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.上海理工大學材料科學與工程學院, 上海 200093)
鍍鎳工藝在電鍍生產(chǎn)中占據(jù)著重要地位,一般應(yīng)用于材料防護以及裝飾涂層[1]。金屬鎳本身塑性好同時抗腐蝕能力比較強,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)力測試方法對研究鍍層內(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-陰極彎曲法測量。傳統(tǒng)的單陰極片彎曲法在測量應(yīng)力時,由于電鍍內(nèi)應(yīng)力在一定厚度內(nèi)并不會產(chǎn)生特別明顯的彎曲,這就使得測量時由于彎曲距離太短造成測量不精確[3]。新方法與單陰極片彎曲測應(yīng)力的辦法相比,新方法放大了試驗片彎曲的距離,如圖1所示,使得微小的彎曲也可以被測量。
圖1 渡槽結(jié)構(gòu)示意圖
通過對生產(chǎn)線上不同周期的鍍液進行采樣,用新方法進行內(nèi)應(yīng)力檢測,同時與薄膜內(nèi)應(yīng)力測試儀測試數(shù)據(jù)作比較;再采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀對鍍液中元素進行檢測,探究不同元素對鍍層內(nèi)應(yīng)力的影響。
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 試驗片
試驗前先采用堿洗液進行堿性除油,堿洗時間1 min,堿洗溫度55 ℃;堿洗后用去離子水沖洗。之后用酸洗液進行酸洗,酸洗時間為1 min,酸洗溫度為40 ℃;酸洗后用去離子水沖洗,烘干備用。試驗片的酸洗和堿洗分別在超聲環(huán)境下進行,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/%
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
通過改良原來單陰極片彎曲的方法,在電鍍中采用兩個陽極,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。通過測量分叉距離,代入推導(dǎo)的公式計算應(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)力方向為y軸,同時垂直于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) 由于彎曲時曲率半徑并不好測量,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) 采用ICP8000電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀,檢測鍍液中元素含量。 采用薄膜內(nèi)應(yīng)力測試儀,測試真實的鍍層應(yīng)力結(jié)果。 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行電鍍,計算內(nèi)應(yīng)力大小。結(jié)果如圖3,4所示。 圖3 改進方法測試數(shù)據(jù) 圖4 薄膜內(nèi)應(yīng)力測試數(shù)據(jù) 對比新方法與薄膜內(nèi)應(yīng)力測試的數(shù)據(jù),可以發(fā)現(xiàn)雖然在數(shù)據(jù)準確度上相差較大,但是三者間應(yīng)力相對大小還是一致的。所以,新方法可以作為一種生產(chǎn)線上快速檢測應(yīng)力的半定量測試方法。 由圖3,4可知,三種鍍液都會產(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)摻雜以及電鍍時采用空氣攪拌,空氣中雜質(zhì)隨氣流進入鍍液,造成新鍍液也會產(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;對循環(huán)15天的鍍液進行處理,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陽極少量溶解進去的;之后在電解處理時由于采用的不銹鋼電極,F(xiàn)e會繼續(xù)溶解進去。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],夾雜會使Ni在結(jié)晶時晶格產(chǎn)生彎曲,同時位錯增多,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)實踐以及實驗驗證,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 (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)力會顯著增加。對舊槽液進行過濾處理,鍍層內(nèi)應(yīng)力有所下降。2.4 性能表征
3 結(jié)果與討論
4 結(jié)束語