沈岳軍，孫雪松，羅華江，康鑫，安遠飛

（貴州航天電器股份有限公司，貴州 貴陽 550009）

某軍用無磁性連接器要求剩磁等級為NMB(即剩磁Br≤200 nT)，筆者所在公司的連接器為鋁合金化學鍍鎳產品，因剩磁不合格而面臨返工和報廢的風險，嚴重影響生產進度。本文先分析了剩磁不合格零件表面化學鍍鎳層的組織結構，找出剩磁不合格的原因，再通過單因素試驗和正交試驗優(yōu)化化學鍍鎳工藝，最終得到產品剩磁合格的工藝條件，為后續(xù)深入研究和實際生產奠定基礎。

1 實驗

1.1 鋁合金化學鍍鎳工藝

以50 mm × 50 mm × 2 mm的2A12鋁合金為基體。工藝流程為：扎線→除油→堿蝕→浸亮→微蝕→浸鋅→退鋅→預鍍鎳→化學鍍鎳→烘干。

化學鍍鎳采用深圳市恒享表面處理技術有限公司生產的HAS-8728系列高磷化學鍍鎳藥水，工藝條件為：鎳離子質量濃度5.4 ～ 6.2 g/L，pH 4.5 ～ 5.0，溫度85 ～ 91 ℃，鍍液使用周期0 ～ 3 MTO(鎳的沉積量與鍍液初始鎳離子含量相同時為1 MTO)，鍍層厚度(20 ± 2) μm。

1.2 性能檢測

采用Fischer XDV-SDD型高精密X射線熒光鍍層測厚儀測量鍍層厚度，每個樣品測試5次，取平均值，并計算沉積速率。

采用ZEISS EVO18掃描電子顯微鏡(SEM)觀察鍍層的微觀形貌，使用SEM附帶的能譜儀(EDS)分析鍍層的元素組成，并使用濃硝酸溶解法[1]測定整體鍍層的P質量分數(shù)。

采用島津XRD-7000 X射線衍射儀(XRD)分析鍍層的晶體結構。

采用中國空間技術研究院的剩磁測試設備檢測鎳鍍層的剩磁。

2 鋁合金化學鍍鎳零件磁性不合格的原因分析

2.1 不合格零件的性能分析

該鍍鎳零件的剩磁為225 nT，采用濃硝酸將Ni鍍層退除后剩磁為3 nT，可見鋁合金基體自身的磁性能合格，產品磁性能不合格主要與Ni鍍層有關。

取不合格零部件，分別采用能譜儀和硝酸溶解法分析Ni鍍層，分別得到P的質量分數(shù)為11.88%和10.91%，均大于10%。進一步采用X射線衍射儀分析Ni鍍層的相結構，發(fā)現(xiàn)部分區(qū)域的Ni鍍層在2θ為45°處呈現(xiàn)非晶態(tài)的“饅頭峰”(見圖1a)，也有部分區(qū)域的Ni鍍層在2θ為45°處未顯示出與Ni相關的特征峰(見圖1b)，說明零件表面Ni鍍層的P含量分布不均。

圖1 同一剩磁不合格零件不同部位鍍層的XRD譜圖 Figure 1 XRD patterns of Ni coating at different areas of a part with unqualified remanence

2.2 影響鋁合金化學鍍鎳磁性能的主要因素

(1) 鋁合金基材中的磁性元素(如Fe)超標。

(2) 前處理過程引入了磁性元素，如預鍍一層帶磁性的低磷鎳。

(3) 化學鍍鎳層種類。低磷(P質量分數(shù)為2% ～ 5%)Ni為微晶態(tài)結構，帶磁性；中磷(P質量分數(shù)為6% ～ 9%)Ni為微晶態(tài)或晶態(tài)結構，帶磁性；高磷(P質量分數(shù)大于10%)Ni為非晶態(tài)結構，無磁性。

(4) 化學鍍鎳后熱處理工藝。一般隨熱處理溫度升高，鍍層中的P會以Ni3P的形式逐漸析出，使鍍層由非晶態(tài)結構轉變?yōu)榫B(tài)結構。

本工藝所用的鋁合金基材剩磁合格，鍍前處理、化學鍍和鍍后處理均采用無磁工藝。高磷化學鍍鎳件剩磁不合格主要與鍍層磷含量分布不均有關，而影響化學鍍Ni層均勻性的因素主要有鎳離子濃度、溫度、pH等施鍍工藝參數(shù)以及鍍液使用周期。因此通過單因素試驗和正交試驗對化學鍍鎳工藝進行優(yōu)化。

3 化學鍍鎳工藝的優(yōu)化

3.1 單因素試驗

3.1.1 鍍液pH對磁性的影響

鍍液pH顯著影響化學鍍鎳的沉積速率，而沉積速率又會影響鍍層結構。前期規(guī)定的施鍍pH為4.5 ～ 5.1，波動范圍較大。因此，在Ni2+質量濃度5.8 ～ 6.0 g/L、溫度87 ～ 89 °C和pH不同的條件下化學鍍鎳。從表1可知，pH為4.9 ～ 5.1時，沉積快，施鍍時間縮短，Ni鍍層剩磁過高；pH為4.5 ～ 4.7時，沉積較慢，Ni鍍層的剩磁最低。

表1 不同pH下的沉積速率及所得Ni鍍層的剩磁和P質量分數(shù) Table 1 Deposition rates of electroless nickel plating at different pHs, as well as remanences and phosphorus contents of the Ni coatings obtained thereat

3.1.2 施鍍溫度對磁性的影響

溫度是影響化學鍍鎳反應活化能的主要參數(shù)之一，溫度過低不利于化學鍍鎳反應的順利進行，溫度過高則容易造成鍍液分解[2]。從表2可知，Ni2+質量濃度為5.8 ～ 6.0 g/L，pH為4.5 ～ 4.7時，隨溫度升高，沉積速率增大，鍍層的P質量分數(shù)減小，剩磁增大。

表2 不同溫度下的沉積速率及所得Ni鍍層的剩磁和P質量分數(shù) Table 2 Deposition rates of electroless nickel plating at different temperatures, as well as remanences and phosphorus contents of Ni coatings obtained thereat

3.1.3 鎳離子質量濃度對磁性的影響

鎳離子濃度是化學鍍鎳的重要因素之一。從表3可知，pH為4.5 ～ 4.7，溫度為87 ～ 89 °C時，隨Ni2+質量濃度增大，沉積速率增大，Ni鍍層的P質量分數(shù)先增大后減小，剩磁增大。

表3 不同鎳離子濃度下的沉積速率及所得Ni鍍層的剩磁和P質量分數(shù) Table 3 Deposition rates of electroless nickel plating at different Ni2+ contents, and remanences and phosphorus contents of Ni coatings obtained thereat

3.1.4 鍍液使用周期對磁性的影響

從表4可知，在Ni2+質量濃度5.8 ～ 6.0 g/L、pH 4.5 ～ 4.7和溫度87 ～ 89 °C的條件下，隨鍍液使用周期增大，沉積速率減小，Ni鍍層的P質量分數(shù)增大，剩磁減小?？梢婂円菏褂弥芷趯κ４庞幸欢ǖ挠绊?。

表4 不同周期下的沉積速率及所得Ni鍍層的剩磁和P質量分數(shù) Table 4 Deposition rate of electroless nickel plating in baths served for different time, as well as remanences and phosphorus contents of Ni coatings obtained thereat

3.2 正交試驗

由單因素試驗結果可知，鍍液使用周期、溫度、pH和鎳離子質量濃度都會影響Ni鍍層的P含量和剩磁，因此如表5所示進一步通過正交試驗優(yōu)化得到不同鍍液使用周期時的較佳工藝參數(shù)，以提高Ni鍍層的剩磁合格率，試驗結果和均值分析分別見表6和表7。

表5 正交試驗因素水平表 Table 5 Levels of different factors in orthogonal test

表6 正交試驗結果 Table 6 Results of orthogonal test

表7 正交試驗均值和極差分析 Table 7 Analysis on mean and range of orthogonal test

從表7可知，第一周期、第二周期和第三周期鍍液化學鍍鎳的較優(yōu)工藝組合分別為A3B1C1、A2B2C1和A2B2C1(如表8所示)，各自所得Ni鍍層的剩磁分別為23、18和5 nT。

表8 高磷化學鍍鎳無磁工藝參數(shù) Table 8 Process parameters for electroless plating of nonmagnetic high-phosphorus nickel coatings

4 結論

造成鋁合金高磷化學鍍鎳剩磁不合格的主要原因是鍍層磷含量分布不均勻。通過單因素試驗和正交試驗得到不同鍍液使用周期內的較優(yōu)施鍍參數(shù)，使得產品的剩磁合格率提高。