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化學(xué)鍍鎳施鍍過程穩(wěn)定性分析
陳月華，劉永永，江德鳳，袁禮華
( 重慶光電技術(shù)研究所，重慶400060)
[摘要] 以化學(xué)鍍鎳反應(yīng)機(jī)理為依據(jù)，針對一種酸性化學(xué)鍍鎳體系，就主鹽濃度( 硫酸鎳) 、還原劑( 次磷酸鈉) 、pH 值、溫度等因素對施鍍過程中鍍液穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了分析。結(jié)果表明: 在Ni2 + 質(zhì)量濃度5. 8 g /L、H2PO2- 質(zhì)量濃度17. 4 g /L、pH 值4. 4、溫度82 ℃的條件下施鍍，化學(xué)鍍鎳施鍍過程穩(wěn)定性最佳。
[關(guān)鍵詞] 化學(xué)鍍鎳; 鍍液穩(wěn)定性; 沉積速率
[中圖分類號]TQ153. 1 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A [文章編號]1001-3660( 2013) 02-0074-03
化學(xué)鍍鎳是鎳離子、還原劑在有催化活性的材料表面進(jìn)行的自催化氧化還原反應(yīng)，反應(yīng)的最大特點(diǎn)是同一表面進(jìn)行著兩個過程，即氧化劑硫酸鎳被還原和還原劑被氧化。硫酸鎳還原反應(yīng)的過程中伴隨著氫氣的析出和單質(zhì)磷的生成，這一動態(tài)過程使得化學(xué)鍍鎳液在施鍍過程中變得不穩(wěn)定，因此鍍液中必須含有能使其在整個施鍍過程保持化學(xué)平衡的穩(wěn)定劑。鍍液中的穩(wěn)定劑優(yōu)先吸附雜質(zhì)微粒，抑制鎳磷共沉積反應(yīng)在雜質(zhì)微粒上發(fā)生，使鎳磷共沉積反應(yīng)只發(fā)生在具有催化活性的被鍍基體表面?？刂坪没瘜W(xué)鍍鎳液的組分濃度及施鍍工藝條件( 溫度及pH 值) ，是維護(hù)化學(xué)鍍鎳液穩(wěn)定性的關(guān)鍵[1]。
1· 實驗
1. 1 施鍍
以50 mm × 25 mm × 6 mm 的10# 鋼作為基體材料。為了得到良好的鍍層，基體材料經(jīng)電解除油和酸蝕活化后進(jìn)行化學(xué)鍍鎳?；瘜W(xué)鍍鎳液成分及主要工藝參數(shù)如下: Ni2 + ( 由硫酸鎳提供) 2. 0 ～ 8. 0 g /L，H2PO2- ( 由次磷酸鈉提供) 5 ～ 25 g /L，穩(wěn)定劑20 ～ 30g /L，pH 值4. 0 ～ 6. 0，溫度70 ～ 85 ℃。
1. 2 測試方法
1) 鹽成分的濃度分析。采用滴定法測量鍍液中Ni2 + 及H2PO2- 的含量[2]。
2) 施鍍過程的沉積速率[3]。采用FA2004 分析天平( 分度值0. 1 mg) 稱取樣品在施鍍前后的質(zhì)量，算得質(zhì)量增量Δm，則沉積速率v = Δm/( ρ·S·t) ( ρ 為鍍層密度，S 為鍍層面積，t 為化學(xué)鍍時間) 。
3) 鍍層中的磷含量。采用GENESIS XMS Imging60 型能譜儀( EDS) ，按照GB /T 17359—1998 測定。
4) 鍍液分解時間[4—6]。移取50 mL 化學(xué)鍍鎳液于250 mL 的燒杯中，將燒杯置于( 80 ± 5) ℃的水浴中恒溫，在攪拌條件下加入120 mg /L 的PdCl2溶液1. 00mL，攪拌均勻后，保持水浴中恒溫靜置。記錄自加入PdCl2溶液至燒杯內(nèi)實驗溶液開始出現(xiàn)渾濁的時間。
2 ·結(jié)果和討論 2. 1 化學(xué)鍍鎳反應(yīng)機(jī)理
化學(xué)鍍鎳的反應(yīng)體系較復(fù)雜[7]，從施鍍條件及施鍍過程的變化來看，特點(diǎn)主要有: 1) 發(fā)生反應(yīng)的基材表面必須具有一定的催化活性，或者通過處理使之具有催化活性; 2) 發(fā)生析氫反應(yīng)，析出的H2分子中的氫一半來自水分子，一半來自次磷酸根; 3) pH 值隨著反應(yīng)過程的進(jìn)行不斷降低; 4) 鍍液的pH 值越高，沉積速率越大，同時鍍層中的磷含量越低。根據(jù)主要反應(yīng)，Ni2 +和H2PO2- 在鍍液中的總反應(yīng)方程式如下:
( 2) 式為H2PO2- 氧化和Ni2 + 還原的綜合反應(yīng); ( 3) 式表示吸附在催化表面的原子氫是由水和次磷酸根反應(yīng)產(chǎn)生的; ( 4) 式表示H2PO2- 在催化表面被吸附氫還原，生成磷的過程; ( 5) 式表示化學(xué)鍍鎳施鍍過程中，Ni2 + 被還原及H2PO2- 被氧化的同時，原子態(tài)氫以氫氣的形式析出。
根據(jù)反應(yīng)機(jī)理可以看出，在施鍍過程中，Ni2 + 和H2PO2- 不斷消耗，H + 濃度持續(xù)上升，使沉積速度下降，若不調(diào)整鍍液各組分含量，就難以達(dá)到施鍍要求。為保證鍍層質(zhì)量、沉積速率及鍍層中的磷含量達(dá)到要求，鍍液中的Ni2 + 和H2PO2- 含量必須相對穩(wěn)定，溫度和pH 值應(yīng)處于最佳范圍內(nèi)。此外，鍍液中的HPO32 -累積達(dá)到含量極限時，鍍液性能會顯著惡化，使得鍍層耐蝕性和耐磨性降低。
2. 2 Ni2 + 濃度對鍍液穩(wěn)定性的影響
化學(xué)鍍鎳液中Ni2 + 濃度對鍍層磷含量和沉積速率的影響[8]如圖1 所示。由圖1 可見，Ni2 + 濃度較低時，沉積速率隨濃度升高而增大，濃度達(dá)到一定值后，沉積速率不再改變。鎳離子質(zhì)量濃度為5. 8 g /L 時，沉積速率最高，且鍍層磷含量穩(wěn)定。
2. 3 H2PO2- 濃度對鍍液穩(wěn)定性的影響
