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        一種新方法探究雜質(zhì)摻雜對(duì)鍍層內(nèi)應(yīng)力的影響*

        2021-05-19 09:30:24馬澤賢劉新寬朱建國雷雪松
        現(xiàn)代冶金 2021年1期
        關(guān)鍵詞:內(nèi)應(yīng)力鍍液酸洗

        蔡 磊, 馬澤賢, 劉新寬, 朱建國, 雷雪松

        ( 1.盛利維爾(中國)新材料技術(shù)有限公司, 江蘇 常州 213200; 2.上海理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 上海 200093)

        1 概 述

        鍍鎳工藝在電鍍生產(chǎn)中占據(jù)著重要地位,一般應(yīng)用于材料防護(hù)以及裝飾涂層[1]。金屬鎳本身塑性好同時(shí)抗腐蝕能力比較強(qiáng),所以電鍍鎳工藝自誕生之日起備受青睞。但是在電鍍過程中,由于雜質(zhì)摻雜以及添加劑的引入,鍍層內(nèi)應(yīng)力的問題一直是生產(chǎn)實(shí)踐關(guān)注的重要問題。高應(yīng)力導(dǎo)致鍍層起皮、開裂、與基體的結(jié)合能力下降[2],嚴(yán)重影響鍍層的質(zhì)量,所以建立起一種完備的鍍層應(yīng)力測(cè)試方法對(duì)研究鍍層內(nèi)應(yīng)力問題具有重要意義。

        本文改良原來的單陰極片彎曲的方法,采用雙陽極-陰極彎曲法測(cè)量。傳統(tǒng)的單陰極片彎曲法在測(cè)量應(yīng)力時(shí),由于電鍍內(nèi)應(yīng)力在一定厚度內(nèi)并不會(huì)產(chǎn)生特別明顯的彎曲,這就使得測(cè)量時(shí)由于彎曲距離太短造成測(cè)量不精確[3]。新方法與單陰極片彎曲測(cè)應(yīng)力的辦法相比,新方法放大了試驗(yàn)片彎曲的距離,如圖1所示,使得微小的彎曲也可以被測(cè)量。

        圖1 渡槽結(jié)構(gòu)示意圖

        通過對(duì)生產(chǎn)線上不同周期的鍍液進(jìn)行采樣,用新方法進(jìn)行內(nèi)應(yīng)力檢測(cè),同時(shí)與薄膜內(nèi)應(yīng)力測(cè)試儀測(cè)試數(shù)據(jù)作比較;再采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀對(duì)鍍液中元素進(jìn)行檢測(cè),探究不同元素對(duì)鍍層內(nèi)應(yīng)力的影響。

        2 實(shí)驗(yàn)過程

        2.1 實(shí)驗(yàn)材料與預(yù)處理

        基材用黃銅片,試樣規(guī)格為100 mm×20 mm×0.2 mm,用線切割加工成如圖2樣式。加工好的黃銅片分開兩腳處分別單面絕緣作為陰極彎曲試片。

        圖2 試驗(yàn)片

        試驗(yàn)前先采用堿洗液進(jìn)行堿性除油,堿洗時(shí)間1 min,堿洗溫度55 ℃;堿洗后用去離子水沖洗。之后用酸洗液進(jìn)行酸洗,酸洗時(shí)間為1 min,酸洗溫度為40 ℃;酸洗后用去離子水沖洗,烘干備用。試驗(yàn)片的酸洗和堿洗分別在超聲環(huán)境下進(jìn)行,以便徹底清除其表面油漬和氧化層。堿洗液配方如表1所示,酸洗液配方如表2所示。

        表1 堿洗液配方/%

        表2 酸洗液配方/%

        2.2 電鍍鎳基礎(chǔ)鍍液

        電鍍鎳采用氨基磺酸鎳基礎(chǔ)鍍液,成分如表3所示。

        表3 基礎(chǔ)鍍液成分

        2.3 應(yīng)力檢測(cè)計(jì)算

        通過改良原來單陰極片彎曲的方法,在電鍍中采用兩個(gè)陽極,陰極放在渡槽中間,試樣片兩腳分別單面絕緣,在電鍍過程中鍍層一面受內(nèi)應(yīng)力彎曲兩腳分叉(如圖2所示)。通過觀察鍍層面和絕緣面張開方向,判斷內(nèi)應(yīng)力類型。通過測(cè)量分叉距離,代入推導(dǎo)的公式計(jì)算應(yīng)力大小。

        假設(shè)得到的鍍層是均勻連續(xù)的,即鍍層中的每一薄層都是受單向拉伸或壓縮。對(duì)基體而言,由胡克定律可知

        σ=Eε

        (1)

        由于應(yīng)變與它到中性軸的距離成正比,即

        (2)

        式中ρ為曲率(mm),E為彈性模量(GPa)。

        在基板橫截面任意選取一微截面,截面上微內(nèi)力可以正交分解成三個(gè)內(nèi)力分量。以基板面為xoz平面,基板受鍍層施加的應(yīng)力方向?yàn)閥軸,同時(shí)垂直于xoz面。取微內(nèi)力處距xoz面距離為y,根據(jù)內(nèi)、外力平衡條件[4]

        (3)

        式中d為基板厚度(mm);b為xoz面距中心軸的距離(mm)。

        設(shè)鍍層任意橫截面上內(nèi)應(yīng)力為F(GPa),鍍層厚度為Δl(mm),Δl

        (4)

        由于彎曲時(shí)曲率半徑并不好測(cè)量,所以根據(jù)彎曲狀態(tài)下曲率與撓度關(guān)系[5]

        (5)

        式中 Δd為試樣片雙腳分開距離的一半(mm),l為鍍層長度(mm)。

        聯(lián)立以上各式,得到鍍層內(nèi)應(yīng)力公式為

        (6)

        2.4 性能表征

        采用ICP8000電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀,檢測(cè)鍍液中元素含量。

        采用薄膜內(nèi)應(yīng)力測(cè)試儀,測(cè)試真實(shí)的鍍層應(yīng)力結(jié)果。

        3 結(jié)果與討論

        分別用新配置的鍍液、生產(chǎn)線預(yù)鍍階段循環(huán)15天的鍍液以及處理后的鍍液分別進(jìn)行電鍍,計(jì)算內(nèi)應(yīng)力大小。結(jié)果如圖3,4所示。

        圖3 改進(jìn)方法測(cè)試數(shù)據(jù)

        圖4 薄膜內(nèi)應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)

        對(duì)比新方法與薄膜內(nèi)應(yīng)力測(cè)試的數(shù)據(jù),可以發(fā)現(xiàn)雖然在數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度上相差較大,但是三者間應(yīng)力相對(duì)大小還是一致的。所以,新方法可以作為一種生產(chǎn)線上快速檢測(cè)應(yīng)力的半定量測(cè)試方法。

        由圖3,4可知,三種鍍液都會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力。理論上氨基磺酸鎳體系鍍鎳是無應(yīng)力鍍鎳;但是由于在合成的過程中雜質(zhì)摻雜以及電鍍時(shí)采用空氣攪拌,空氣中雜質(zhì)隨氣流進(jìn)入鍍液,造成新鍍液也會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力。鍍液循環(huán)15天后,應(yīng)力值增加到新鍍液應(yīng)力值的4倍;對(duì)循環(huán)15天的鍍液進(jìn)行處理,采用活性碳濾芯吸附+電解處理,應(yīng)力有所下降,但依然比新鍍液要高,其值是新鍍液應(yīng)力值的2倍。循環(huán)15天的鍍液以及處理后的鍍液之所以會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力,是在電鍍的過程中雜質(zhì)的積累造成的。

        圖5 不同周期鍍液Cu,Fe元素含量

        圖6 不同周期鍍液Ca,Na元素含量

        Cu和Fe是由基體以及Ni陽極少量溶解進(jìn)去的;之后在電解處理時(shí)由于采用的不銹鋼電極,F(xiàn)e會(huì)繼續(xù)溶解進(jìn)去。Cu的析出電位要比Ni低,所以在陽極優(yōu)先析出,而且還極容易與陽極溶解下的S2-形成Cu2S夾雜在鍍層中[6],夾雜會(huì)使Ni在結(jié)晶時(shí)晶格產(chǎn)生彎曲,同時(shí)位錯(cuò)增多,造成晶格常數(shù)增大,內(nèi)應(yīng)力增大[7]。Fe摻雜同樣對(duì)內(nèi)應(yīng)力的增大產(chǎn)生重要影響,唐徐情[8]等人研究表明,溶液中的Fe2+會(huì)使Ni的晶格常數(shù)增大,可能是Fe和Ni的共沉積使鍍層中摻入了比主體原子半徑更大的原子,同時(shí)Fe2+使Ni沿(111)晶面擇優(yōu)生長,晶粒尺寸變小,內(nèi)應(yīng)力增大。

        Ca和Na的摻雜,可能是循環(huán)水中的雜質(zhì)過多以及空氣中的微小含Ca顆粒物進(jìn)入鍍液,這也解釋了為什么處理后的鍍液中Na元素反而比循環(huán)15天的鍍液還要高。唐春華[9]通過大量生產(chǎn)實(shí)踐以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,Na+的摻雜使鍍層析氫加劇,pH值迅速升高,造成Fe和Ni形成氫氧化物堿式鹽夾雜在鍍層中,增大了鍍層的內(nèi)應(yīng)力;這也解釋了為何在生產(chǎn)線上一般不用氫氧化鈉而用在高溫高壓煮出的堿式碳酸鎳調(diào)高pH值的原因了。

        圖7 不同周期鍍液中含量

        4 結(jié)束語

        (1)新配鍍液產(chǎn)生的鍍層內(nèi)應(yīng)力很小,之后伴隨著循環(huán)周期的增長,內(nèi)應(yīng)力會(huì)顯著增加。對(duì)舊槽液進(jìn)行過濾處理,鍍層內(nèi)應(yīng)力有所下降。

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