超声波对镍镀层硬度的影响

超声波对镍镀层硬度的影响 ?18?May2007PlatingandFinishingVo1.29No.3SerialNo.174 文章编号:1001—3849(2007)03—0018,03 超声波对镍镀层硬度的影响 王秀芝.,于爱兵 (1.天津大学先进陶瓷与加工技术教育部重点实验室,天津300072;2.天津农学院职业技术 学院,天津300380) 摘要:分别在超声波和无超声波条件下,制备了镍镀层.通过镍镀层硬度测试,金相组织观察和镀层 内应力的测定,分析了超声波条件下镍镀层硬度提高的影响因素.实验结果明:增加超声波功率, 导致镀层硬度增大.在超声波作用下,镍镀层的晶粒细小,镀层呈现压应力状态.镍镀层晶粒细化, 加工硬化和存在压应力是超声波电镀镍层硬度提高的主要因素. 关键词:超声波;电镀;镍镀层;硬度 中图分类号:TQ153.12文献标识码:A InfluenceofUltrasoniconHardnessof Electr0platedNickelCoating WANGXiu—zhi,YUAi—bing (1.KeyLaboratoryofAdvancedCeramics&MachiningTechnologyofEducationMini stry, TianjinUniversity,Tianjin300072,China) Abstract:Electroplatednickelcoatingswerepreparedrespectivelyunderconditionswithult rason— icandwithoutultrasonic.Factorsaffectingtheincreaseinhardnessofnickelcoatingelectropl ated underultrasonicwereanalyzedthroughhardnesstesting,metallographicstructureobservation andinternalstressmeasurementofthecoating.Theexperimentalresultsshowthattheincrease inultrasonicpowerleadstotheincreaseinhardnessofthecoatingobtained.Undertheeffectof ultrasonic,theobtainednickelcoatingsareinfinecrystalgrainsizeandexhibitacompressive stressstate.Themainfactorsfortheincreaseinhardnessofnickelcoatingelectroplatedunder ultrasonicactionarethedepositcrystalgrainbecomingfine,workinghardeningofthecoating andpresenceofcompressivestressinthecoating. Keywords:ultrasonic;electroplating;nickelcoating;hardness 目 超声波可改善电镀工艺条件,且能够增加镍镀 层的硬度,耐磨性等.理想的镍镀层应具有较高的 强度,韧性,硬度和耐蚀性,它较好地改善了基材表 层的抗磨损性和耐腐蚀性.一般情况下,镀层硬度越 高,其耐磨损性能越好.但超声波对镍镀层硬度影响 因素的讨论至今报道甚少.本文通过实验,分析了超 收稿日期:2006—06—18 作者简介:王秀芝(1969一),女,天津蓟县人,天津大学机械学院讲师,在职硕士研究 生 2007年5月电镀与精饰第29卷第3期(总174期)?19? 声波提高镍镀层硬度的主要影响因素. l实验 1.1电镀基体及其处理 测试镀层硬度的基体为20mm×12mm×1.4 mm的35钢片.测试镀层内应力的基体为88mm ×9mm×0.35mm薄铁片.镀前基体需经粗,细砂 纸打磨和抛光,再经超声除油,稀盐酸弱浸蚀,蒸馏 水冲洗,然后将基体带电放人处于超声波发生器中 的镀槽内.超声波发生器为KQ一250DB型数控超 声清洗器. 1.2镀液组成及工艺条件 镀液配方为:NiSO?6H2O250g/L,NiC12? 6HO35g/L,H.BO.35g/L及少许添加剂.电镀的 工艺条件为:镀液pH=3.8,4.1,电流密度为2 A/dm,镀液温度为46C.超声功率P=0~250W, 频率为40kHz.测试硬度的试件电镀时间为120 min,测试内应力的试件电镀100min. 1.3镀层检测 待测硬度的镀件经XQ一2型金相镶嵌机镶嵌, 再由PG一1型金相试样抛光机抛光处理,用HXD一 1000TC型显微硬度计测量镀件的硬度.镀层经抛 光,腐蚀处理后,用4XB—C型金相显微镜观察镀层 金相.用弯曲阴极_3测量镀层内应力. 2实验结果及分析 镀层硬度与超声波功率的关系如图1所示. 由图1可知,超声波作用下的镀层硬度高于无 超声时的镀层硬度.同为超声条件,但超声功率不 同,镀层硬度亦不同.超声波提高镍镀层硬度的原 因,从以下3个方面进行讨论. 》 图l镀层硬度与超声波功率的关系 2.1晶粒尺寸 晶粒尺寸变小,镀层硬度随之提高.由图2可 知,在超声波作用下,镀层晶粒比无超声时的晶粒 小.这和图1的实验结果是一致的.即超声波作用 时镀层硬度高于无超声时的镀层硬度.超声波使晶 粒变小的原因是:超声空化过程中,气泡崩溃产生了 强大的冲击压力,这对镀层表面细致晶粒的形成起 了重要作用?.空化现象产生的强烈冲击波作用于 电极附近的扩散层,产生异常强烈的搅拌作用,这种 作用达到了电极表面,使得扩散层变薄.这样,紧靠 电极表面的液层中的放电金属离子浓度大大提高, 而电沉积速率正是取决于电极表面离子浓度值.增 加了晶核形成几率[5].超声空化作用抑制了晶核的 长大.超声波使形核速率加快,晶粒得到了细 化. 2.2加工硬化 加工硬化为在力作用下,金属晶格发生扭曲,畸 变,晶粒问产生滑移,晶粒被拉长等现象,这些现象 会使金属表面硬度增加.加工硬化也是超声波电镀 提高镍镀层硬度的一个原因.在超声波作用下,液体 中的微小气泡发生一系列动力学过程:振荡,扩大, 收缩,崩溃_7.在崩溃点处,产生上百兆帕的强大冲 击波和高速的微射流作用在晶粒上,晶粒间产生滑 移,晶粒变形,镀层硬度增加.超声引起工作硬化l1] 可通过图2中的晶粒对比来说明. 从图2中可看到,有无超声波条件下的图片晶 粒形状存在差异.相比较而言,图2(a)中的晶粒呈 球形,而图2(b),(d)中的晶粒呈扁球状.随着超声 波功率的增加,晶粒的变形趋势也逐渐明显.这是超 声引起加工硬化的结果.实验结果表明,超声波条件 下镀层硬度高于无超声时的镀层硬度. (a)oW(b)100W 一一(c)150W(d)200W 图2超声功率对镀层晶粒形状的影响 ?20?May2007PlatingandFinishingVo1.29No.3SerialNo.174 不同超声波功率下镀层内应力的数值见表1. 由表1看出,无超声波电镀得到的镀层内应力 均为拉应力;而超声波条件下电镀得到的镀层应力 均为压应力.内应力对镀层有一定的影响,压应力使 硬度值增加,拉应力使硬度值减少[g].因此,在超声 波电镀条件下,所获得的镍镀层硬度高. 3结论 超声条件下制备的镍镀层硬度高于无超声时的 镍镀层硬度;镍镀层晶粒尺寸细化,加工硬化和压应 力是超声波条件下镀层硬度提高的主要因素. ters,l993,l2:902—903. [2]王秦生.超硬材料电镀制品[M].北京:中国标准出 版社,2000.1O5—125. [3]曾华梁,吴仲达,陈钊武,等.电镀工艺手册[M].北 京:机械工业出版社,2002.808—809. [-43陈华茂,吴华强.超声波在电镀中的应用EJ3.化学世 界,2003,(2):97—99. [5]王秦生.超声波强化电镀过程及改善镀层质量的机理 I-J].工业金刚石,2003,(4—5):69—72. [6]吴蒙华,傅欣欣,李智,等.超声电沉积镍/纳米碳化硅 复合镀层组织结构研究[J].机械工程材料,2004,28 (12):46—48. [7]程敬泉,姚素薇.超声波在电化学中的应用[J].电镀 与精饰,2005,27(1):16—19. [8]MahmoodTR,DennisJK,BarrettPL.Effectoful— trasonlcagitationOilNi-CoandNi—-Fedepositionsur—. facetechnology[J].SurfaceTechnology,1984,22: 2l9—239. [9]王庆明,朱国辉,程耀东.关于试件内应力对硬度测试 值的影响的试验研究l-J].计量与测试技术,1995,(2): 】7一】8. 镀硬铬废溶液的再利用 l问题的提出硫 2)/ 酸 0f锌钝化液的组成 2?5g/L 我厂现有镀硬铬和镀锌两大镀种,有一个2000 升的镀硬铬槽液已经使用了快十年,其中含有的各 种金属杂质超过了保证正常生产的最大限度,而现 有的条件又不能清除这些金属杂质,造成硬铬镀层 的光亮度和硬度开始变差,已不能满足顾客的要求, 这2000升镀硬铬溶液必须经过严格的化学处理, 只有当Cr<O.5mg/L,总铬量<1.0mg/L,才能 够排入城市地下管网,这需要消耗大量的化学原料, 既浪费了资金,又极大地增加了污水处理负担.因 此,我厂不处理这些废液,而是想办法利用这些 废铬液. 2镀铬废溶液的再利用 这些报废的镀硬铬溶液主要由铬酐和硫酸组 成,而车间的镀锌彩色钝化槽每天也需消耗铬酐和 硫酸,能否把这些废铬液用于镀锌钝化呢?经过化 验,废镀铬液和钝化液成分如下: 1)废镀铬溶液的组成 铬酐250g/L 铬酐5g/L 硫酸0.3mL/L 硝酸5mL/L 以新配制1000L的低铬彩色钝化液为例,需 5000g铬酐,300mL浓H2SO,500mL浓硝酸.如 果用废镀铬液配制镀锌低铬彩色钝化液,需废铬液 5000g+250g/L=20L. 这2OL废镀铬溶液中所含硫酸为:2O×2.5? 1.84—27.17mL. 300—27.17—273mL,需另加入硫酸273mL. 硝酸另加入5000mL. 废镀铬溶液中含有三价铬,所以镀锌钝化液中 不需再加入锌粉产生三价铬.按照上面的计算我们 用废镀铬液配制了镀锌钝化液.经过对镀件进行钝 化,发现与以往所配的低铬彩色钝化液的钝化效果 完全一样.经过一段时间使用,质量很稳定.目前我 厂所有的低铬彩色钝化都用这些报废的镀铬液配 制.吕丽 (大连旅顺精饰电镀厂辽宁大连116041)