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        鎳-磷電鑄層中磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響因素

        2018-10-09 07:41:48宋云波劉召昌
        電鍍與環(huán)保 2018年5期
        關(guān)鍵詞:影響質(zhì)量

        宋云波,劉召昌

        (1.東北大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧 沈陽110011;2.山東理工大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院,山東 淄博255000)

        0 前言

        電鑄具有復(fù)制和重復(fù)精度高等優(yōu)點(diǎn),在精密、異型及微/納米制造方面具有廣泛的應(yīng)用[1-2]。為克服單金屬電鑄存在的缺陷,逐漸形成了合金電鑄技術(shù),其中最常見的是類金屬元素磷[3-4]。鎳的晶體結(jié)構(gòu)為面心立方結(jié)構(gòu),晶格常數(shù)為3.520 A。一般情況下,當(dāng)磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低(不大于8%)時,鎳-磷鍍層為晶態(tài)結(jié)構(gòu)。雖然磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過了磷在鎳中的固溶度(0.17%),但仍然以固溶體的形式存在,形成磷在金屬鎳中的過飽和固溶體。隨著磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大,鎳的面心立方結(jié)構(gòu)容納不下磷原子,晶格受到擾亂,使鍍層逐漸失去晶態(tài)特性。當(dāng)磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時,得到鎳-磷的非晶態(tài)鍍層。電鑄層的晶型隨磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化而變化。當(dāng)磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于8%時為晶態(tài),大于15%時為非晶態(tài),8%~15%時為混合狀態(tài)[5]。非晶態(tài)結(jié)構(gòu)屬于熱力學(xué)亞穩(wěn)態(tài),在一定溫度下會發(fā)生晶化而改變結(jié)構(gòu),影響電鑄層的性能。因此,有必要研究工藝參數(shù)對電鑄層中磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響。

        1 實(shí)驗(yàn)

        1.1 實(shí)驗(yàn)材料

        基體材料為黃銅,試樣尺寸為10.0 mm×15.0 mm×0.2 mm。

        1.2 工藝流程

        1.3 主要工序說明

        (1)化學(xué)除油

        NaOH 20~60 g/L,Na2CO320~60 g/L,Na3PO320~30 g/L,溫度50~70℃,時間10~20 min。

        (2)電鑄鎳-磷

        NiSO4·6H2O 160~200 g/L,H3PO330~50 g/L,CH3COOH 30~60 mL/L,檸檬酸15~20 g/L,添加劑1~2 g/L,pH值2.0~3.5,電流密度1.5~3.0 A/dm2,溫度50℃。

        1.4 性能測試

        采用日立S-3400型掃描電子顯微鏡觀察電鑄層的形貌。采用掃描電子顯微鏡附帶的EDS能譜分析儀測試電鑄層的成分。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 電流密度對電鑄層中磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

        圖1為不同電流密度下所得電鑄層的能譜圖。表1為電流密度對電鑄層成分的影響。

        圖1 不同電流密度下所得電鑄層的能譜圖

        表1 電流密度對電鑄層成分的影響

        由表1可知:隨著電流密度的增大,電鑄層中磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸降低[6]。此變化趨勢可以用鎳磷共沉積的間接機(jī)制解釋。共沉積的理論模型為:

        在陰極表面,具有電化學(xué)活性的Ni2+比H3PO3更容易放電。向電解液中加入H3PO3,可以加速Ni2+的還原。當(dāng)電流密度較小時,外加電流主要用于反應(yīng)(1)和反應(yīng)(2)。此時,增大電流密度可以加快后面兩個反應(yīng),使電鑄層中磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大。當(dāng)電流密度較大時,增大電流密度可以同時加快前三個反應(yīng)。而反應(yīng)(3)可以為最后一個反應(yīng)提供足夠的反應(yīng)物,促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行。Ni2+比H3PO3更容易在陰極表面放電,反應(yīng)(4)是一般的化學(xué)反應(yīng),對電流密度的變化依賴較小,導(dǎo)致電鑄層中磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小。

        2.2 H3 PO3對電鑄層中磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

        圖2為不同H3PO3的質(zhì)量濃度下所得電鑄層的能譜圖。表2為H3PO3的質(zhì)量濃度對電鑄層成分的影響。

        圖2 不同H3 PO3的質(zhì)量濃度下所得電鑄層的能譜圖

        表2 H3 PO3的質(zhì)量濃度對電鑄層成分的影響

        由表2可知:電鑄層中磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨H3PO3的質(zhì)量濃度的增加而增大。H3PO3中的P不能通過陰極還原直接析出,可以假設(shè)為配位離子[7]。用鎳磷共沉積機(jī)制解釋,隨著H3PO3的質(zhì)量濃度的增加,會促使反應(yīng)(3)向右進(jìn)行,產(chǎn)生的PH3會進(jìn)一步促進(jìn)反應(yīng)(4)的進(jìn)行,使得電鑄層中磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大。當(dāng)電解液中H3PO3的質(zhì)量濃度達(dá)到一定值時,陰極吸附的配位離子會達(dá)到極大值[8],故電鑄層中磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)趨于穩(wěn)定。

        2.3 pH值對電鑄層中磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

        圖3為不同pH值下所得電鑄層的能譜圖。表3為pH值對電鑄層成分的影響。

        圖3 不同pH值下所得電鑄層的能譜圖

        表3 pH值對電鑄層成分的影響

        由表3可知:隨著pH值的增加,電鑄層中磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減小。由鎳磷共沉積機(jī)制可知,隨著pH值的增加,電解液中H+的濃度逐漸減小,使得式(3)的反應(yīng)速率減小,導(dǎo)致PH3減少,進(jìn)而影響反應(yīng)(4)的進(jìn)行。溶液中的粒子擴(kuò)散到溶液/基體界面需要一定的時間。pH值較高時,電沉積速率較快,陰極氫氣泡可以有效地?cái)嚢桦娊庖海瑢?dǎo)致電鑄層的截面產(chǎn)生片狀結(jié)構(gòu)。另一種解釋是,pH值不同時,Ni2+與配位劑形成的螯合物的穩(wěn)定性發(fā)生變化。隨著pH值升高至中性,酸性介質(zhì)中穩(wěn)定存在的螯合物將解離,形成弱的螯合物,使電鑄層中磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低[9]。

        3 結(jié)論

        隨著電流密度的減小、H3PO3的質(zhì)量濃度的增加、pH值的減小,電鑄層中磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增大。

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