CN102277604A

CN102277604A - 一种电镀Ni叠层膜及其制备方法

Info

Publication number: CN102277604A
Application number: CN2010101966798A
Authority: CN
Inventors: 于志明; 牛云松; 赵健; 胡家秀
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 2010-06-10
Filing date: 2010-06-10
Publication date: 2011-12-14
Anticipated expiration: 2030-06-10
Also published as: CN102277604B

Abstract

本发明涉及叠层膜的制备技术，具体为一种不仅具有优良耐磨、耐腐蚀性能，而且与基体材料结合强度高、可抑制裂纹的产生与扩展的电镀Ni叠层膜及其制备方法，解决了在常规镀膜表面镀层存在穿通底金属的细小孔道和在常规超声镀膜表面容易导致微裂纹的生成与扩展等问题。该电镀Ni叠层膜是在电镀工艺过程中通过间歇引入超声波信号于金属基底材料上沉积Ni镀膜，获得的金属镍膜呈层状结构。其制备方法：经过除油、净化处理的金属基底材料，进行电镀Ni叠层镀膜，当镍叠层镀膜达到所需要的厚度时，取出清洗干净并进行干燥后，即可得到制好的电镀Ni叠层镀膜，其单层厚度在0.1-10微米，总厚度在4-50微米范围内，根据实际需求可以进行调整。

Description

一种电镀Ni叠层膜及其制备方法

技术领域：

本发明涉及叠层膜的制备技术，具体为一种不仅具有优良耐磨、耐腐蚀性能，而且与基体材料结合强度高、可抑制裂纹的产生与扩展的电镀Ni叠层膜及其制备方法。

背景技术：

电镀技术发展已有170年的历史，化学镀层以其优异的性能，越来越多地赢得了人们的信任，它的应用范围也覆盖了工业生产的各个领域，虽然它在国内从早期的研究到工业化应用只走了十几年的路程，但是发展速度是惊人的，其潜在的发展空间也是巨大的，随着我们国家工业的发展、各项工业基础的健全，人们对化学镀镍有了更加全面的认识。工业上化学镀镍的应用主要围绕着它的几大特点：

(1)均镀、深镀能力(也就是对各种几何形状，尤其是深孔、盲孔工件的表面镀覆，主要针对其无孔不入的特点)；

(2)优异的防腐性能(也就是化学镀层非晶态的特点，特别是在油田化工设备、海洋、岸基设备等上的镀覆)；

(3)良好的可焊性(尤其是对在镀层表面进行锡焊的工件的镀覆)；

(4)高硬度与高耐磨性能(主要是对汽配、摩配、各种轴类、钢套、模具的表面镀覆)；

(5)电磁屏蔽性能(主要对计算机硬盘、飞机接插件等电子元器件的表面镀覆)；

(6)适应绝大多数金属基体表面处理的特性(主要对铝及铝合金、铁氧体、钕铁硼、钨镍钴等特殊材料的表面镀覆)；

近20年来，由于超声设备的普及和声化学反应器的广泛应用，超声波在电镀中的应用研究发展迅速，国外已有大量文献或专利报道，日本最多，美国、俄罗斯、欧盟、印度紧随其后，我国在这方面研究也逐渐增多。超声波对电镀过程的影响，主要是凭借空化效应和微射流作用，强化电镀中传质过程、影响成核过程，从而提高电沉积反应速度、改善镀层性能等。

中国发明专利(公开号CN101555611A)公开了一种镁合金表面超声电镀镍的方法，该方法不采用氰化镀液并具有结晶细小致密的镀层，抗镀液腐蚀性强的特点。然而其不足之处在于：超声机理是细化晶粒，这样便大幅度提高镍镀层的硬度，硬膜过厚时，则脆性倾向增大，容易产生微裂纹和裂纹扩展。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种不仅具有优良耐磨、耐腐蚀性能，而且与基体材料结合强度高的Ni叠层膜及其制备方法，简化镀膜工艺以及抑制镀膜中裂纹的产生与扩展等问题。

本发明的技术方案是：

一种高结合强度的电镀Ni叠层膜，该叠层膜是在电镀工艺过程中通过间歇引入超声波信号于金属基底材料上沉积Ni镀膜，获得的金属镍膜呈层状结构，镍膜的单层厚度在0.1-10微米范围内，总厚度在2-50微米范围内，根据实际需求可以进行调整。

所述的与基体金属材料结合强度高的Ni叠层膜的制备方法，以金属材料为基底，在电镀工艺过程中通过间歇引入超声波信号沉积Ni镀膜，形成Ni叠层膜，具体步骤如下：

(1)去除基体金属表面上的油污，在有机溶剂中超声清洗5-10分钟；

(2)酸蚀；

(3)冷水洗；

(4)在电镀过程中间歇引入超声波信号，在基底材料上沉积金属镍膜；

(5)水洗并吹干，得到Ni的叠层膜。

所述步骤(1)中，去除基体金属表面上的油污是将工件浸入三氯乙烯有机溶液中进行刷洗；

所述步骤(1)中，在有机溶剂中超声清洗是把工件放入三氯乙烯有机溶液中通过超声波清洗机清洗5～10分钟，使得工件获得洁净表面。

所述步骤(2)中，酸蚀是指对于不同的基体材料选择适当的酸溶液将基体表面上的氧化薄膜清除掉，具体方法可见各种电镀手册；

所述步骤(4)中，在电镀过程中间歇引入超声波信号是指：

首先，在超声波的电流为100～200mA、超声波频率为16.5～55.5kHz下镀膜120～1200秒；然后，将超声波发生器的电流在10～60秒内由100～200mA逐渐降低到0；接着，在不加超声波的状态下镀膜120～1200秒；再将超声波发生器的电流在10～60秒内由0逐渐升高到100～200mA。不断重复上述操作，沉积时间为30～180分钟，得到需要的电镀Ni叠层膜。

所述步骤(4)中，在基底材料上沉积金属镍膜过程的电流密度为2～12A/dm²。

本发明的优点及有益效果是：

1、本发明利用金属Ni元素良好的耐腐蚀性和耐磨性，以金属材料为基底，在电镀工艺过程中通过间歇引入超声波信号沉积Ni镀膜，从而获得不仅具有优良的耐磨、耐腐蚀性能，而且与基体材料结合强度高、可抑制裂纹的产生与扩展的Ni叠层膜。

2、本发明电镀Ni叠层膜制备方法简单易行、成本较低。

3、采用本发明制备的电镀Ni叠层膜，具有层状结构的特点，镍膜的单层厚度在0.1-10微米范围内，总厚度在2-50微米范围内，根据实际需求可以进行调整，这种结构的优点主要有：(1)镀膜与基体材料、镀膜与镀膜之间的结合强度高；(2)镀膜的耐磨、耐腐蚀性能好；(3)能有效地抑制裂纹的生成和扩展，显著改善常规超声电镀膜容易开裂和剥落现象。

附图说明：

图1本发明电镀Ni叠层膜的端面电镜照片。

图2本发明电镀Ni叠层膜与常规电镀Ni膜耐腐蚀性能的比较。

图3本发明电镀Ni叠层膜与常规电镀Ni膜耐磨性能的比较。

图4镀膜结合力评价专用装置。

图中，1夹具体；2螺栓；3垫板；4试样(样品)。

具体实施方式：

实施例1

经过表面去除油污，在三氯乙烯有机溶液中超声清洗5分钟后进行酸蚀和水洗，将清洗干净的304不锈钢基体材料连接到电镀电源的阴极上，阳极采用纯镍板(含镍量99.9wt％)，启动超声波发生器CSF-1A，调整其电流到100mA，然后把镀件挂到放在超声清洗槽中的电镀溶液中开始电镀，电镀溶液配方和工艺参数基本与表1所示的镀镍溶液相同，加在工件上的电流密度为3A/dm²，镀膜到120秒时将超声波发生器的电流在10秒内逐渐(均匀)降低到0，然后在不加超声的状态下镀膜40秒，随后在10秒内再将超声波发生器的电流逐渐(均匀)调整到100mA，重复这一工艺过程，沉积时间60分钟，最外层镀层为超声镍膜，从而沉积得到叠层镍镀膜。该镀膜呈层状结构，本实施例叠层Ni镀膜单层平均厚度约4.8微米，镀膜总厚度约10微米。如图1所示，从叠层Ni镀膜断面微观形貌可以看出，镀膜呈明显的层状结构，镀膜与镀膜之间具有良好的结合。

表1电镀Ni溶液配方及工艺参数

本发明对制备好的普通电镀Ni膜和电镀Ni叠层膜试样进行了磨损性能对比试验，具体实验方法如下：

实验装置：日本制造NUS-LSO-1型磨轮式磨损试验机；磨轮砂纸：400号水磨砂纸；载荷：6.4N；电子天平测量精度：0.1mg。具体操作如下：首先用丙酮将试样表面清洗干净，热吹风把试样表面吹干，测定并记录试样初始重量。然后，将试样装卡到工作台上开始进行磨损试验，每次300转保证试样摩擦面始终与新鲜砂纸表面接触。每次磨损试验后，利用毛刷把摩擦表面清扫干净后，再用丙酮将试样表面清洗干净、吹干，测定并记录试样重量，将试样磨损试验前后的重量变化作为试样的失重量。依次，每个试样磨损到露出基体为止，取试样3000转磨损后的平均失重量来评判镀膜耐磨性能的优劣，其失重量越少说明镀膜耐磨性能越好。磨损试验结果示于图2，图中所示为试样摩擦300转的平均失重量，由图可见超声电镀Ni叠层膜的耐磨性能比普通电沉积镍薄膜有所提高。

本发明对制备好的普通电镀Ni膜和电镀Ni叠层膜试样进行了耐腐蚀性能对比试验，具体实验方法如下：

采用三电极电解池和EG&G 273A恒电位仪测定极化曲线，试验溶液为3.5wt％的NaCl溶液。试验前用环氧树脂对试验样品进行封涂，做成暴露面积为1cm²的工作电极，辅助电极为Pt片，参比电极为KCl，扫描速度选1mv/s。图3为测试结果，可以看出超声电沉积镍薄膜的自腐蚀电位比普通电沉积镍薄膜的要高，超声电沉积膜的自腐蚀电流为10^-6.4A，普通电镀的自腐蚀电流为10^-5.4A，自腐蚀电流低一个数量级，这说明超声电镀Ni叠层膜的耐蚀性能比普通电沉积镍薄膜有了较大提高。

本发明对制备好的普通电镀Ni膜和超声电镀Ni叠层膜试样，进行了结合力对比试验。如图4所示，实验装置采用左右弯折镀膜结合力评价装置，主要包括夹具体1、螺栓2和垫板3，相对设置的两个夹具体1之间放置两个垫板3，两个夹具体1、两个垫板3之间通过螺栓2连接，两个垫板3之间留有用于插装试样4的间隙，垫板3顶部为圆弧面，所述圆弧面直径为15毫米；镀膜试样4的基体为0.1mm厚的304不锈钢带，具体操作如下：

首先，用丙酮将试样4表面清洗干净，热吹风把试样表面吹干。然后，把试样4放入两个垫板3的圆弧面之间并通过螺栓2夹紧。先将试样沿左边圆弧面弯曲180度并拉紧，再沿右边圆弧面弯曲180度并拉紧，循环这一操作，左右各弯曲一次作为弯曲次数，直至观察到镀膜与基材局部发生分离(镀膜表面出现鼓泡)为止。测定结果列于表2，通过表2列出的数据可以看出，电镀Ni叠层膜和基体之间的结合强度与通电镀Ni膜和基体之间的结合强度相比高出了数倍。

表2结合力对比试验结果

实施例2

与实施例1不同之处在于：

经过表面去除油污，在三氯乙烯有机溶液中超声清洗8分钟后进行酸蚀和水洗，将清洗干净的45号钢基体材料连接到电镀电源的阴极上，阳极采用纯镍板(含镍量99.9wt％)，启动超声波发生器CSF-1A，调整其电流到150mA，然后把镀件挂到放在超声清洗槽中的电镀溶液中开始电镀，电镀溶液配方和工艺参数基本与表1所示的镀镍溶液相同，加在工件上的电流密度为2A/dm²，镀膜到120秒时将超声波发生器的电流在60秒内逐渐(均匀)降低到0，然后在不加超声的状态下镀膜120秒，随后在60秒内再将超声波发生器的电流逐渐(均匀)调整到150mA，重复这一工艺过程，沉积时间120分钟。从而沉积得到叠层镍镀膜。该镀膜呈层状结构，本实施例叠层Ni镀膜单层厚度约0.1微米，镀膜总厚度约4微米。

本实施例对制备好的电镀Ni叠层膜进行耐磨性、耐腐蚀性能测试，评价了镀膜与基体之间的结合强度。试验结果显示，电镀Ni叠层膜不仅具有良好的耐磨、耐腐蚀性能，而且呈现优越的膜基结合强度。

实施例3

与实施例1不同之处在于：

经过表面去除油污，在三氯乙烯有机溶液中超声清洗10分钟后进行酸蚀和水洗，将清洗干净的铝合金基体材料连接到电镀电源的阴极上，阳极采用纯镍板(含镍量99.9wt％)，启动超声波发生器CSF-1A，调整其电流到200mA，然后把镀件挂到放在超声清洗槽中的电镀溶液中开始电镀，电镀溶液配方和工艺参数基本与表1所示的镀镍溶液相同，加在工件上的电流密度为12A/dm²，镀膜到300秒时将超声波发生器的电流在60秒内逐渐(均匀)降低到0，然后在不加超声的状态下镀膜300秒，随后在60秒内再将超声波发生器的电流逐渐(均匀)调整到200mA，重复这一工艺过程，沉积时间120分钟。从而沉积得到叠层镍镀膜。该镀膜呈层状结构，本实施例叠层Ni镀膜单层厚度约2.5微米，镀膜总厚度约50微米。

Claims

1.一种电镀Ni叠层膜，其特征在于：该电镀Ni叠层膜是在电镀工艺过程中通过间歇引入超声波信号于金属基底材料上沉积Ni镀膜，获得的金属镍膜呈层状结构，镍膜的单层厚度在0.1-10微米范围内，总厚度在4-50微米范围内。

2.按照权利要求1所述的电镀Ni叠层膜的制备方法，其特征在于，以金属材料为基底，沉积金属Ni镀膜形成叠层结构的镀膜材料，具体步骤如下：

(2)酸蚀；

(3)冷水洗；

(5)水洗并吹干，得到Ni的叠层膜。

3.按照权利要求2所述的电镀Ni叠层膜的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，去除基体金属表面上的油污是将工件浸入三氯乙烯有机溶液中进行刷洗。

4.按照权利要求2所述的电镀Ni叠层膜的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，在有机溶剂中超声清洗是把工件放入三氯乙烯有机溶液中通过超声波清洗机清洗5～10分钟，使得工件获得洁净表面。

5.按照权利要求2所述的电镀Ni叠层膜的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中，在电镀过程中间歇引入超声波信号是指：

首先，在超声波的电流为100～200mA、超声波频率为16.5～55.5kHz下镀膜120～1200秒；然后，将超声波发生器的电流在10～60秒内由100～200mA逐渐降低到0；接着，在不加超声波的状态下镀膜120～1200秒；再将超声波发生器的电流在10～60秒内由0逐渐升高到100～200mA；不断重复上述操作，沉积时间为30～180分钟，得到需要的电镀Ni叠层膜。

6.按照权利要求2所述的电镀Ni叠层膜的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中，在基底材料上沉积金属镍膜过程的电流密度为2～12A/dm²。