液温度、PH值、搅拌等多种因素有关。通常当镀液浓度镍离子较高时，并在加温和搅拌及PH较低的情况下，可以采用较高的电流密度，我们在实验中发现：在其他条件不变的情况下，电流密度越大，镀层结晶越粗大，光度也差，如果电流密度过大，镀层可能产生过烧现象，因此，经反复试验确定：最佳电流密度范围应控制在1-4A/dm2之间。在实际操作中，必须根据当时的具体情况确定电流密度的大小。
电镀时间是根据镀层厚度要求确定的，电镀速度与电流密度大小成正比，电流密度越大，电镀速度越快，当电流密度确定后，根据厚度要求就可以确定电镀时间。表1为电镀时间与电流密度之间的关系：
表1电镀速度与电流密度的关系
| 序号 | 电流密度A/dm2 | 时间min | 厚度μm | 电镀速度min/μm |
| 1 | 1.2 | 211 | 26-30 | 7-8 |
| 2 | 1.5 | 35 | 7-9 | 4-5 |
| 3 | 2 | 60 | 15-30 | 2-4 |
| 4 | 3 | 30 | 15-30 | 1-2 |
| 5 | 4 | 30 | 30-45 | 0.66-1 |
镀液温度对镀层的内应力有很大影响，温度升高则镀层的内应力显著降低，镀层柔软且有延展性。阴极的电流效率也随着温度的升高有所增加，尤其在电流密度较大时，如果温度过低容易产生镀层粗糙现象。但是温度过高，会增加盐类的水解和氢氧化物沉淀的形成，增大表面活性剂的消耗，影响镀层质量，甚至产生针孔。因此为降低镀层的内应力，并综合考虑各种其他因素的影响，经反复试验确定镀液的温度范围在30-70℃之间。
在镀镍过程中，镀液的搅拌作用也是必不可少的。它可以减小阴阳极区的浓差极化，防止阴极表面附近液层中镍离子和氢气的析出而引起的PH值增加，PH值增加则容易产生氢氧化物沉淀，夹杂在镀层中会使镀层的内应力增加；而且搅拌还有利于氢气泡从阴极表面逸出，减少镀层的针孔。但过度的搅拌会使沉积于槽底的残渣泛起，使镀层产生毛刺。
通过上述调整，主要是槽液组成的调整，使镀层的致密性得到明显改善，我们采用化学法检查了不同电镀条件下的孔隙率，结果如表1所示：
表1镀层孔隙率检查结果
| 序号 | 氨基磺酸镍浓度g/l | 硼酸浓度g/l | 十二烷基硫酸钠浓度g/l | pH | 电流密度A/dm2 | 孔隙率 |
| 1 | 295 | 48 | 0.5 | 3.8 | 1.5 | 合格 |
| 2 | 315 | 45 | 1 | 4.0 | 1 | 合格 |
| 3 | 330 | 26 | 1 | 2.9 | 3.3 | 不合格 |
| 4 | 350 | 35 | 0 | 3.8 | 1.8 | 不合格 |
| 5 | 305 | 48 | 0 | 4.1 | 2.0 | 不合格 |
| 6 | 279 | 52 | 0.5 | 4.2 | 2.5 | 合格 |
从上表可以看出，当槽液中不加十二烷基硫酸钠时，镀层的孔隙率将不合格；同时当镀液的pH偏低、电流密度过大或硼酸浓度偏低时也将导致镀层的孔隙率的增加。
我们还对改进前后的渗氮效果进行了检测，采用普通镀镍进行防渗保护，通常镀层厚度达到50μm左右孔隙率检查都不合格，即使孔隙率合格，也还经常产生漏渗，合格率只能达到70％左右，而采用我们的新工艺由于镀层致密，厚度达到25μm时就具有较好的防渗效果，产品合格率可以达到95％以上，如图1图2是两种工艺加工的镀层渗氮后的金相图片。从图片可以看出采用新工艺加工的镀层致密、均匀，与基体结合较好，而且在渗氮后没有产生漏渗现象。而普通镀镍工艺镀层的均匀性及与基体的结合力明显较差，并且在渗氮时镀层与基体产生分离，从而造成漏渗。
本发明的优点：本耐热耐蚀低应力镀镍工艺提高了镀层的结合力，降低了镀层的孔隙率，增强了耐热和耐腐蚀性。
附图说明
图1为耐热耐蚀低应力镀镍工艺渗氮后的金相图片；
图2为传统工艺渗氮后的金相图片；
图3不进行预镀镍处理的图片；
图4不进行预镀镍处理的金属盐雾性能检测的图片；
图5按本工艺加工后的图片；
图6按本工艺加工后经耐热检测后又经过48h的盐雾试验检测的试件图片。
具体实施方式
实施例1
本实施例耐热耐蚀低应力镀镍工艺流程为：有机除油→消除应力→有机除油→阳极电解除油→热水洗→冷水洗→弱腐蚀→冷水洗→预镀镍→冷水洗→镀镍→冷水洗→中和→冷水洗→干燥。
基体材料40CrNiMoA，电源：普通直流电源
热处理消除应力：240℃，时间3h
预镀镍处理：阴极电流密度4A/dm2
预镀镍时间8min
镀镍处理：
氨基磺酸镍浓度：255g/l
氯化镍浓度：38g/l
硼酸浓度：45g/l
十二烷基硫酸钠浓度：0.5g/l
pH：3.5
阴极电流密度1.2A/dm2
槽液温度：62℃
电镀时间：100min
镀层质量检验：
镀层外观呈亮灰色，结晶细腻，孔隙率检测合格，耐热性能耐蚀性能均合格。
实施例2
本实施例耐热耐蚀低应力镀镍工艺流程为：有机除油→消除应力→有机除油→阳极电解除油→热水洗→冷水洗→弱腐蚀→冷水洗→预镀镍→冷水洗→镀镍→冷水洗→中和→冷水洗→干燥。
基体材料40CrNiMoA，电源：普通直流电源
热处理消除应力：238℃，时间3h
预镀镍处理：阴极电流密度5A/dm2
预镀镍时间6min
镀镍处理：
氨基磺酸镍浓度：295g/l
硼酸浓度：42g/l
十二烷基硫酸钠浓度：1g/l
pH：3.8
阴极电流密度1.45A/dm2
槽液温度：50℃
电镀时间：90min
镀层孔隙率检测合格，耐热性能耐蚀性能均合格。
实施例3
本实施例耐热耐蚀低应力镀镍工艺流程为：有机除油→消除应力→有机除油→阳极电解除油→热水洗→冷水洗→弱腐蚀→冷水洗→预镀镍→冷水洗→镀镍→冷水洗→中和→冷水洗→干燥。
基体材料1Cr11Ni2W2MoV，电源：普通直流电源
热处理消除应力：245℃，时间2.5h
预镀镍处理：阴极电流密度7A/dm2
预镀镍时间5min
镀镍处理：
氨基磺酸镍浓度：307g/l
硼酸浓度：48g/l
十二烷基硫酸钠浓度：1.5g/l
pH：3.9
阴极电流密度1.8A/dm2
槽液温度：58℃
电镀时间：80min
镀层孔隙率检测合格，耐热性能耐蚀性能均合格。
实施例4
本实施例耐热耐蚀低应力镀镍工艺流程为：有机除油→消除应力→有机除油→阳极电解除油→热水洗→冷水洗→弱腐蚀→冷水洗→预镀镍→冷水洗→镀镍→冷水洗→中和→冷水洗→干燥。
基体材料1Cr11Ni2W2MoV，电源：普通直流电源
热处理消除应力：250℃，时间2.5h
预镀镍处理：阴极电流密度7A/dm2
预镀镍时间4min
镀镍处理：
氨基磺酸镍浓度：320g/l
硼酸浓度：50g/l
十二烷基硫酸钠浓度：2g/l
pH：4.2
阴极电流密度2.5A/dm2
槽液温度：65℃
电镀时间：65min
镀层孔隙率检测合格，耐热性能耐蚀性能均合格。
实施例5
本实施例耐热耐蚀低应力镀镍工艺流程为：有机除油→消除应力→有机除油→阳极电解除油→热水洗→冷水洗→弱腐蚀→冷水洗→预镀镍→冷水洗→镀镍→冷水洗→中和→冷水洗→干燥。
基体材料40CrNiMoA，电源：普通直流电源
热处理消除应力：255℃，时间2h
预镀镍处理：阴极电流密度6.5A/dm2
预镀镍时间5min
镀镍处理：
氨基磺酸镍浓度：340g/l
硼酸浓度：58g/l
十二烷基硫酸钠浓度：2.5g/l
pH：4.5
阴极电流密度3.5A/dm2
槽液温度：68℃
电镀时间：55min
镀层孔隙率检测合格，耐热性能耐蚀性能均合格。
实施例6
本实施例耐热耐蚀低应力镀镍工艺流程为：有机除油→消除应力→有机除油→阳极电解除油→热水洗→冷水洗→弱腐蚀→冷水洗→预镀镍→冷水洗→镀镍→冷水洗→中和→冷水洗→干燥。
基体材料1Cr11Ni2W2MoV，电源：普通直流电源
热处理消除应力：250℃，时间2.5h
预镀镍处理：阴极电流密度5.5A/dm2
预镀镍时间6min
镀镍处理：
氨基磺酸镍浓度：279g/l
硼酸浓度：45g/l
十二烷基硫酸钠浓度：1.8g/l
pH：4.0
阴极电流密度2.1A/dm2
槽液温度：56℃
电镀时间：65min
镀层孔隙率检测合格，耐热性能耐蚀性能均合格。
Claims (6)
1、一种耐热耐蚀低应力镀镍工艺，其特征在于：耐热耐蚀低应力镀镍工艺流程为：有机除油→消除应力→有机除油→阳极电解除油→热水洗→冷水洗→弱腐蚀→冷水洗→预镀镍→冷水洗→镀镍→冷水洗→中和→冷水洗→干燥；镀液包含有氨基磺酸镍、十二烷基硫酸钠、硼酸、氯化镍；其中氨基磺酸镍的浓度范围为250～350g/l，硼酸的浓度范围为30～60g/l，十二烷基硫酸钠的浓度范围为0.5～2.0g/l。
2、按照权利要求1所述耐热耐蚀低应力镀镍工艺，其特征在于：镀液的温度范围在30～70℃。
3、按照权利要求1所述耐热耐蚀低应力镀镍工艺，其特征在于：镀镍电流密度范围1～4A/dm2。
4、按照权利要求1所述耐热耐蚀低应力镀镍工艺，其特征在于：PH值范围为3.5～4.5。
5、按照权利要求1所述耐热耐蚀低应力镀镍工艺，其特征在于：消除应力热处理温度范围为236～256度，时间范围控制在2～3h。
6、按照权利要求1所述耐热耐蚀低应力镀镍工艺，其特征在于：预镀镍电流密度应严格控制在4～10A/dm2之间，并保证电镀时间在4～10min之间，确保镀层厚度达到1～3μm。
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| CNA2007100116845A CN101323961A (zh) | 2007-06-14 | 2007-06-14 | 一种耐热耐蚀低应力镀镍工艺 |
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| CNA2007100116845A CN101323961A (zh) | 2007-06-14 | 2007-06-14 | 一种耐热耐蚀低应力镀镍工艺 |
Publications (1)
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|---|---|
| CN101323961A true CN101323961A (zh) | 2008-12-17 |
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| CNA2007100116845A Pending CN101323961A (zh) | 2007-06-14 | 2007-06-14 | 一种耐热耐蚀低应力镀镍工艺 |
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2007
- 2007-06-14 CN CNA2007100116845A patent/CN101323961A/zh active Pending
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Open date: 20081217 |